ES2322423B1 - Pala para aerogenerador de eje horizontal. - Google Patents
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Abstract
Pala para aerogenerador de eje horizontal, que
consta de dos cuerpos aplanados que se disponen enfrentados en
convergencia longitudinal hacia la punta sin contactar entre ellos,
uniéndose dichos cuerpos mediante una celosía intermedia formada
por tirantes (3) de perfil aerodinámico, los cuales se unen a los
cuerpos aplanados mediante uniones articuladas que confieren
flexibilidad al conjunto estructural para evitar roturas por
fatiga.
Description
Pala para aerogenerador de eje horizontal.
La presente invención está relacionada con los
aerogeneradores que se utilizan para producción eléctrica mediante
aprovechamiento de la energía eólica, particularmente los de tipo
de eje horizontal que disponen de un rotor de palas que se dispone
enfrentado al viento para recibir un accionamiento giratorio,
proponiendo una pala con una particular realización estructural,
para dichos aerogeneradores.
Las palas de aerogenerador de eje horizontal
presentan habitualmente una configuración aerodinámica en una
realización monoplano, de modo que conforme aumenta el tamaño de
dichas palas surgen inconvenientes en los aspectos siguientes:
- La longitud máxima está limitada por el
transporte, lo que implica que se tiene que renunciar a un
porcentaje de rendimiento para facilitar el desplazamiento hasta
los parques de instalación de los aerogeneradores.
- Estructuralmente se necesita ir a grosores
altos, y como consecuencia de las limitaciones de longitud, los
perfiles aerodinámicos que se utilizan son de elevado grosor
relativo, lo que hace que su eficiencia aerodinámica baje,
disminuyendo el rendimiento energético.
- La flecha en punta es grande y puede provocar
impactos de la pala contra la torre del aerogenerador, lo cual
obliga a recurrir a formas que afectan al rendimiento y complican
la fabricación.
- La fabricación de cada pala resulta costosa,
ya que la cantidad de material que hay que incorporar es
elevada.
- Las grandes longitudes crean problemas de
pandeo de las pieles estructurales de las palas, lo que hace
necesario incrementar el grosor de los núcleos de las palas para
estabilizarlas.
- El diámetro del rodamiento de acoplamiento
sobre el buje aumenta, siendo su costo elevado y pocos los
fabricantes de los rodamientos necesarios.
- El acceso a los parques de instalación de los
aerogeneradores necesita de unas pistas caras, debido a los
transportes que se deben utilizar.
Para anular esos inconvenientes se han
desarrollado diversas soluciones de realizaciones constructivas de
las palas, como por ejemplo:
La Patente FR 2 609 506, presenta una solución
constructiva de palas formadas según una configuración en
anillo.
Las Patentes WO 03/036082, US 6 902 370 y US 6
972 498, presentan soluciones constructivas de palas formadas de
manera telescópica.
La Patente EP 0 064 742, presenta una solución
constructiva de dos palas gemelas dispuestas en un soporte común de
acoplamiento a un rotor giratorio, disponiendo cada una de las
palas de un movimiento rotacional independiente para su
orientación.
Las Patentes US 1 780 431 US 4 081 221 y WO
2006/128940, presentan soluciones constructivas de dos o más palas
asociadas de manera fija sobre un soporte común de acoplamiento al
rotor giratorio que se tiene que accionar.
Y la Patente US 1 820 529, presenta una solución
constructiva de palas formadas por dos cuerpos que divergen desde
la punta de la pala hasta la base de la misma, uniéndose dichos
cuerpos en la parte de separación mediante tirantes
intermedios.
Todas estas soluciones tienen como fin
proporcionar una superficie de pala que permita cumplir con la
eficiencia necesaria de captación de la acción del viento, con unas
dimensiones de longitud que hagan posible salvar en la mejor medida
los inconvenientes anteriormente mencionados. Sin embargo tales
soluciones no proporcionan características que aseguren debidamente
la resistencia estructural de las palas para la función de trabajo
a la que se hallan destinadas, debiendo recurrirse a formaciones
constructivas con materiales caros y elementos de mucho peso que
reducen la eficiencia de las palas.
De acuerdo con la invención se propone una pala
destinada para los aerogeneradores de eje horizontal, la cual se ha
desarrollado según una configuración estructural que soluciona
eficazmente los problemas que se derivan de una longitud
sobredimensionada, proporcionando unas características que mejoran
el comportamiento de la pala en su función de aplicación, sin
penalizar el transporte, ya que la longitud máxima del conjunto
estructural de la pala queda dentro de los rangos de transporte
normal.
Esta pala objeto de la invención se compone de
dos cuerpos aplanados independientes, esencialmente iguales, los
cuales se extienden enfrentados convergiendo desde la raíz de la
pala hacia la punta, sin llegar a contactar entre sí, con unión
entre dichos cuerpos mediante una estructura de celosía formada con
tirantes de perfil aerodinámico y unión de los mismos con respecto
a los cuerpos aplanados mediante acoplamientos articulados.
De esta forma se obtiene una estructura de la
pala, en la que las uniones articuladas entre los tirantes de la
celosía central y los cuerpos aplanados determinan una flexibilidad
que evita puntos rígidos de tensión propensos a la rotura por
fatiga a consecuencia de los esfuerzos que sufre la pala en el
trabajo de su función de aplicación.
Dicha estructura de la pala resulta así con la
rigidez y la resistencia necesarias, pero con un amortiguamiento
ante las cargas súbitas, proporcionado por la unión entre los
tirantes de la celosía central y los cuerpos aplanados, que las
cargas que se transmiten al buje sobre el que se acopla la pala y
las cargas puntuales en las zonas de las uniones estructurales de
la propia pala, disminuyen.
La disposición geométrica relativa entre los dos
cuerpo aplanados de la pala, permite además situar el eje elástico
en la posición deseada, de forma que ante cambios bruscos de la
dirección o intensidad del viento el sistema reacciona
torsionándose y bajando el ángulo de ataque, incluso antes de que
el sistema de control de paso ("pitch") reaccione. De esta
forma se reduce el tiempo de respuesta, consiguiendo así disminuir
el valor de los picos de carga mecánica en el aerogenerador, los
picos de potencia generada y las sobrevelocidades de giro.
Por otro lado, la utilización de un sistema de
pala biplano unida por celosía aumenta considerablemente la rigidez
respecto de una pala biplano solo unida en la raíz y en la punta,
lo cual hace que los modos de vibración de la pala aumenten su
valor de frecuencia natural y que, por lo tanto, el sistema de
control de "pitch" del aerogenerador pueda ser más rápido.
Ello permite aumentar el ancho de banda del
sistema de control de "pitch", elevando la influencia relativa
de la modificación del control de ángulo de "pitch" (\beta)
sobre la velocidad del rotor (\Omega), de manera que este hecho
permite el control de palas mayores, donde el aumento del radio de
la pala eleva proporcionalmente más la influencia relativa de la
modificación de la velocidad del viento (V) sobre la velocidad del
rotor (\Omega), es decir la relación de derivadas parciales
\partial\Omega/\partialV, que la relación de derivadas
parciales \partial\Omega/\partial\beta.
El perfil aerodinámico de los tirantes de la
celosía que une a los cuerpos aplanados, permite por su parte
optimizar el rendimiento, ya que dichos tirantes presentan una
resistencia aerodinámica mínima, frenando muy poco la pala en la
dirección de giro, en tanto que los tirantes oblicuos se pueden
orientar de forma que la resultante de las fuerzas aerodinámicas
colabore en la extracción de energía del viento, minimizando las
cargas en la pala.
Por otra parte, desde el punto de vista
estructural se pueden separar más las zonas resistentes y dar mayor
inercia a cada sección sin perjudicar la aerodinámica, ya que la
función aerodinámica se desacopla de la estructural, pudiendo
utilizarse perfiles de bajo espesor relativo y alta eficiencia,
con los que se logra en este caso una gran rigidez estructural.
Además, la fabricación de los elementos
componentes de la pala se simplifica y la cantidad de material
necesario se reduce, lográndose unas condicionantes de pandeo menos
severas, con un peso también reducido, que permite disminuir el
diámetro del acoplamiento de sujeción de la pala en su montaje.
El transporte se simplifica igualmente, al
disminuir la longitud máxima de la pala, pudiendo incluso
transportarse los elementos componentes por separado, y realizarse
el ensamblaje de los mismos en el lugar de instalación de los
aerogeneradores de aplicación.
Como efecto colateral se puede conseguir también
la disminución de las pérdidas de punta de la pala, y como
consecuencia un incremento extra de rendimiento, mediante la
colocación de un montante transversal de forma aerodinámica en el
extremo final de la pala, con el cual evita en gran parte la
circulación del aire entre intradós y extradós de cada uno de los
cuerpos aplanados componentes, de modo que se acentúa la caída del
factor de inducción en esa zona, por lo que la zona exterior de la
pala funciona mejor y se incrementa el rendimiento global.
El efecto de reducir la generación de
torbellinos marginales, hace también disminuir el ruido producido
por la pala, lo cual permite ir a velocidades de giro más elevadas,
ya que actualmente la principal limitación de la velocidad de
rotación es el ruido que producen las palas. El incremento de la
velocidad de rotación supone además un ahorro en los costes del
generador y demás elementos mecánicos, así como un incremento del
rendimiento por poder funcionar a la relación óptima entre la
velocidad de giro y la velocidad de viento, durante más rango de
operación.
Desde el punto de vista aerodinámico la
configuración de la pala preconizada presenta una serie de
particularidades que pueden ser aprovechadas, de forma que, por una
parte, los cuerpos aplanados componentes de la pala son de menor
longitud que las palas convencionales de un solo cuerpo,
dependiendo la longitud en esta nueva estructura de pala, de la
separación entre los cuerpos aplanados y el factor interferencia
aerodinámica entre ellos.
Y por otro lado, la separación entre los dos
cuerpos aplanados y el escalonamiento entre ellos, tienen
influencia en los coeficientes de sustentación de cada cuerpo y en
la resistencia del conjunto; de tal manera que los dos cuerpos
aplanados se pueden separar lo suficiente como para que se
comporten como perfiles independientes, o bien aprovechar de forma
positiva la interferencia entre ellos aproximándolos más. Los
campos de presión varían igualmente, pudiendo obtener a raíz de
ello beneficios, como retrasar la entrada en pérdida, o un
incremento en los coeficientes de sustentación.
Existe un grado de libertad adicional,
susceptible también de ser aprovechado, que consiste en la
posibilidad de disponer cada uno de los cuerpos aplanados en
distintos ángulos de ataque, con lo cual se puede optimizar el
comportamiento de la pala. Además, la posición del centro de
presiones se puede variar, con la influencia que esto representa en
el par necesario en el eje de "pitch".
Dicha configuración de la pala preconizada
permite a su vez la utilización de unos cuerpos aplanados de poco
grosor relativo hasta la raíz de la pala, con una buena eficiencia
aerodinámica, salvando así los principales motivos que tienen las
palas largas convencionales de no alcanzar un rendimiento más
elevado, por las pérdidas en punta y la utilización de perfiles
distintos a los que serían necesarios, debido esto último a que en
la aproximación a la raíz de pala es necesaria cierta altura del
cajón central de la pala para soportar las grandes cargas de
flexión que se producen, lo cual obliga a incrementar el grosor
relativo, y como consecuencia se produce una pérdida de eficiencia,
ya que por debajo de aproximadamente el 20% de la envergadura, la
longitud necesaria complica enormemente la logística, por lo que se
deja de seguir la ley de óptima longitud y se recurre a la
geometría cilíndrica para la unión de la pala al buje de montaje
en el aerogenerador, lo cual hace que se tengan que usar perfiles de
muy alto espesor relativo (mayor del 30%) que presentan peores
propiedades aerodinámicas.
Por todo ello, dicha pala objeto de la invención
resulta de unas características ciertamente ventajosas,
adquiriendo vida propia y carácter preferente respecto de las palas
convencionales que se vienen utilizando en los aerogeneradores para
la misma función.
La figura 1 muestra en vista lateral una pala de
aerogenerador estructurada según la invención.
La figura 2 muestra en perspectiva un ejemplo de
realización de un cuerpo aplanado para la formación de la pala
preconizada.
La figura 3 es un detalle en perspectiva
explosionada de la unión articulada de unos tirantes de la celosía
central respecto de uno de los cuerpos aplanados en la pala
preconizada.
La figura 4 es una vista frontal seccionada del
conjunto de la figura anterior montado.
La figura 5 es una perspectiva del tramo final
de una pala según la invención con los extremos de los cuerpos
aplanados unidos mediante un montante transversal aerodinámico.
La figura 6 es una perspectiva de un
aerogenerador con palas estructuradas según la invención.
La figura 7 es una vista lateral ampliada de la
parte superior del aerogenerador de la figura anterior.
La figura 8 es una perspectiva ampliada de la
parte superior del aerogenerador anterior, sin la carcasa del
cuerpo de alojamiento del generador.
El objeto de la invención se refiere a una pala
para aerogeneradores de eje horizontal, con una forma de
realización constructiva que mejora el comportamiento funcional y
resistente de la pala, y que permite conseguir un rendimiento
elevado con una dimensión longitudinal relativamente reducida.
La pala preconizada se forma con dos cuerpos
aplanados (1) y (2) de forma aerodinámica esencialmente iguales,
los cuales se disponen enfrentados, convergiendo longitudinalmente
desde la raíz de la pala hacia la punta, sin llegar a contactar en
el extremo.
En la formación de la pala dichos cuerpos
aplanados (1) y (2) se unen mediante una celosía intermedia formada
por tirantes (3), con lo cual se consigue un conjunto estructural
resistente, cuyos cuerpos aplanados (1) y (2) suman una función de
captación eólica que permite un rendimiento elevado de
accionamiento por el viento con una longitud relativamente
reducida, de manera que la pala se puede construir con longitudes
adecuadas para los medios de transporte normales.
Según una característica particular, los
tirantes (3) de la celosía intermedia de la pala se forman con
perfiles también aerodinámicos, de manera que dichos tirantes
producen una resistencia mínima de frenado de la pala en la
dirección de su movimiento, permitiendo por consiguiente optimizar
el rendimiento de dicho movimiento de la pala en la función de
aplicación en los aerogeneradores.
Los tirantes (3) oblicuos de la menciona celosía
intermedia estructural de la pala, pueden además disponerse
orientados de forma que la resultante de las fuerzas aerodinámicas
de los mismos colabore en la extracción de energía del viento,
reduciendo así las cargas que la pala debe soportar en la función
de su aplicación.
Por otro lado, dichos tirantes (3) de la celosía
intermedia estructural de la pala, se unen a los cuerpos aplanados
(1) y (2) mediante uniones articuladas, como muestran las figuras 3
y 4, con lo que esos puntos de unión ofrecen una flexibilidad que
evita las tensiones susceptibles de causar roturas por fatiga, de
forma que la estructura constructiva de la pala resulta resistente
con seguridad para soportar los esfuerzos y cargas que debe
soportar la pala en la función del trabajo de su aplicación.
Según un ejemplo de realización, las mencionadas
uniones articuladas entre los tirantes (3) de la celosía
intermedia y los cuerpos aplanados (1) y (2) de la pala, se forman
con un soporte (4) que se fija mediante tornillos (5) sobre el
cajón estructural central (6) del cuerpo (1) ó (2) correspondiente,
y un tornillo (7) acoplado al tirante (3) respectivo, uniéndose
dicho tornillo (7) de manera basculante, por medio una cabeza
anular (8) que posee en su extremo, sobre el soporte (4) de la
unión, mediante un pasador (9) que hace de eje de articulación.
En el extremo de la pala los cuerpos aplanados
(1) y (2) se unen mediante un montante transversal (10), como
muestra la figura 5, siendo dicho montante (10) también de sección
aerodinámica, con lo cual se evita en gran parte la circulación del
aire entre intradós y extradós de los cuerpos aplanados (1) y (2)
en esa zona, acentuándose la caída del factor de inducción, y como
consecuencia se logra una disminución de las pérdidas de punta de
la pala, consiguiéndose un incremento extra del rendimiento.
La pala preconizada es de aplicación para los
aerogeneradores de eje horizontal que presentan un rotor (11) con
palas (12) para la actuación por el viento, con el fin de
proporcionar el accionamiento giratorio del generador (13) de
producción eléctrica que va alojado en el cuerpo (14) del
aerogenerador, según las figuras 6 a 8.
La formación estructural de los cuerpos
aplanados (1) y (2) de composición de la pala según la invención,
pueden ser de cualquier solución constructiva, habiéndose
representado en las figuras 2, 3 y 4, un ejemplo de realización de
dichos cuerpos aplanados (1) y (2) que comprende un cajón central
(6) formado por dos mitades de sección en "U" encajadas entre
sí, con un cubrimiento exterior (15) que determina la configuración
estructural aerodinámica, sin que esta realización sea
limitativa.
Claims (4)
1. Pala para aerogenerador de eje horizontal,
del tipo formado por un conjunto biplano, caracterizada
porque consta de dos cuerpos aerodinámicos aplanados (1) y (2)
esencialmente iguales que se disponen enfrentados, los cuales se
extienden longitudinalmente en convergencia desde la raíz de la
pala hacia la punta sin llegar a contactar entre ellos, con una
celosía intermedia de unión entre dichos cuerpos (1) y (2) formada
por tirantes (3) que son también de perfil aerodinámico,
estableciéndose las uniones de dichos tirantes (3) de la celosía
intermedia respecto de los cuerpos aplanados (1) y (2) mediante
uniones articuladas que confieren flexibilidad.
2. Pala para aerogenerador de eje horizontal, de
acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque
los tirantes (3) oblicuos de la celosía intermedia se disponen
orientados de forma que la resultante de las fuerzas aerodinámicas
de los mismos colabora en la extracción de energía del viento que
actúa sobre la pala.
3. Pala para aerogenerador de eje horizontal, de
acuerdo con la primera reivindicación caracterizada porque
según una realización las uniones entre los tirantes (3) de la
estructura intermedia y los cuerpos aplanados (1) y (2), se forman
con un soporte (4) fijado sobre el cajón estructural central (6)
del cuerpo aplanado (1) ó (2) que corresponda, y un tornillo (7)
acoplado al tirante (3) respectivo, poseyendo dicho tornillo (7)
una cabeza anular (8), por medio de la cual se establece unión
articulada con el soporte (4) correspondiente mediante un pasador
(9).
4. Pala para aerogenerador de eje horizontal, de
acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque
los cuerpos aplanados (1) y (2) se unen en el extremo de la pala
mediante un montante transversal (10) de sección aerodinámica.
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