ES2335640A1

ES2335640A1 - Wind turbine blade

Info

Publication number: ES2335640A1
Application number: ES200930554A
Authority: ES
Inventors: Alfonso Cobos De La Fuente
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2010-03-30
Also published as: WO2010086472A1

Abstract

The present invention relates to a wind turbine blade which has an aerodynamic cross section. The blade has a number of retractable sections chosen from two or three in number, being configured so as to assume a folded-out position depending on: the wind energy available the performance features required at any moment.

Description

Pala para aerogeneradores.Wind turbine blade.

Field of the Invention

La presente invención se refiere a una pala para aerogeneradores que tiene sección aerodinámica. La pala tiene un número de tramos retráctiles seleccionados entre dos y tres, estando configurados para tomar una posición de despliegue en función de: la energía del viento disponible; las prestaciones requeridas en cada momento.The present invention relates to a shovel for wind turbines that have aerodynamic section. The shovel has a number of retractable sections selected between two and three, being configured to take a deployment position based on: the available wind power; the benefits required in each moment.

Background of the invention

El agotamiento progresivo de los llamados combustibles fósiles ha originado la búsqueda de cualquier otro recurso ostensible de producir energía. En nuestra atmósfera se originan naturalmente grandes movimientos de aire, cuya energía cinética puede ser captada por aeroturbinas y transformada en otras formas de energía. Antiguamente la navegación a vela y los persas utilizaron los primeros molinos de viento (600 a.C.). Posteriormente también la fuerza eólica se utilizó en los típicos molinos de grano manchegos o en las bombas de agua holandesas.The progressive exhaustion of the so-called fossil fuels has caused the search for any other ostensible resource to produce energy. In our atmosphere it naturally originate large movements of air, whose energy kinetics can be captured by turbines and transformed into other forms of energy. Formerly sailing sailing and the Persians They used the first windmills (600 BC). Later wind power was also used in typical grain mills Manchego or Dutch water pumps.

Actualmente el uso más frecuente de las aeroturbinas está en los aerogeneradores eléctricos, que se instalan agrupados formando parques eólicos. Sin embargo, no es esta la única aplicación y son muy diversas las formas mediante las cuales hoy se pretende utilizar la fuerza del viento y múltiples las patentes que protegen los conocimientos técnicos alcanzados hasta la fecha.Currently the most frequent use of wind turbines are in electric wind turbines, which are installed grouped together forming wind farms. However, this is not the only one application and the ways in which today are intends to use the force of the wind and multiple patents that They protect the technical knowledge achieved to date.

FR2500076-A muestra una serie de cilindros neumáticos para regular la exposición al viento de un conjunto de hojas cóncavas. DE19526718-A1 presenta entre dos diámetros de eje horizontal una serie de hojas curvadas pivotantes. DE102004022730 presenta un aerogenerador de tres palas formadas cada una por dos tramos dando un diámetro variable. US2003230898 y PCT/US03/17654, muestran un sistema interno de pistas para el movimiento del tramo desplazable mediante poleas o tornillo sin fin con accionamiento eléctrico. EP95922780.2 trata de una aeroturbina doble con radios diferentes.FR2500076-A shows a series of pneumatic cylinders to regulate the wind exposure of a concave leaf set. DE19526718-A1 presents between two horizontal axis diameters a series of curved sheets pivoting DE102004022730 presents a three-bladed wind turbine each formed by two sections giving a variable diameter. US2003230898 and PCT / US03 / 17654, show an internal track system for the movement of the movable section by means of pulleys or screw Endless with electric drive. EP95922780.2 is about a double air turbine with different radios.

Description of the invention

--: La presente invención, describe una pala formada por dos o más tramos retráctiles que va unida a un buje solidariamente o, menos frecuentemente, mediante un mecanismo de cambio de paso.The This invention describes a blade formed by two or more sections retractable that is attached to a bushing jointly or, less frequently, through a changeover mechanism.

La aeroturbina con las palas retráctiles preconizadas tiene cada una de sus palas de sección aerodinámica y compuestas por diversos tramos, de igual o diferente longitud, los cuales se retraen o extienden dando un radio total variable de la superficie de captación, lo cual representa una característica útil para cuando la energía captada al viento excede al valor nominal de los equipos instalados, en cuyo caso se retraen los tramos hasta lograr el equilibrio y viceversa. Se diseñan los tramos en forma de doble concha dejando un hueco interior. El primer tramo resistirá estructuralmente y producirá su fuerza de sustentación correspondiente, salvo para velocidades de viento excesivas que desprenderán la capa límite originando frenada aerodinámica. En su hueco interior alojará al segundo tramo con su ángulo de torsión necesario más los mecanismos de retracción y extensión adecuados. El segundo tramo debe alojar al tercero, si lo hubiera, con sus mecanismos y así sucesivamente hasta el último tramo que, lógicamente, no alojará ningún otro pero si mecanismos de desplazamiento.Air turbine with retractable blades recommended has each of its blades of aerodynamic section and composed of different sections, of equal or different length, the which retract or extend giving a variable total radius of the catchment surface, which represents a useful feature for when the energy captured by the wind exceeds the nominal value of installed equipment, in which case the sections are retracted until achieve balance and vice versa. The sections are designed in the form of double shell leaving an inner hole. The first section will resist structurally and will produce its bearing force corresponding, except for excessive wind speeds that they will release the boundary layer causing aerodynamic braking. In its inner hollow will house the second section with its torsion angle necessary more appropriate retraction and extension mechanisms. He second section must accommodate the third, if any, with its mechanisms and so on until the last stretch that, logically, it won't host any other but if mechanisms of displacement.

El alojamiento interior del primer tramo se construye con una sección libre que corresponde con la máxima del tramo alojado siguiente, más una pequeña holgura. El segundo tramo se construye con una zona inicial cuya sección exterior será máxima y uniforme, de suficiente longitud para encajar en su alojamiento del tramo anterior, con perfecta alineación cuando está completamente extendido, y el resto del tramo puede reducir su anchura o cuerda según el diseño más favorable. Esta reducción de dimensiones, cuando el tramo móvil se halla parcialmente extendido, puede producir desplazamientos elásticos que serán compensados mediante rodillos y patines accionados por resortes o minicilindros neumáticos.The interior housing of the first section is build with a free section that corresponds to the maximum of section hosted next, plus a small slack. The second section it is built with an initial zone whose outer section will be maximum and uniform, of sufficient length to fit into your housing of the previous section, with perfect alignment when fully extended, and the rest of the section can reduce your width or rope according to the most favorable design. This reduction of dimensions, when the mobile section is partially extended, it can produce elastic displacements that will be compensated by rollers and skates driven by springs or mini cylinders tires

Los tramos no terminales soportan en su extremo un esfuerzo importante, sobre todo cuando el resto de los tramos están completamente extendidos, debiendo reforzarse con anillos de materiales resistentes. Igualmente, para facilitar la entrada y salida de los tramos móviles, los alojamientos estarán dotados de dispositivos de rodadura tales como bolas con rodamientos y al final se colocará una junta rascadora.The non-terminal sections support at its end an important effort, especially when the rest of the sections are fully extended, and must be reinforced with rings of resistant materials. Likewise, to facilitate entry and Departure of the mobile sections, the accommodations will be equipped with rolling devices such as balls with bearings and at the end a scraper joint will be placed.

La técnica hoy ofrece diversas soluciones para implementar los mecanismos lineales de retracción y extensión de los tramos móviles. Esta invención, establece para cada pala formada por dos tramos, un desarrollo preferente a base de un cilindro hidráulico de doble efecto. La igualdad en el radio de las palas se logra mediante un divisor del flujo que accede a los cilindros, los cuales, además, poseen diversos detectores repartidos en longitud que permitirán un chequeo sobre la posición del émbolo en sus desplazamientos, asegurándose el equilibrio dinámico de todas las palas que componen la aeroturbina. Cada cilindro se coloca en su base articulado al primer tramo e igualmente articulado su émbolo en el final del segundo tramo móvil, así soportará sólo esfuerzos axiales, quedando los tangenciales resueltos por el ajuste entre la superficie del hueco y la de la zona inicial del tramo móvil, como se ha indicado anteriormente.The technique today offers various solutions for implement the linear mechanisms of retraction and extension of mobile sections. This invention establishes for each blade formed by two sections, a preferred development based on a cylinder double acting hydraulic. Equality in the radius of the blades is achieved through a flow divider that accesses the cylinders, the which, in addition, have several detectors distributed in length which will allow a check on the position of the plunger in its displacements, ensuring the dynamic balance of all blades that make up the turbine. Each cylinder is placed in its articulated base to the first section and also its piston articulated in the end of the second mobile segment, so it will support only efforts axial, the tangentials being resolved by the adjustment between the surface of the hole and that of the initial area of the mobile section, such as It has been indicated above.

Otro desarrollo preferente de la invención, para producir el movimiento de palas con más de dos tramos móviles, se realiza mediante motores neumáticos provisto de reductor y el correspondiente husillo con rodillo a bolas que arrastra el tramo siguiente cuya posición se chequea mediante un encoder sobre el eje. Los motores estarán articulados en su base como se indicó en la anterior realización de la invención para que el sistema soporte sólo esfuerzos axiales.Another preferred development of the invention, for produce the movement of blades with more than two mobile sections, made by pneumatic motors equipped with a reducer and the corresponding spindle with ball roller that draws the section next whose position is checked by an encoder on the shaft. The engines will be articulated at their base as indicated in the previous embodiment of the invention so that the system supports only axial efforts.

En cualquier caso la posición de los tramos extensibles estará fijada y determinada por el sistema de mando informático de la aeroturbina, en función de las prestaciones requeridas en cada momento y de la energía producida por el viento reinante. Sin embargo, como nos hemos referido a un fluido compresible, el aire, la posición de los tramos no quedará tan fija como cuando se utiliza un fluido incompresible, aceite hidráulico, por esta razón la configuración oleohidráulica de las aeroturbinas es otra de opciones posibles en la invención.In any case the position of the sections Extensible will be fixed and determined by the command system computer turbine, depending on the performance required at all times and the energy produced by the wind reigning. However, as we have referred to a fluid compressible, the air, the position of the sections will not be so fixed such as when using an incompressible fluid, hydraulic oil, for this reason the oleohydraulic configuration of the turbines It is another possible option in the invention.

La cubierta aerodinámica del buje aloja diversos elementos, como los circuitos neumáticos u oleohidráulicos, con sus válvulas, sistema de control y mando, los divisores de flujo para su distribución igualitaria por ala y otros equipos auxiliares.The aerodynamic hub cover houses various elements, such as pneumatic or oleohydraulic circuits, with their valves, control and command system, flow dividers for your equal distribution by wing and other auxiliary equipment.

Brief description of the drawings

Las Figuras 1, 1A corresponden a una aeroturbina, de palas retráctiles en ejecución neumática con dos tramos en posición extendida. Se muestra el cilindro, 21, encargado del desplazamiento del tramo móvil 22, con sus detectores de posición 23 del émbolo. El detalle dado en la Figura 1A corresponde a una sección del final del primer tramo con los elementos de refuerzo metálico, 24, las bolas con rodamientos, 25, la junta rascad ora, 26, y los rodillos de compensación para esfuerzos no radiales, 27.Figures 1, 1A correspond to a air turbine, with retractable blades in pneumatic execution with two stretches in extended position. Cylinder, 21, shown of the movement of the mobile section 22, with its detectors position 23 of the piston. The detail given in Figure 1A corresponds to a section of the end of the first section with the elements of metal reinforcement, 24, balls with bearings, 25, gasket Scratch ora, 26, and offset rollers for stresses not radial, 27.

La Figura 2 muestra una aeroturbina, de palas retráctiles en ejecución neumática con tres tramos, una de ellas en posición extendida. Las palas se unen al eje central, 32, mediante un buje, 33, con su tapa aerodinámica, 34. El detalle de la Figura 2A muestra la forma de desplazamiento de los tramos móviles, mediante un motor bidireccional con reductor y encoder, 36, el correspondiente tornillo sin fin, 37, y su soporte a bolas, 38 que arrastra el correspondiente tramo móvil, 35.Figure 2 shows an air turbine with blades retractable in pneumatic execution with three sections, one of them in extended position The blades are attached to the central axis, 32, by a bushing, 33, with its aerodynamic cover, 34. The detail of the Figure 2A shows the way of moving the mobile sections, by means of a bidirectional motor with reducer and encoder, 36, the corresponding worm screw, 37, and its ball holder, 38 that drag the corresponding mobile section, 35.

Description of a preferred embodiment of the invention

A continuación se hace una descripción completa de una realización preferente, la cual se hará a título de ejemplo, con carácter no limitativo y susceptible de todas aquellas modificaciones de detalle que no alteren fundamentalmente sus características esenciales.A full description follows. of a preferred embodiment, which will be done by way of example, non-limiting and susceptible of all those modifications of detail that do not fundamentally alter their essential features

Las palas de tipo retráctil están normalmente compuestas por dos o tres tramos, según la potencia nominal de la aeroturbina. El primer tramo es de mayor sección y se diseña con entrada aerodinámica en pérdida para vientos huracanados, por lo que puede unirse directamente al buje, 33, sin mecanismos de giro de pala, dándole mayor sencillez y solidez al conjunto. Los tramos se construyen como una doble concha, dejando el interior hueco para el alojamiento de los tramos siguientes y/o los mecanismos de desplazamiento.Retractable type shovels are normally composed of two or three sections, according to the nominal power of the air turbine The first section is of greater section and is designed with aerodynamic entry in loss for hurricane winds, so can be attached directly to bushing, 33, without turning mechanisms of shovel, giving greater simplicity and solidity to the whole. The sections are they build as a double shell, leaving the interior hollow for the accommodation of the following sections and / or the mechanisms of displacement.

Los tramos móviles, 22 y 35, ejercen sobre sus alojamientos unos esfuerzos importantes que pueden descomponerse en sus tres componentes: una radial, otra tangencial, más la normal al área de giro de la aeroturbina. Las dos componentes últimas serán compensadas mediante ajuste en las dimensiones, así la sección libre del hueco interior será igual a la máxima del tramo siguiente, más una pequeña holgura. Los tramos móviles se construyen con una zona inicial cuya sección exterior será uniforme y máxima, correspondiendo con las dimensiones de su alojamiento y de suficiente longitud para facilitar la perfecta alineación del tramo cuando está completamente extendido. El resto del tramo móvil reduce su anchura o cuerda según el diseño más favorable. Esta reducción de anchura, cuando el tramo móvil se halla parcialmente extendido, puede producir desplazamientos no deseados en dirección tangencial y normal, los cuales serán compensados por rodillos y patines accionados mediante resortes o minicilindros, 27.The mobile sections, 22 and 35, exercise on their accommodation some important efforts that can be broken down into its three components: one radial, another tangential, plus the normal one at turning area of the turbine. The last two components will be compensated by adjustment in dimensions, thus the free section of the inner hole will be equal to the maximum of the next section, plus A little slack. The mobile sections are built with an area initial whose outer section will be uniform and maximum, corresponding to the dimensions of your accommodation and of sufficient length to facilitate the perfect alignment of the section when fully extended The rest of the mobile section reduces its width or rope according to the most favorable design. This reduction of width, when the mobile section is partially extended, it can produce unwanted displacements in tangential direction and normal, which will be compensated by rollers and skates operated by springs or mini cylinders, 27.

Las componentes radiales serán compensadas por el dispositivo de movimiento lineal, que además fija los tramos móviles en la posición deseada. Cuando se trate de palas de dos tramos la extensión y retracción del tramo móvil, 22, se efectuará por un cilindro de doble efecto articulado en sus extremos, 21, con detectores de posición, 23, para chequear la situación del émbolo y lograr el equilibrio dinámico del conjunto de palas en su giro. Cuando se utilicen palas de tres tramos puede repetirse el método con dos cilindros como se ha descrito anteriormente, pero es preferible por reducción de espacio el uso de un motor bidireccional con reductor, 36, provisto de su correspondiente husillo, 37, y soporte a bolas, 38, solidario al tramo móvil, 35. Dependiendo del sentido de giro de dicho husillo el tramo móvil entrará o saldrá del anterior. El control de posición se lleva a cabo mediante un divisor de flujo y el encoder citado que estará conectado a un autómata programable que, a su vez, está guiado por el sistema informático supervisor. El fluido para el cilindro o el motor puede ser aire a la presión de góndola, pero para realizar una fijación más exacta de los tramos se recomienda aceite hidráulico bombeado con el aire comprimido que llega a la aeroturbina.The radial components will be compensated by the linear motion device, which also sets the sections mobile in the desired position. In the case of two blades stretches the extension and retraction of the mobile section, 22, will be carried out by a double acting cylinder articulated at its ends, 21, with position detectors, 23, to check the plunger situation and achieve the dynamic balance of the set of blades in its turn. When using three-section blades, the method can be repeated with two cylinders as described above, but it is preferable for space reduction the use of a bidirectional motor with reducer, 36, provided with its corresponding spindle, 37, and ball support, 38, integral to the mobile section, 35. Depending on the direction of rotation of said spindle the mobile section will enter or exit the previous. Position control is carried out by means of a divider of flow and the mentioned encoder that will be connected to an automaton programmable which, in turn, is guided by the computer system supervisor. The fluid for the cylinder or engine can be air at gondola pressure, but to perform a more accurate fixation of the sections recommended hydraulic oil pumped with air tablet that reaches the turbot.

Para minimizar el efecto de los esfuerzos en el extremo de los tramos no finales se refuerzan con anillos de materiales resistentes 24. Para facilitar el desplazamiento de los tramos móviles la superficie interior de los alojamientos se colocan bolas a rodamiento 25. La limpieza del tramo que se retrae se efectúa mediante una junta rascadora 26, que también se utilizará para tapar huecos entre tramos. El último tramo es simple y puede llevar en su extremo aletas contra turbulencia (winglets).To minimize the effect of the stresses at the end of the non-final sections, they are reinforced with rings of resistant materials 24. To facilitate the movement of the mobile sections, the inner surface of the housings are placed with rolling balls 25. The cleaning of the section Retracting is done by a scraper joint 26, which will also be used to cover gaps between sections. The last section is simple and can have at its end fins against turbulence ( winglets ).

Una tapa aerodinámica 34 se coloca sobre el buje 33 con sus mecanismos de acoplamiento, y el eje hueco 32 por el cual penetran en la zona giratoria de la aeroturbina el circuito neumático encargado del desplazamiento de los tramos móviles, bien directamente o mediante bombeo oleohidráulico, y los cables de tensión y comunicaciones necesarios. El eje con una caja de rodamientos transmite el par producido en la aeroturbina a la góndola.An aerodynamic cover 34 is placed on the hub 33 with its coupling mechanisms, and the hollow shaft 32 by which the circuit enters the rotating area of the turbine circuit tire in charge of moving the mobile sections, well directly or by oil-hydraulic pumping, and the cables of voltage and communications needed. The shaft with a box of bearings transmits the torque produced in the turbine to the gondola.

Claims

1. Wind turbine blade characterized by:

1a) 1st): tiene sección aerodinámica;It has aerodynamic section;

1b) 1 B): comprende un número de tramos retráctiles seleccionados entre dos y tres, estando configurados para tomar una posición de despliegue en función de:It comprises a number of retractable sections selected between two and three, being configured to take a deployment position based on:

1b1) 1b1): la energía del viento disponible;wind energy available;

1b2) 1b2): las prestaciones requeridas en cada momento.the benefits required in each moment.

2. Wind turbine blade according to claim 1, characterized in that the sections have:

2a) 2nd): doble concha;double shell;

2b) 2b): un hueco interior;an inner hole;

2b1) 2b1): de sección uniforme correspondiente a la zona inicial del tramo alojado a continuación, configurado para que los tramos móviles encajen unos en otros cuando son desplazados;of uniform section corresponding to the zone initial of the section hosted then configured so that the mobile stretches fit into each other when they are displaced;

2b2) 2b2): que comprende una pluralidad de bolas plásticas (25) y rodillos con rodamientos (27), incrustados en la superficie de alojamiento para facilitar un deslizamiento de unos tramos con otros.comprising a plurality of plastic balls (25) and rollers with bearings (27), embedded in the surface of accommodation to facilitate sliding of sections with others.

3. Wind turbine blade according to claim 3, characterized in that it has two sections and comprises:

3a) 3rd): un cilindro (21) de doble efecto articulado en sus extremos para deslizar el tramo móvil (22);a double acting cylinder (21) articulated in its ends for sliding the mobile section (22);

3b) 3b): un mecanismo divisor de flujo situado en el circuito de alimentación oleohidráulico/neumático;a flow dividing mechanism located in the circuit oil / hydraulic feed;

3c) 3c): una pluralidad de detectores (23) de posición situados a lo largo del cilindro para detectar la posición del émbolo;a plurality of position detectors (23) located along the cylinder to detect the position of the plunger;

configured so that the blades of a aeroturbine have the same radius and to dynamically balance the air turbine

4. Wind turbine blade according to claim 2, characterized in that it has three sections and comprises:

4a) 4th): motores bidireccionales (36) oleohidráulicos/neumáticos articulados y provistos de reductora, configurados para actuar sobre husillos con sendos soportes (38) a bolas solidarios al correspondiente tramo móvil, para desplazar los dos tramos móviles;bidirectional motors (36) oleohydraulic / articulated tires and equipped with reducer, configured to act on spindles with two supports (38) to solidarity balls to the corresponding mobile section, to move the two mobile sections;

4b) 4b): un mecanismo divisor de flujo en un circuito seleccionado entre oleohidráulico y neumático;a flow dividing mechanism in a circuit selected between oleohydraulic and pneumatic;

4c) 4c): un encoder para detectar una posición de cada tramo; configurados para equilibrar dinámicamente las palas de una aeroturbina.an encoder to detect a position of each section; configured to dynamically balance the blades of a air turbine

5. Wind turbine blade according to claim 4, characterized in that the non-final sections comprise at its ends:

5a) 5th): anillos (24) de materiales resistentes;rings (24) of resistant materials;

5b) 5b): una junta rascadora (26) de limpieza y cierre para los tramos retráctiles;a scraper seal (26) for cleaning and closing for the retractable sections;

5c) 5c): medios de compensación (27) de desplazamientos no favorables seleccionados entre rodillos y patines;means of compensation (27) of displacements not favorable selected between rollers and skates;

5d) 5 d): medios de deslizamiento que comprenden bolas (25) con rodamientos.sliding means comprising balls (25) with bearings.

6. Wind turbine blade according to claim 5, characterized in that the connection to a hub (33) is selected from:

6a) 6a): unión directa, estando el primer tramo diseñado con freno aerodinámico ante vientos huracanados;direct union, being the first section designed with aerodynamic brake against hurricane winds;

6b) 6b): mediante mecanismos de cambio del ángulo de paso hasta la entrada en bandera de las palas.through mechanisms for changing the angle of passage until the entry in flag of the blades.

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7. Wind turbine blade according to claim 6, characterized in that:

7a) 7a): está unidas equilibradamente al buje (33);is attached to the hub balanced (33);

7b) 7b): el buje (33) comprende una tapa (34) aerodinámica para dirigir el viento de esta zona y proteger los mecanismos instalados en esta zona;the hub (33) comprises an aerodynamic cover (34) to direct the wind in this area and protect the mechanisms installed in this area;

7c) 7c): a continuación del buje (33) hay un eje (32) hueco que tiene rodamientos, configurado para transmitir el par de giro al interior de una góndola.after the bushing (33) there is a hollow shaft (32) which has bearings, configured to transmit the torque to the Inside of a gondola.