ES2338963B1 - AIRPLANE MULTI-POINT SHOVEL. - Google Patents
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Abstract
Pala multi-punta de aerogenerador que comprende una región principal (7) de perfil aerodinámico con un borde de ataque (13), un borde de salida (15) y lados de succión y presión (17, 19) entre el borde de ataque (15) y el borde de salida (15) y una región de punta (9) que comprende varias puntas (11, 11', 11'') dispuestas como extensiones longitudinales de la región principal (7) formando cada una de ellas un ángulo diédrico (A, A', A'') diferente con la región principal (7).Multi-tip shovel wind turbine comprising a main region (7) of profile aerodynamic with a leading edge (13), a trailing edge (15) and suction and pressure sides (17, 19) between the leading edge (15) and the trailing edge (15) and a tip region (9) comprising several tips (11, 11 ', 11' ') arranged as extensions longitudinal of the main region (7) forming each one of them a dihedral angle (A, A ', A' ') different with the main region (7).
Description
Pala multi-punta de aerogenerador.Multi-tip shovel wind turbine
La invención se refiere a una pala de aerogenerador optimizada aerodinámicamente y en particular a una pala de aerogenerador optimizada en la región de punta.The invention relates to a shovel of wind turbine optimized aerodynamically and in particular at a optimized wind turbine blade in the tip region.
Hay varios problemas asociados a la región de punta de las palas de aerogeneradores utilizados actualmente en la industria eólica.There are several problems associated with the region of tip of the wind turbine blades currently used in the wind industry
Un problema se refiere a la contribución de la región de punta al comportamiento aerodinámico de las palas de aerogenerador. Hay muchas propuestas conocidas en este campo como la configuración de la punta de la pala en forma de alerón para mejorar el rendimiento de la pala.A problem refers to the contribution of the region of tip to the aerodynamic behavior of the blades of wind turbine There are many proposals known in this field as the Spoiler tip configuration to improve Shovel performance.
Otro problema se refiere al hecho de que la punta de la pala es una importante fuente de ruido. Se conocen al respecto muchas propuestas proporcionando formas de puntas de pala para minimizar el ruido: puntas elípticas, puntas con forma ojival o puntas con forma de ala de tiburón.Another problem concerns the fact that the Blade tip is an important source of noise. They know the respect many proposals providing blade tip shapes to minimize noise: elliptical tips, ogival-shaped tips or Shark wing shaped tips.
Ninguna de las propuestas conocidas produce resultados completamente satisfactorios, por lo que existe una continua necesidad de proporcionar palas de aerogenerador con un perfil aerodinámico optimizado en la región de punta.None of the known proposals produces completely satisfactory results, so there is a continuous need to provide wind turbine blades with a optimized aerodynamic profile in the tip region.
Un objeto de la presente invención es proporcionar una pala de aerogenerador con una configuración de la región de punta que mejora el rendimiento de la pala de aerogenerador.An object of the present invention is provide a wind turbine blade with a configuration of the tip region that improves blade performance wind turbine
Otro objeto de la presente invención es proporcionar una pala de aerogenerador con una configuración de la región de punta que permite recuperar parte de las pérdidas de energía asociadas a la vorticidad de la región de punta.Another object of the present invention is provide a wind turbine blade with a configuration of the region of tip that allows to recover part of the losses of energy associated with the vorticity of the tip region.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar una pala de aerogenerador con una configuración de la región de punta que permite la reducción del ruido de la punta.Another object of the present invention is provide a wind turbine blade with a configuration of the tip region that allows the reduction of tip noise.
Estos y otros objetos de la presente invención se consiguen proporcionando una pala de aerogenerador comprendiendo una región principal de perfil aerodinámico con un borde de ataque, un borde de salida y lados de presión y de succión entre el borde de ataque y el borde de salida y una región de punta comprendiendo varias puntas dispuestas como extensiones longitudinales de la región principal formando cada una de ellas un ángulo diédrico diferente con la región principal.These and other objects of the present invention are achieved by providing a wind turbine blade comprising a main aerodynamic profile region with a leading edge, an outlet edge and sides of pressure and suction between the edge of attack and the trailing edge and a tip region comprising several tips arranged as longitudinal extensions of the main region each forming a dihedral angle Different with the main region.
En una realización de la invención dichas puntas también están dispuestas a diferentes ángulos de paso. Se consigue con ello una pala multi-punta teniendo cada una de sus puntas colocada en una posición optimizada para mejorar el rendimiento aerodinámico de la pala y para reducir el ruido de la punta.In an embodiment of the invention said tips They are also arranged at different angles of passage. Is achieved with it a multi-pointed blade having each of its tips placed in an optimized position to improve the aerodynamic performance of the blade and to reduce the noise of the tip.
En otra realización, la longitud de cada punta es menor o igual que la longitud de la punta contigua más próxima al borde de ataque. Se consigue con ello una pala multi-punta teniendo una longitud optimizada en cada punta para mejorar el rendimiento aerodinámico de la pala y para reducir el ruido de la punta.In another embodiment, the length of each tip is less than or equal to the length of the adjacent tip closest to the edge of attack. You get with it a shovel multi-tip having an optimized length in each tip to improve the aerodynamic performance of the blade and for Reduce tip noise.
En otra realización, la pala tiene medios para cambiar el ángulo diédrico y/o el ángulo de paso de dichas puntas. Se consigue con ello una pala multi-punta con medios para mejorar el rendimiento aerodinámico de la pala y para reducir el ruido de la punta teniendo en cuenta las condiciones operativas de la pala.In another embodiment, the blade has means for change the dihedral angle and / or the angle of passage of said tips. This achieves a multi-pointed shovel with means for improving the aerodynamic performance of the blade and for reduce tip noise taking into account conditions operating shovel.
En otra realización, la región de punta está fabricada como una parte separada y se une, a modo de dispositivo de punta, a la región principal. Se consigue con ello facilitar la fabricación de una pala multi-punta que mejora el rendimiento aerodinámico de la pala y reduce el ruido de la punta.In another embodiment, the tip region is manufactured as a separate part and joins, as a device Punta, to the main region. This is achieved by facilitating the manufacture of a multi-pointed blade that improves the aerodynamic performance of the blade and reduces the noise of the tip.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue en relación con las figuras que se acompañan.Other features and advantages of this invention will follow from the detailed description that follows in relationship with the accompanying figures.
La Figura 1 es una vista esquemática en planta de una pala de aerogenerador conocida.Figure 1 is a schematic plan view of a known wind turbine blade.
La Figura 2 es una vista esquemática en planta de una pala de aerogenerador según la presente invención.Figure 2 is a schematic plan view of a wind turbine blade according to the present invention.
La Figura 3 es una vista ampliada de la región de punta de la pala de aerogenerador ilustrada en la Figura 2.Figure 3 is an enlarged view of the region tip of the wind turbine blade illustrated in Figure 2.
La Figura 4 es una vista frontal ampliada de la región de punta de una pala de aerogenerador según una realización de la presente invención.Figure 4 is an enlarged front view of the tip region of a wind turbine blade according to one embodiment of the present invention.
La Figura 5 es una vista en sección transversal por la línea L-L de la región de punta de la pala de aerogenerador ilustrada en la Figura 4.Figure 5 is a cross-sectional view. along the L-L line of the tip region of the blade wind turbine illustrated in Figure 4.
La Figura 6 muestra la distribución de la circulación envolvente a lo largo del radio de la pala en una pala estándar, en una pala con un alerón y en una pala según la presente invención.Figure 6 shows the distribution of the enveloping circulation along the blade radius in a shovel standard, on a shovel with a spoiler and on a shovel according to the present invention.
La Figura 7 muestra una realización de una pala de aerogenerador según la presente invención en la que la región de punta está configurada como un dispositivo de punta unido a la pala.Figure 7 shows an embodiment of a shovel of wind turbine according to the present invention in which the region of tip is configured as a tip device attached to the shovel.
Como se muestra en la Figura 1 una típica pala de aerogenerador de perfil aerodinámico con un borde de ataque 13 y un borde de salida 15 puede considerarse dividida en tres regiones: la región de raíz 31 que incluye la porción de la pala que está próxima al buje del rotor, la región de punta 35 que incluye la porción de la pala más distante del buje del rotor y la región intermedia 33 entre la región de raíz 31 y la región de punta 35.As shown in Figure 1 a typical shovel of aerodynamic profile wind turbine with a leading edge 13 and an exit edge 15 can be considered divided into three regions: the root region 31 that includes the portion of the blade that is next to the rotor hub, the tip region 35 that includes the most distant blade portion of rotor hub and region intermediate 33 between the root region 31 and the tip region 35
La longitud de la región de raíz 31 es de aproximadamente el 30%-50% de la longitud de la pala. La longitud de la región intermedia 33 es de aproximadamente el 60%-40% de la longitud de la pala. La longitud de la región de la punta 35 es de aproximadamente el 10% de la longitud de la pala.The length of the root region 31 is approximately 30% -50% of the length of the blade. The length of intermediate region 33 is about 60% -40% of the blade length The length of the region of the tip 35 is approximately 10% of the length of the blade.
A los efectos de la presente invención, el principal problema de la pala de aerogenerador mostrada en la Figura 1 es que el vórtice producido en la región de punta 35 por el flujo incidente F causa un decrecimiento del rendimiento y una alta contribución al ruido aerodinámico.For the purposes of the present invention, the main problem of the wind turbine blade shown in Figure 1 is that the vortex produced in the tip region 35 by the flow incident F causes a decrease in performance and a high contribution to aerodynamic noise.
El comportamiento del flujo en las palas de aerogeneradores puede ser analizado asumiendo una razonable pauta estacionaria-2D para la mayor parte del área de la pala. La Teoría del Momento del Elemento de Pala (BEM) produce buenos resultados en este contexto para finalidades de diseño. Sin embargo hay otros fenómenos importantes (típicamente efectos rotacionales 3D y pérdidas por vorticidad) que impiden que la región de raíz y la región de punta tengan dicho flujo estacionario-2D. Es necesario por ello tenerlos en cuenta para diseñar una pala completamente optimizada que maximice la Producción Anual de Energía (AEP) minimizando los esfuerzos de las solicitaciones de las cargas.The flow behavior in the blades of wind turbines can be analyzed assuming a reasonable guideline stationary-2D for most of the area of the shovel. Shovel Element Moment Theory (BEM) produces Good results in this context for design purposes. Without however there are other important phenomena (typically effects 3D rotational and vorticity losses) that prevent the region root and the tip region have such flow 2D-stationary. It is therefore necessary to have them in account to design a fully optimized blade that maximizes Annual Energy Production (AEP) minimizing the efforts of Cargo solicitations.
Las perdidas por vorticidad en la región de punta pueden ser estudiadas por medio de la circulación envolvente. La circulación envolvente de la pala debe caer a cero en la punta (como ocurre en la raíz). La variación de la circulación hacia la punta (o hacia la raíz) induce una vorticidad dispersada en la estela desde el borde de salida. La cantidad de vorticidad dispersada es igual a la tasa de cambio de la circulación envolvente a lo largo del radio. Esta lámina de vorticidad de la estela (mayor al final de la pala) contribuye, junto con la circulación envolvente conducida a través del disco del rotor (promediada azimutalmente), a las velocidades inducidas axiales y tangenciales aguas arriba del rotor. Sin la lámina de vorticidad helicoidal, el factor del flujo axial incidente, promediado azimutalmente, podría establecerse en su valor óptimo (\sim1/3) a lo largo del disco por la constante apropiada de la circulación envolvente a lo largo de la pala de cara a extraer la máxima energía alcanzable del viento. Sin embargo la necesaria presencia de la lámina de vorticidad (teorema de la circulación de Kelvin) causa que el factor axial del flujo incidente, promediado azimutalmente, caiga a cero cuando se acerca a la raíz o a la punta. La cantidad de energía no transmitida al rotor se desperdicia en la energía cinética de la lámina de vorticidad.Vorticity losses in the region of Tip can be studied by means of enveloping circulation. The blade's enveloping circulation must drop to zero at the tip (as in the root). The variation of the circulation towards the tip (or towards the root) induces a vorticity dispersed in the wake from the trailing edge. The amount of vorticity dispersed is equal to the exchange rate of the envelope circulation along the radius. This stele vorticity sheet (major at the end of the blade) contributes, together with the enveloping circulation driven through the rotor disc (azimuthal average), to the axial and tangential induced speeds upstream of the rotor. Without the helical vorticity sheet, the flow factor axial incident, azimutically averaged, could be established in its optimal value (\ sim1 / 3) along the disk by the constant appropriate envelope circulation along the face blade to extract the maximum attainable energy from the wind. However, the necessary presence of the vorticity lamina (theorem of the Kelvin circulation) causes the axial flow factor incident, azimutically averaged, drop to zero when approaching the root or the tip. The amount of energy not transmitted to the rotor is wasted on the kinetic energy of the sheet of vorticity
De cara a optimizar el rendimiento de la pala, esta invención proporciona una configuración de la punta dirigida a alterar el comportamiento del flujo con el objetivo de disminuir las pérdidas de la punta reduciendo la vorticidad dispersada en la estela y cambiando la manera en la que se dispersa la vorticidad.In order to optimize the performance of the blade, This invention provides a tip configuration directed to alter flow behavior with the objective of reducing tip losses reducing the vorticity dispersed in the wake and changing the way in which the vorticity
Una pala de aerogenerador según la presente invención tiene una región principal 7 de longitud s1, de un perfil aerodinámico típico con un borde de ataque 13, un borde de salida 15 y una superficie sustentadora con un lado de succión 17 y un lado de presión 19, y una región de punta 9 de longitud s2 que comprende varias puntas 11, 11', 11''.A wind turbine blade according to the present invention has a main region 7 of length s1, of a profile typical aerodynamic with a leading edge 13, a trailing edge 15 and a supporting surface with a suction side 17 and a side of pressure 19, and a tip region 9 of length s2 comprising several tips 11, 11 ', 11' '.
Al dividir la tradicional región de punta única 35 en varias puntas 11, 11', 11'' el tradicional vórtice de punta se divide en vórtices más pequeños (uno para cada punta 11, 11', 11'') de manera tal que la contribución total a las velocidades inducidas axiales y tangenciales aguas arriba del rotor sean menores que en el caso de una única punta. Consecuentemente la contribución total a la pérdida de rendimiento y al ruido aerodinámico es menor que la original (esto es particularmente importante para las palas de aerogenerador ya que el ruido de la punta es un factor importante del diseño).By dividing the traditional single tip region 35 on several points 11, 11 ', 11' 'the traditional tip vortex is divide into smaller vortices (one for each tip 11, 11 ', 11' ') in such a way that the total contribution to the induced speeds axial and tangential upstream of the rotor are smaller than in the single point case. Consequently the total contribution to the loss of performance and aerodynamic noise is less than the original (this is particularly important for shovels wind turbine since tip noise is an important factor design).
Como puede verse en las Figuras 3 y 4, estas puntas 11, 11', 11'' están configuradas como extensiones longitudinales de la región principal 7 empezando desde su terminación, de cuerda C1, a diferentes ángulos diédricos A, A', A'' respecto a la región principal 7.As can be seen in Figures 3 and 4, these tips 11, 11 ', 11' 'are configured as extensions longitudinals of the main region 7 starting from its termination, of rope C1, at different dihedral angles A, A ', A' ' with respect to the main region 7.
En una realización preferente, las puntas 11, 11', 11'' también pueden estar posicionadas a diferentes ángulos de paso B, B', B'' como se muestra en la Figura 5, siendo dichos ángulos de paso los ángulos entre la imaginaria línea recta, ó línea de cuerda, que se extiende desde el borde de ataque hasta el borde de salida y la línea de cuerda de la última sección de la región principal 7.In a preferred embodiment, tips 11, 11 ', 11' 'can also be positioned at different angles of step B, B ', B' 'as shown in Figure 5, said angles of passage the angles between the imaginary straight line, or line of rope, which extends from the leading edge to the edge output and the rope line of the last section of the region main 7.
Preferiblemente cada punta 11, 11', 11'' tiene una forma aerodinámica con cuerdas decrecientes hacia su terminación.Preferably each tip 11, 11 ', 11' 'has an aerodynamic shape with diminishing strings towards its termination.
El hecho de que las puntas 11, 11', 11'' operen a diferentes ángulos diédricos y de que también puedan operar a diferentes ángulos de paso B, B', B'' es importante para evitar que el vórtice de una punta se pueda fusionar con el generado por cualquier otra. Como afirma el teorema del desplazamiento de Munk, la contribución total de las láminas de vorticidad de una superficie sustentadora no coplanaria a la velocidad inducida total aguas arriba no es la suma algebraica de la contribución de cada una de ellas, depende de cómo están geométricamente configuradas relativamente.The fact that tips 11, 11 ', 11' 'operate at different dihedral angles and that they can also operate at different angles of passage B, B ', B' 'is important to prevent the vortex of a tip can be fused with that generated by any other. As Munk's displacement theorem states, the total contribution of the vorticity sheets of a surface non-coplanar support at the total induced water velocity above is not the algebraic sum of the contribution of each of they depend on how they are geometrically configured relatively.
La Figura 6 muestra a efectos comparativos la distribución de la circulación envolvente en una pala estándar 41, en una pala con un alerón que aumenta la longitud de la pala 43 (la técnica conocida para mejorar el comportamiento aerodinámico de la región de punta demorando el descenso de la circulación envolvente hasta la nueva terminación de la punta) y en la pala según esta presente invención 45. Como se muestra en esta Figura la configuración multi-punta de una pala según la presente invención permite diferir el descenso de la circulación envolvente total en la punta mejorando consecuentemente el comportamiento aerodinámico de la pala.Figure 6 shows for comparative purposes the distribution of the envelope circulation in a standard blade 41, on a shovel with a spoiler that increases the length of the shovel 43 (the known technique to improve the aerodynamic behavior of the tip region delaying the decrease in envelope circulation until the new end of the tip) and in the blade according to this present invention 45. As shown in this Figure the multi-tip configuration of a shovel according to the The present invention makes it possible to defer the decrease in circulation total envelope at the tip consequently improving the aerodynamic behavior of the blade.
En una realización preferente, la pala de aerogenerador según esta invención está provista con medios para regular individualmente los ángulos diédricos A, A', A'' y/o los ángulos de paso B, B', B'' de las puntas 11, 11', 11'' de acuerdo con las condiciones operacionales de cara a obtener el máximo aprovechamiento del concepto para cualquier velocidad particular del viento. Dichos medios pueden se actuadores controlables dispuestos interiormente en la pala, incluyendo por ejemplo un pistón eléctrico, hidráulico o neumático, conectado a las puntas 11, 11', 11'' a través de una junta que permite su rotación.In a preferred embodiment, the blade wind turbine according to this invention is provided with means for individually regulate the dihedral angles A, A ', A' 'and / or the pitch angles B, B ', B' 'of tips 11, 11', 11 '' according with the operational conditions in order to obtain the maximum use of the concept for any particular speed of the wind. Such means can be controllable actuators arranged internally on the blade, including for example a piston electric, hydraulic or pneumatic, connected to tips 11, 11 ', 11 '' through a joint that allows its rotation.
En una realización preferente, la longitud s2 de la región de punta 9 se extiende entre el 1%-10% de la longitud de la pala.In a preferred embodiment, the length s2 of the tip region 9 extends between 1% -10% of the length of the shovel.
En otra realización preferente, la longitud de cada punta 11, 11', 11'' es menor o igual que la longitud de la punta contigua más cercana al borde de ataque 13 de la pala. Preferiblemente el número de puntas es de dos o tres.In another preferred embodiment, the length of each tip 11, 11 ', 11' 'is less than or equal to the length of the contiguous tip closest to the leading edge 13 of the blade. Preferably the number of tips is two or three.
En otra realización preferente, la región de punta 9 con puntas 11, 11', 11'' esta hecha como una parte separada y se une, a modo de un dispositivo de punta, a la región principal 7 de la pala de aerogenerador mediante cualquier medio apropiado 25 (Ver Figura 7).In another preferred embodiment, the region of tip 9 with tips 11, 11 ', 11' 'is made as a separate part and joins, as a tip device, the main region 7 of the wind turbine blade by any appropriate means 25 (See Figure 7).
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.Although the present invention has been described entirely in connection with preferred embodiments, it is evident that modifications can be made within the scope of, not considering this as limited by the previous embodiments, the following claims.
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