ES2310958A1 - Pala de aerogenerador optimizada. - Google Patents
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Abstract
Pala de aerogenerador optimizada que comprende un primer componente (7) que tiene un perfil aerodinámico con un borde de ataque (11), un borde de salida romo (13) de espesor T mayor de 2 mm, y lados de succión y presión (17, 19) entre el borde de ataque (11) y el borde de salida romo (13) y un segundo componente (9, 12) para reducir el ruido del borde salida romo de sección transversal constante en la dirección del radio de la pala, que está unido rígidamente al borde de salida romo (13) de dicho primer componente (7) en al menos parte de la pala de aerogenerador con medios de unión que permiten su reemplazamiento.
Description
Pala de aerogenerador optimizada.
La invención se refiere a una pala de
aerogenerador aerodinámicamente optimizada, y en particular a un
pala de aerogenerador cuyo diseño reduce el ruido de un borde de
salida romo.
El ruido de un aerogenerador se produce por
causas mecánicas y aerodinámicas.
El ruido aerodinámico puede ser clasificado de
acuerdo con los diferentes mecanismos que lo producen:
- Ruido de espesor. Se origina por una pala que
desplaza aire moviéndolo a través del mismo. La frecuencia es
discreta y está relacionada con la frecuencia de paso de la pala
(típicamente en torno a 1 Hz. + armónicos hasta alrededor de 30
Hz).
- Ruido de carga inestable. Se origina por las
fluctuaciones de presión debidas a una carga aerodinámica inestable
de la pala (procedente del viento, una desalineación del rotor, una
desviación de la torre, etc.). La frecuencia es discreta y está
relacionada con la frecuencia de paso de la pala (típicamente en
torno a 1 Hz + armónicos hasta alrededor de 30 Hz).
- Ruido de flujo de entrada turbulento, también
conocido como ruido del borde de ataque. Se origina en el borde de
ataque y es causado por las turbulencias atmosféricas que inducen
fluctuaciones de presión al contactar con el borde de ataque. La
frecuencia es de banda ancha y está relacionada con el espectro de
frecuencia de las turbulencias atmosféricas en relación con la
velocidad de la punta de la pala (típicamente de 0 Hz a alrededor de
5000 Hz, más presente a frecuencias bajas y medias).
- Ruido de una capa límite turbulenta en el
borde de salida. Se origina por un déficit fluctuante de presión
entre el lado de presión y el lado de succión cuando el flujo llega
al borde de salida. La frecuencia es de banda ancha y está
relacionada con parámetros de la capa límite (típicamente de 100 Hz
a 10000 Hz, más presente a frecuencias medias alrededor de 1000
Hz).
- Ruido de punta. Se origina por la turbulencia
en el vórtice de la punta. La frecuencia es de banda ancha y está
relacionada con el diámetro del vórtice de la punta (típicamente
entre 1000 Hz y 8000 Hz).
- Ruido de entrada en pérdida. Se origina por
las fluctuaciones de presión en las áreas de separación de flujo,
presentes a menudo a altos ángulos de ataque. La frecuencia es de
banda ancha y está relacionada con la extensión del área de entrada
en pérdida (típicamente entre 20 Hz y 1000 Hz).
- Ruido de los vórtices de la capa límite
laminar. Se origina por las inestabilidades en el lado de presión
de la capa límite causando la formación de vórtices. La frecuencia
es tonal y está relacionada con el espesor de la capa límite en el
lado de presión (típicamente entre 1000 Hz y 4000 Hz).
- Ruido de un borde de salida romo. Se origina
en la pequeña zona de separación de flujo detrás de un borde de
salida romo que causa la formación de vórtices (bien conocida como
la formación de vórtices de von Karman). La frecuencia es tonal y
está relacionada con el espesor del borde de salida (típicamente
entre 1000 Hz y 4000 Hz).
- Ruido de flujo sobre orificios, cortes,
intrusiones. Se origina por flujos inestables y por la formación de
vórtices. La frecuencia es tonal y está relacionada con la
dimensión de los elementos distorsionadores del flujo (típicamente
entre 1000 y 10000 Hz).
La técnica anterior enseña el uso de bordes de
salida dentados para reducir los distintos tipos de ruido del borde
de salida.
EP 1 314 885 describe un dispositivo de borde de
salida consistente en un panel dentado para ser acoplado al borde
de salida de la pala.
EP 1 338 793 describe una pala de una pieza
hecha de metal con un dentados formados en la parte del borde de
salida y una pala de dos piezas consistente en un cuerpo principal
de metal y una parte trasera hecha de un metal diferente con
dentados formados en la parte del borde de salida.
Ninguna de estas propuestas produce resultados
completamente satisfactorios y por tanto existe una continua
necesidad de palas de aerogeneradores con un bajo nivel de ruido de
un borde de salida romo.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una pala de aerogenerador que reduce el ruido de un
borde de salida romo.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una pala de aerogenerador fácil de fabricar, manejar y
transportar.
Otro objeto de la presente invención es
proporcionar una pala de aerogenerador con un borde de salida fácil
de reparar cuando se daña.
Estos y otros objetos de la presente invención
se consiguen proporcionando una pala de aerogenerador comprendiendo
un primer componente que tiene un perfil aerodinámico con un borde
de entrada, un borde de salida romo de espesor mayor de 2 mm, y
lados de presión y succión entre el borde de entrada y el borde de
salida y un segundo componente que tiene una sección constante en
la dirección del radio de la pala que está unido rígidamente al
borde de salida romo del primer componente en al menos parte de la
pala de aerogenerador mediante medios de unión que permiten su
reemplazamiento.
Otras características y ventajas de la presente
invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue en
relación con las figuras que se acompañan.
La Figura 1 muestra el mecanismo principal del
ruido del borde de salida romo.
La Figura 2 es una vista esquemática del perfil
del primer componente de la pala de aerogenerador según la presente
invención.
Las Figuras 3 y 4 son vistas esquemáticas del
perfil de una pala de aerogenerador según la presente invención con
dos realizaciones del segundo componente unidas al primer
componente.
La Figura 5 es una vista esquemática del borde
de salida de una pala de aerogenerador según la presente invención
mostrando una realización de la placa separadora con paredes
perpendiculares.
La Figura 1 muestra el ruido tonal 21 irradiado
por un perfil aerodinámico con un borde de ataque 11, un borde de
salida romo 13 y lados de succión 17 y presión 19.
Dependiendo del espesor y la forma del borde de
salida 13 y del número de Reynolds la formación de vórtices 23
puede tener lugar en la forma de una calle de vórtices de tipo von
Karman. Los vórtices alternantes en la estela producen altas
fluctuaciones superficiales de la presión cerca del borde de salida
13. Si el parámetro T/\delta, siendo T es el espesor del borde de
salida 13 y \delta la anchura del desplazamiento de la capa
límite 25 es suficientemente grande, pueden tener lugar
fluctuaciones de presión que den lugar a un ruido dipolar de
carácter tonal.
El primer componente 7 de la pala de
aerogenerador según la presente invención, mostrado en la Figura 2,
tiene un perfil aerodinámico con un borde de ataque 11, un borde de
salida romo 13 de espesor T y lados de succión 17 y presión 19.
En la realización mostrada en la Figura 3, el
segundo componente 9 de la pala de aerogenerador según la presente
invención es una tira unida al borde de salida romo 13 del primer
componente en al menos parte de la pala.
El ruido producido por el mecanismo del borde de
salida romo (un mecanismo completamente diferente del que produce
el ruido de capa límite turbulenta en el borde de salida) es
proporcional al espesor T del borde de salida.
El ruido producido por el mecanismo de la capa
límite turbulenta es proporcional al cosq^{3}, donde q es el
ángulo de flujo entre la dirección del flujo sobre el borde de
salida y una línea perpendicular al borde de salida. Para un una
pala de aerogenerador normal sin flujo significativo en la dirección
de su radio, este ángulo es normalmente pequeño (entre 0° y 10°) y
la magnitud de su coseno es aproximadamente 1. En el caso de un
borde de salida dentado este ángulo es mucho mayor (dependiendo del
ángulo del dentado), puede estar entre ejemplo entre 70° y 80° y la
magnitud del coseno está próxima a 0. Esto reduce dramáticamente el
ruido en teoría, pero en la práctica los resultados no siempre son
tan buenos como los esperados.
La tira 9 del borde de salida tiene un perfil
agudo con sus superficies exterior e inferior configuradas como
extensiones de los lados de presión y succión de dicho primer
componente, terminado en un borde agudo.
Usando una tira 9 del borde de salida más o
menos puntiaguda la anchura del borde de salida resulta ser próxima
a 0 y por tanto se elimina el mecanismo del borde de salida
romo.
La tira 9 del borde de salida tiene una sección
transversal constante en la dirección del radio de la pala mientras
que el borde de salida dentado de las propuestas de la técnica
anterior mencionadas tienen una sección transversal no constante en
la dirección del radio de la pala.
Las superficies superior e inferior del la tira
9 unida al borde de salida pueden tener una geometría plana o
ligeramente curvada.
La unión de la tira 9 del borde de salida al
primer componente puede llevarse a cabo de cualquier manera que
resulte conveniente.
En una realización preferente, la tira 9 del
borde de salida incluye una placa 10 que se extiende entre las dos
conchas del primer componente 7 y está pegada conjuntamente con
ellas.
En otra realización preferida, la tira 9 del
borde de salida está unida al primer componente 7 por medio de un
dispositivo de clipaje (no mostrado).
En la realización mostrada en la Figura 4, el
segundo componente 12 de la pala de aerogenerador según la presente
invención es una pequeña placa separadora, montada en el borde de
salida romo 13 entre las conchas superior e inferior de la pala, que
tiene una sección transversal constante en la dirección del radio
de la pala y un espesor T2 menor que el espesor T del borde de
salida romo 13.
En una realización preferida el espesor T2 de la
placa separadora 12 es menor de 1 mm.
En otra realización preferida la anchura W2 de
la placa separadora 12 que se extiende desde el borde de salida
romo 13 es mayor que el doble de la anchura T del borde de salida
romo 13.
La placa separadora 12 previene la formación de
los vórtices alternantes periódicamente desde los bordes superior e
inferior del borde de salida romo 13 que producen el ruido tonal.
La placa separadora reduce drásticamente la formación de dichos
vórtices y puede eliminar prácticamente la parte tonal del ruido
del borde de salida romo. Puede haber alguna formación de vórtices
periódicos a partir del final de la placa separadora 12 pero si el
espesor T2 de la esta placa separadora es pequeño, la amplitud del
ruido tonal también lo será (posiblemente tapado por otras fuentes
de ruido) y la frecuencia será alta (posiblemente fuera del rango de
frecuencias audible por el oído humano). Si el borde de salida romo
13 se daña, será fácil repararlo sustituyendo simplemente una pieza
de la placa separadora 12.
La placa separadora 12 se une entre las dos
conchas por pegado, un dispositivo de clipaje o por otros medios.
No es crítica una colocación precisa de la placa separadora pues es
efectiva en ángulos diferentes respecto al borde de salida romo 13 y
en diferentes longitudes extendiéndose desde el borde de salida
romo.
En una realización preferente, la placa
separadora incluye una o varias paredes perpendiculares 14 de una
longitud L1 menor que el espesor T del borde de salida 13.
El espesor T del borde de salida romo 13 es
mayor de 2 mm, que es el mínimo espesor de las palas estándar de
aerogeneradores producidas en serie usando procedimientos de
fabricación estándar.
En otra realización preferente, el espesor T del
borde de salida romo 13 es mayor de 5 mm.
En otra realización preferente, el espesor T del
borde de salida romo 13 es mayor de 10 mm.
Palas con bordes de salida de mayor espesor T
que el de las actuales palas estándar, en el rango de
2-3 mm pueden resultar más fáciles de fabricar y
terminar y más robustas para su transporte.
En una realización preferente, la tira 9 del
borde de salida o la placa separadora 12 pueden estar situadas en
la parte exterior de la pala, en una longitud entre el 2% y el 35%
del radio de la pala. En la parte central de la pala y en la parte
cercana al buje no resulta interesante disponer del segundo
componente puesto que el ruido producido en ellas es menor que en la
parte exterior. Adicionalmente, hay otras razones que hacen
deseable tener un borde de salida de mayor espesor en la parte de
la pala cercana al buje.
La tira 9 del borde de salida ó la placa
separadora 12 pueden estar hechas de plástico o cualquier otro
material barato y fácil de conformar con la geometría deseada en
longitudes L predeterminadas de, p. ej. 1 m para facilitar su unión
al primer componente 7.
En una realización preferente, se usa un
material poroso (o un material sólido con orificios) ó un material
flexible para reducir la impedancia acústica de la superficie y
consecuentemente reducir el ruido causado por otras fuentes de
ruido.
La tira 9 del borde de salida ó la placa
separadora 12 de acuerdo con la presente invención puede unirse a
palas hechas preferentemente de GFRP aunque también pueden unirse a
palas hechas de otros materiales tales como madera, metal, CFRP ú
otros materiales fibrosos.
Aunque la presente invención se ha descrito
enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente
que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro del alcance
de, no considerando éste como limitado por las anteriores
realizaciones, las reivindicaciones siguientes.
Claims (12)
1. Una pala de aerogenerador comprendiendo un
primer componente (7) que tiene un perfil aerodinámico con un borde
de ataque (11), un borde de salida romo (13) de espesor T mayor de
2 mm, y lados de succión y presión (17, 19) entre el borde de
ataque (11) y el borde de salida romo (13) y un segundo componente
unido al borde de salida romo (13) del primer componente (7) en al
menos parte de la pala de aerogenerador para reducir el ruido del
borde de salida romo, caracterizada porque:
a) dicho segundo componente (9, 12) tiene una
sección transversal constante en la dirección del radio de la
pala;
b) dicho segundo componente (9, 12) está
rígidamente unido a dicho primer componente con medios de unión que
permiten su reemplazamiento.
2. Una pala de aerogenerador según la
reivindicación 1, caracterizada porque el segundo componente
(9) tiene un perfil agudo con sus superficies superior e inferior
conformadas como extensiones de los lados de succión y presión (17,
19) de dicho primer componente (7) terminando en un borde agudo.
3. Una pala de aerogenerador según la
reivindicación 1, caracterizada porque el segundo componente
es una placa separadora (12), montada entre las partes superior e
inferior de la pala, de un espesor T2 menor que el espesor T del
borde de salida romo (13).
4. Una pala de aerogenerador según la
reivindicación 3, caracterizada porque el espesor T2 del
segundo componente (12) es menor de 1 mm.
5. Una pala de aerogenerador según cualquiera de
las reivindicaciones 3-4, caracterizada
porque la anchura W2 del segundo componente (12) que se extiende
desde el borde de salida romo (13) es mayor que el doble de la
anchura T del borde de salida romo (13).
6. Una pala de aerogenerador según cualquiera de
las reivindicaciones 3-5, caracterizada
porque el segundo componente incluye al menos una pared
perpendicular (14) a la placa separadora (12) de una longitud L1
menor que el espesor T del borde de salida romo (13).
7. Una pala de aerogenerador según cualquiera de
las reivindicaciones 1-6, caracterizada
porque dicho segundo componente (9, 12) está unido a dicho primer
componente (7) en la parte exterior de la pala en una longitud en el
rango del 1% al 35% del radio de la pala.
8. Una pala de aerogenerador según cualquiera de
las reivindicaciones 1-7, caracterizada
porque dicho segundo componente (9, 12) se proporciona en unidades
de una longitud predeterminada L.
9. Una pala de aerogenerador según cualquiera de
las reivindicaciones 1-8, caracterizada
porque el espesor T del borde de salida romo es mayor de 5 mm.
10. Una pala de aerogenerador según cualquiera
de las reivindicaciones 1-8, caracterizada
porque el espesor T del borde de salida romo es mayor de 10 mm.
11. Una pala de aerogenerador según cualquiera
de las reivindicaciones 1-10, caracterizada
porque dicho segundo componente (9, 12) está realizado en un
material flexible.
12. Una pala de aerogenerador según cualquiera
de las reivindicaciones 1-10, caracterizada
porque dicho segundo componente (9, 12) está realizado en un
material poroso.
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