ES2393332A1

ES2393332A1 - Perfil aerodinámico con sustentación híbrida para una pala de aerogenerador

Info

Publication number: ES2393332A1
Application number: ES201201072A
Authority: ES
Inventors: Juan Carlos SÁENZ DÍEZ-MURO; Emilio Jiménez Macías; Julio Blanco Fernández; Juan Manuel Blanco Barrero; Eduardo MARTÍNEZ CÁMARA
Original assignee: Universidad de La Rioja
Current assignee: Universidad de La Rioja
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2032-10-22
Also published as: ES2393332B2

Abstract

Perfil aerodinámico con sustentación híbrida (2) para una pala de aerogenerador (1), con un borde de ataque (10), un borde de salida (11), y lados de intradós o de sobrepresión (12) y de extradós o de depresión (13), comprendidos ambos entre el borde de ataque (10) y de salida (11), caracterizada porque, el borde de ataque (10) se compone de un borde de ataque exterior (10'), formado por un cilindro hueco rotatorio (100) y un borde de ataque interior (10'') con forma cóncava.

Description

Perfil aerodinámico con sustentación híbrida para una pala de

5 aerogenerador

Campo de la invención

La invención se sitúa en el ámbito de la mecánica de fluidos, y más concretamente de

10 la maquinaria para aprovechamiento de la energía del viento. La invención es válida para cubrir todo el rango de potencias y preferentemente formará parte de un generador eólico para generar energía eléctrica. La invención se refiere a una pala de aerogenerador de tipo perfil aerodinámico optimizada aerodinámicamente.

15 Antecedentes

El elemento básico de un aerogenerador es la aeroturbina o rotor eólico, que está formado por una o varias palas. Cada pala tiene un perfil que normalmente tiene forma aerodinámica.

20 La terminología básica empleada en perfiles aerodinámicos es la siguiente:

Partes y regiones de un perfil:

25 • Borde de ataque.-Es la parte delantera del perfil alar. Se le denomina así ya que es la primera parte que toma contacto con la corriente de aire, provocando que ésta se bifurque hacia el intradós y el extradós. Normalmente presenta forma roma.

3 O • Borde de salida.-Llamado también borde de fuga. Corresponde al punto en el que el aire proveniente del intradós y el proveniente del extradós confluyen y abandonan el perfil. Normalmente presenta forma aguda o de terminación cuadrada.

35 • Línea de cuerda.-Línea recta que une el borde de ataque y el borde de salida.

•: Cuerda.-Longitud de la línea de cuerda.

•: Extradós.-Llamado también trasdós, es un término genérico que denota la parte

4 O exterior de una estructura. Es la parte del perfil en la que se genera la depresión.

• Intradós.-Término genérico que denota la parte interior de una estructura. Es la parte del perfil en la que se genera la sobrepresión.

Parámetros geométricos de un perfil:

• Radio del borde de ataque.-Define la forma del borde de ataque. Su longitud se

expresa en % del valor de la cuerda. Varía desde el 0%, para perfiles agudos 5 supersónicos, hasta un 2%, para perfiles obtusos o romos de velocidades bajas.

• Línea de cuerda.-Línea recta que une el borde de ataque y el borde de salida.

• Cuerda.-Longitud de la línea de cuerda. 10

• Espesor.-Es un segmento trazado desde un punto del perfil. El valor de su ordenada y abscisa como valor de posición, se expresa por lo general en % de la longitud de la cuerda. Según la convención americana, será perpendicular a la línea de curvatura media, y según la convención británica, será perpendicular

15 a la línea de cuerda.

• Espesor máximo: Distancia máxima entre la superficie del extradós y la del intradós. El valor de su ordenada y abscisa como valor de posición, se expresa por lo general en % de la longitud de la cuerda, variando alrededor del 2%, para

2 O perfiles muy delgados (velocidad supersónica), y del 20% para perfiles gruesos (baja velocidad).

• Línea de curvatura media.-Es la línea equidistante entre el extradós y el

intradós. 25

• Curvatura máxima: Distancia máxima entre la línea de curvatura media y la línea de cuerda.

Se les da distintos nombres a los perfiles según su geometría. Se denominan

3 O biconvexos si el intradós y el extradós son convexos, plano-convexos si tiene el extradós convexo y el intradós plano, y de doble curvatura si el intradós y el extradós son cóncavos.

El laboratorio nacional Ris0 (en danés: Forskningscenter Ris@) es una organización de

35 investigación científica en Roskilde, Dinamarca, concretamente un instituto de investigación sectorial dependiente del Ministerio Danés de Ciencia Tecnología e Innovación, que define tres sub-familias de perfiles de ala NACA, de especial aplicación en turbinas de viento: NACA63, NACA54 y NACA 65. La serie de perfiles NACA fue desarrollada, a partir de 1929, para el sector aeronáutico por el National

4 O Advisory Conmittee of Aeronautics (NACA), es decir el Comité Nacional de Aeronáutica. El propio laboratorio Ris0 ha diseñado una familia de perfiles específica para turbina de viento, con la designación RIS0-AX.

The Aeronautical Research Institute ofSweden (FF A) también ha diseñado una familia 45 de perfiles específica para turbinas de viento, con la designación FFA-W3-XXX.

Las palas del rotor eólico de un aerogenerador, en su parte más alejada de su eje de giro, mantienen semejanza con las alas de un avión, pero difieren de forma importante en su parte más cercana de su eje de giro, donde el perfil es mucho más grueso.

5 Las palas de los aerogeneradores tienen tres regiones bien diferenciadas, (enumeradas desde más cerca a más lejos al eje de giro del rotor eólico):

-región de raíz, que cuenta con: -subregión inferior.

10 -subregión superior. -región intermedia. -región de punta.

Se conocen diferentes optimizaciones de perfiles aerodinámicos empleados en las

15 palas de los aerogeneradores. Para cada región de la pala los perfiles tienen distintas características funcionales, adoleciendo todos ellos de un escaso rendimiento energético en la región de raíz, y mejorable en la región intermedia.

Perfiles aerodinámicos como los citadas pueden observarse en los documentos: 2 O ES2320962B 1; ES2343397B 1; ES2330500B 1; ES231 0958B 1; ES231 0958B 1; entre muchos otros.

Estos perfiles aerodinámicos presentan una problemática que se centra fundamentalmente en los siguientes aspectos: 25

En la región de la raíz de la pala, el coeficiente de sustentación CL suele ser bajo, exigiendo para aumentarlo un perfil de elevada cuerda y altamente torsionado, 10 que provoca un encarecimiento de la pala. Por ese motivo, no se emplean ni existen en el estado de la técnica perfiles aerodinámicos de alta eficiencia para la región de la raíz

3 O de la pala.

En la región de la raíz de la pala, se requieren perfiles de elevado espesor, siendo éstos muy sensibles a la suciedad.

35 -Para velocidades de viento bajas, los perfiles aerodinámicos empleados en las tres regiones de la pala y conocidos ampliamente en el estado de la técnica, tienen bajo coeficiente de sustentación CL, y por 10 tanto generan bajo par de arranque, 10 que ocasiona que se necesite una velocidad de viento inicial importante para que la máquina arranque, y que no se pueda aprovechar la energía de los vientos que no

4 O alcancen dicha velocidad.

Para velocidades de viento altas, superiores a la máxima de funcionamiento nominal, es necesario realizar la parada del aerogenerador, siendo ésta una operación crítica porque implica cargas y fatigas mecánicas elevadas para los componentes del

45 aerogenerador. La operación de parada incluye el paso de girar las palas con el borde de salida apuntando en la dirección del viento hasta que alcanzan su posición de bandera. Este frenado aerodinámico se complementa con un frenado mecánico.

El perfil aerodinámico que la invención preconiza resuelve de forma plenamente 5 satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, en todos y cada uno de los diferentes aspectos comentados, según se describe en el presente documento.

Fundamentos de la invención

10 La invención preconiza un perfil aerodinámico optimizado, que presenta un variable, controlable, y elevado coeficiente de sustentación CL, mediante la disposición de un cilindro hueco rotatorio que hace las veces de borde de ataque. El cilindro hueco rotatorio está unido mecánicamente a la pala, mediante dos pares cinemáticos (uno por

15 cada extremo), disponiendo de un grado de libertad (rotación sobre su eje de rotación).

Un cilindro rotatorio experimenta, al girar sobre su eje de revolución, una fuerza de sustentación cuando está inmerso en un fluido en movimiento. A este principio se le denomina efecto Magnus (1852).

20 Los modelos teóricos matemático-fisicos del efecto Magnus son altamente complejos, por 10 que se tienen que emplear aproximaciones basadas en la teoría de flujo potencial ajustadas con datos experimentales o emplear técnicas computacionales de dinámica de fluidos (CFD).

25 La fuerza de sustentación generada es perpendicular al plano formado por la dirección del viento o de traslación del objeto yel eje de rotación.

Para una pala, la velocidad específica o relación de velocidad periférica TSR (Tip 3 O Speed Ratio) viene expresada por:

Velocidad periférica de la pala (m/s)

TSR = ----------:------Voo (m/s)

Análogamente, para un cilindro que carezca de movimiento de translación o de rotación respecto de otro eje distinto al suyo, se define el coeficiente de velocidades <p como:

Velocidad periférica del cilindro (m/s) <p = Voo (m/s)

En el caso de la invención trabajaremos con <p > 1.

En el caso de la invención, tendremos velocidades de viento Voo que oscilan entre 5 y 4 O 25 mis, y longitudes características Lc que en este caso corresponden como mínimo al espesor máximo del perfil, entre 0,02 y 0,20 m. El número de Reynolds Re, viene expresado por:

Voo Cm/s) . Le Cm)

Re = ----:--~~

V Cm/s2)

5 Para una viscosidad cinemática v (m/s2) del aire de 1,5.10-5 m/s2 tendremos un número de Reynolds comprendido entre 6.666,6 y 333.333,3, por lo que consideraremos aceptable la aproximación Re> 104, pese a que en ciertos casos estemos ligeramente por debajo de ese valor.

10 Efecto Magnus para números de Reynolds altos (Re> 104)

Para números de Reynolds altos, las fuerzas de inercia son mucho más importantes que las debidas a la viscosidad. El comportamiento difiere para valores de q> < 1 Y q> > 1. 15 Influencia de la velocidad específica g>:

De acuerdo con las técnicas CFD, se deduce que el comportamiento difiere para valores de q> < 1 Y q> > 1. El caso de q> < 1 no es relevante para la invención. Para q> > 1,

2 O la capa límite se vuelve totalmente turbulenta y los parámetros CL y CD son prácticamente independientes del número de Reynolds. La relación de CJCD con q> es creciente, debido al aumento de la velocidad de rotación. Según se puede ver en la tabla siguiente, obtenida en reiteradas simulaciones, y en la que,

25 Voo (m/s), es la velocidad de viento impuesta en la condición de contorno como entrada. n (rpm), es la velocidad de giro del cilindro hueco rotatorio. ro (rad/s), es la velocidad anterior expresada en unidades del S.1. d (m), es el diámetro exterior del cilindro hueco rotatorio.

3 O Vp (m/s), es la velocidad lineal periférica del cilindro hueco rotatorio. q>, es el coeficiente adimensional de velocidades. CD, es el coeficiente de arrastre o Cx. CL, es el coeficiente de sustentación o Cy. CJCD, es la relación entre coeficientes.

35 P (W/m), es la potencia por unidad de longitud necesaria para mantener el giro del cilindro hueco rotatorio.

5: O 0,0 0,15 0,00 0,0 0,76 1,01 1,33 0,00

5: -250 26,2 0,15 1,96 0,4 0,62 1,36 2,19 0,01

5: -500 52,4 0,15 3,93 0,8 0,62 1,89 3,05 0,03

5: -1000 104,7 0,15 7,85 1,6 0,61 2,52 4,13 0,13

5: -1500 157,1 0,15 11,78 2,4 0,55 2,51 4,56 0,33

5: -2000 209,4 0,15 15,71 3,1 0,53 2,54 4,79 0,69

5: -2500 261,8 0,15 19,63 3,9 0,52 2,70 5,19 1,34

5: -3000 314,2 0,15 23,56 4,7 0,51 2,90 5,69 2,26

5: -3500 366,5 0,15 27,49 5,5 0,50 3,14 6,28 3,57

5: -10000 1047,2 0,15 78,54 15,7 0,37 3,77 10,19 84,82

5 0,0 0,48 2,39 4,98

Podemos comprobar la tendencia de la relación Cu'CD con <p, y podemos comprobar los diferentes valores de CL y CD, en relación con un perfil aerodinámico normal (de idénticas características pero con un borde de ataque convencional), que nos sirve de

5 elemento de control, y cuyos valores se pueden ver en la última fila de la tabla.

Influencia de la relación de aspecto del cilindro A = Lid:

10 De acuerdo con las técnicas CFD, se deduce que tanto CL como CD dependen del parámetro A del cilindro. Para valores de <p>4, un aumento en A, produce un incremento importante de CL (tendiendo a su límite asintótico) y un decremento de CD.

El valor óptimo se da para Aopt ~ 10.

15 Por lo tanto se debe fijar primero el diámetro exterior del cilindro hueco rotatorio en función de la anchura máxima del perfil, y después se determina la longitud mínima de cada tramo en base a la ecuación indicada anteriormente. Cuantos más tramos independientes tengamos en la pala más eficiente será el funcionamiento de la misma,

2 O aunque también se encarezca el coste fijo inicial. El diámetro interior no influye en la aerodinámica, y se determinará mediante un sencillo cálculo mecánico. El material preferente para el cilindro hueco rotatorio será aluminio o plástico, pudiéndose optar en construirlo hueco o macizo vaciando los extremos donde se alojarán los motores de rotor externo.

25 Optimización de CtED del cilindro hueco rotatorio a lo largo de la pala

De acuerdo con las técnicas CFD, una vez fijada la geometría del cilindro hueco rotatorio se debe determinar la velocidad de giro óptima del cilindro hueco rotatorio, y 3 O se deduce que será diferente según la región de la pala en la que nos encontremos, así como de la velocidad de viento de ese momento. Los generadores eólicos monitorizan en tiempo real la velocidad de viento que les llega, mediante un anemómetro, y además disponen de un Controlador Lógico Programable (PLC), por lo que para el control óptimo de los cilindros huecos rotatorios sólo habrá que programar las

35 ecuaciones o tablas de datos, que se indican a continuación, en dicho PLC, y disponer de los motores de rotor externo ampliamente conocidos en el estado de la técnica. El cableado de los motores se realizará por el interior de la pala hasta llegar al buje y de aquí ir al cuadro eléctrico de la góndola.

-: Raíz de la pala:

La componente proyectada de la FD(Fuerza de arrastre) sobre el plano perpendicular al eje de giro del rotor, en esta región, es muy pequeña. En esta región la optimización 5 consiste en maximizar CLsin tener en cuenta el valor que adquiere CD.

-: Parte intermedia de la pala:

10 Las componentes proyectadas de la FD (Fuerza de arrastre) y de la FL sobre el plano perpendicular al eje de giro del rotor, en esta región, tienen ambas importancia. En esta región la optimización consiste en maximizar la relación CUCD. Por lo tanto interesa mantener constante a lo largo de la región el valor de <p. Para mantener constante <p procederemos de la siguiente forma:

15 La velocidad incidente de viento, en un cilindro, cuando describe un movimiento de rotación alrededor del eje, vendrá expresada por:

2 O Y el coeficiente de velocidades por:

Velocidad periférica del cilindro (m/s) qJ = Vi (m/s)

sustituyendo y desarrollando la expresión anterior, tendremos.

qJ = .J 2 ( )2

Voo + úJrotor· Lpala

25 Lpala, variable, es la longitud comprendida entre el eje de rotación del rotor y la sección de la pala objeto de estudio. Varía desde O hasta LpALA (siendo ésta la longitud total de la pala).

3 O Para mantener constante <p, tenemos que el denominador es dependiente de variables externas e impuestas en el diseño del aerogenerador, y de la variable Lpa1a, por lo que actuaremos en el numerador, existiendo dos estrategias posibles:

a) Mantener constante reil Y variar ffieil: 35

variando por tanto la velocidad de rotación del cilindro de ataque.

b) Mantener constante (Oeil Y variar reil:

5 variando por tanto el radio del cilindro de ataque. -Punta de la pala:

La componente proyectada de la F D (Fuerza de arrastre) sobre el plano perpendicular al eje de giro del rotor, en esta región, es importante. La optimización consiste ahora en 10 minimizar Co y maximizar CL. Por lo tanto en esta región no es adecuado utilizar el perfil objeto de la invención, y es más adecuado emplear perfiles de espesor reducido.

Sumario de la invención

15 Un primer objetivo de la presente invención es dotar a la técnica de una pala de aerogenerador mejorada u optimizada para que maximizar el coeficiente de sustentación CL en la raíz de la pala. En esta zona no es crítico el coeficiente de arrastre Co, por lo que aumentando la velocidad de rotación del cilindro hueco rotatorio aumentaremos CL, no necesitándose perfiles de elevada cuerda ni altamente

2 O torsionados, lo que reduce de forma importante los costes de fabricación de la pala.

Un segundo objetivo de la presente invención, es dotar a la técnica de una pala de aerogenerador mejorada u optimizada, que mejore o maximice la relación CJCo en la parte intermedia de la pala.

25 Un tercer objetivo de la presente invenclOn, es dotar a la técnica de una pala de aerogenerador mejorada u optimizada para permitir el arranque y funcionamiento de la máquina a velocidades de viento netamente inferiores a las necesitadas actualmente con los dispositivos existentes.

30 Un cuarto objetivo de la presente invención, es dotar a la técnica de una pala de aerogenerador mejorada u optimizada para permitir el funcionamiento de la máquina a velocidades de viento superiores a las nominales, mediante un frenado aerodinámico suave en tres etapas, de menor a mayor intensidad de frenado, actuando en el cilindro

35 hueco rotatorio: reduciendo la velocidad, eliminando la velocidad, realizando el giro a contracorriente.

Un quinto objetivo de la presente invención es dotar a la técnica de una pala de aerogenerador optimizada, que permita realizar la operación crítica de parada mediante 4 O el giro a contracorriente del cilindro hueco rotatorio, reduciendo costes de construcción en el freno mecánico.

Los objetivos citados y otros, los proporciona la presente invención mediante un perfil aerodinámico con sustentación híbrida para una pala de aerogenerador, con un borde de ataque, un borde de salida, y lados de intradós o de sobrepresión y de extradós o de depresión, comprendidos ambos entre el borde de ataque y de salida, y en el que el

5 borde de ataque se compone de dos partes bien diferenciadas:

un borde de ataque exterior, formado por un cilindro hueco rotatorio, unido mecánicamente a la pala mediante un par cinemático por cada extremo, disponiendo de un grado de libertad de rotación sobre su eje de rotación y de diámetro relativo en el

10 rango 25%-100% respecto del ancho máximo del perfil.

un borde de ataque interior, con forma cóncava, formado por un arco de circunferencia concéntrica con el cilindro hueco rotatorio y de diámetro relativo en el rango 26%-150%, respecto del ancho máximo del perfil.

Breve descripción de las figuras

La figura 1, muestra una vista esquemática en planta de una realización preferente, 2 O según la presente invención, de una pala de aerogenerador.

La figura 2, muestra una vista en perspectiva isométrica de una realización preferente, según la presente invención, de un borde de ataque exterior.

25 La figura 3, muestra una vista en sección de un perfil aerodinámico convencional.

La figura 4, muestra una vista en sección de una realización preferente, según la presente invención, de un perfil aerodinámico optimizado.

3 O La figura 5, muestra una vista en perspectiva de una realización preferente, según la presente invención, de un tramo básico de una pala de aerogenerador, en el que se puede apreciar el borde de ataque interior.

La figura 6, muestra una vista en perspectiva isométrica de contornos de una 35 realización preferente, según la presente invención, de un tramo básico de una pala de aerogenerador, en el que se puede apreciar el borde de ataque interior.

La figura 7, muestra una vista en perspectiva isométrica de una realización preferente, según la presente invención, de un tramo básico de una pala de aerogenerador, en el

4 O que se puede apreciar el borde de ataque exterior.

La figura 8, muestra una vista en perspectiva isométrica de contornos de una realización preferente, según la presente invención, de un tramo básico de una pala de aerogenerador, en el que se puede apreciar el borde de ataque exterior.

La figura 9, muestra una vista en perspectiva isométrica de una realización preferente, según la presente invención, de varios tramos básicos corridos de una pala de aerogenerador, donde se puede apreciar el borde de ataque exterior formado por tramos independientes.

La figura 10, muestra una vista en perspectiva isométrica de contornos de una realización preferente, según la presente invención, de varios tramos básicos corridos de una pala de aerogenerador, donde se puede apreciar el borde de ataque exterior formado por tramos independientes.

La figura 11, muestra una gráfico de vectores de velocidad de viento obtenido mediante un software de simulación de CFD, al que se ha sometido el perfil optimizado de la presente invención con una entrada de viento de 5m/s y una rotación del cilindro hueco rotatorio de O rpm.

La figura 12, muestra una gráfico de vectores de velocidad de viento obtenido mediante un software de simulación de CFD, al que se ha sometido el perfil optimizado de la presente invención con una entrada de viento de 5m/s y una rotación del cilindro hueco rotatorio de 3.500 rpm.

La figura 13, muestra una gráfico de contornos de presión estática obtenido mediante un software de simulación de CFD, al que se ha sometido el perfil optimizado de la presente invención con una entrada de viento de 5m/s y una rotación del cilindro hueco rotatorio de O rpm.

La figura 14, muestra una gráfico de contornos de presión estática obtenido mediante un software de simulación de CFD, al que se ha sometido el perfil optimizado de la presente invención con una entrada de viento de 5m/s y una rotación del cilindro hueco rotatorio de 3.500 rpm.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La figura 1, muestra una vista esquemática en planta de una realización preferente, según la presente invención, de una pala de aerogenerador (l). Consta de tres regiones bien diferenciadas:

a) región de raíz (lA), compuesta por subregión inferior (lA') y subregión superior (lA"). b) región intermedia (lB). c) región de punta (l C).

El perfil aerodinámico con sustentación híbrida (2) que preconiza la invención se aplicará a todas las zonas de la pala exceptuando a la subregión inferior (lA'), por ser normalmente una superficie cilíndrica con única misión estructural, y a la región de punta (lC), en la que se dispondrá de perfil aerodinámico (O) convencional.

La figura 2, muestra una vista en perspectiva isométrica de una realización preferente, según la presente invención, de un borde de ataque exterior (10'), formado principalmente por un cilindro hueco rotatorio (100), sendos motores de rotor externo 5 (1011, 101D), Y sendos ejes de fijación estáticos (1021, 102D). Dichos ejes se fijarán rígidamente a la pala de forma que el motor de rotor externo transmita su movimiento giratorio al cilindro hueco rotatorio (100). Normalmente sólo funcionará un motor por cilindro, si bien el hecho de colocar dos se debe a que permite que uno de ellos funcione en un rango de velocidades y el otro 10 haga en un rango de velocidades

10 superior; esto permite aumentar la eficiencia en el funcionamiento. Alternativamente se pueden disponer dos motores idénticos y funcionar en alternancia, 10 que permite aumentar la disponibilidad o la robustez.

La figura 3, muestra una vista en sección de un perfil aerodinámico (O) convencional.

15 La figura 4, muestra una vista en sección de una realización preferente, según la presente invención, de un perfil aerodinámico híbrido (2). Dispone de un borde de ataque exterior (10'), formado fundamentalmente por un cilindro hueco rotatorio (100), que produce una fuerza de sustentación por efecto Magnus y dispone de un borde de

20 ataque interior (10"), de forma cóncava, que junto al intradós (12), extradós (13) y borde de salida (11), producen una fuerza de sustentación amplificada por la rotación del cilindro hueco rotatorio (100). En la figura el viento incide en el borde de ataque, de izquierda a derecha y el cilindro girará, para producir sustentación, en sentido horario (-).

25 La figura 5, muestra una vista en perspectiva de una realización preferente, según la presente invención, de un tramo básico de una pala de aerogenerador, donde se puede apreciar el borde de ataque interior (10"). Pueden observarse las zonas laterales a dicho borde, donde encajarán los ejes de fijación estáticos (1021, 102D). El tramo básico está

3 O incompleto hasta que se monte el borde de ataque exterior (10').

La figura 6, muestra una vista en perspectiva isométrica de contornos de una realización preferente, según la presente invención, de un tramo básico de una pala de aerogenerador, donde se puede apreciar el borde de ataque interior (10"). Esta vista se

35 ha incluido para claridad.

La figura 7, muestra una vista en perspectiva isométrica de una realización preferente, según la presente invención, de un tramo básico de una pala de aerogenerador, donde se puede apreciar el borde de ataque exterior (10'). El tramo básico está completo.

40 La figura 8, muestra una vista en perspectiva isométrica de contornos de una realización preferente, según la presente invención, de un tramo básico de una pala de aerogenerador, donde se puede apreciar el borde de ataque exterior (10'). Esta vista se ha incluido para claridad.

La figura 9, muestra una vista en perspectiva isométrica de una realización preferente, según la presente invención, de varios tramos básicos corridos de una pala de aerogenerador, donde se puede apreciar el borde de ataque exterior (10') por tramos independientes. La pala aerodinámica híbrida (1) preferentemente estará formada por

5 varios tramos de borde de ataque exterior (10') independientes. Un motivo es para evitar el pandeo del cilindro hueco rotatorio (100), además de para evitar que un cilindro largo pueda entrar en resonancia. Otro motivo es para, según se ha descrito anteriormente, poder optimizar el funcionamiento haciendo que cada tramo trabaje a diferentes velocidades de rotación.

10 La figura 10, muestra una vista en perspectiva isométrica de contornos de una realización preferente, según la presente invención, de varios tramos básicos corridos de una pala de aerogenerador, donde se puede apreciar el borde de ataque exterior (la') formado por tramos independientes. Esta vista se ha incluido para claridad.

15 La figura 11, muestra un gráfico de vectores de velocidad de viento obtenido mediante un software de simulación de CFD, en el que se ha simulado el perfil optimizado de la presente invención con una entrada de viento de 5m/s y una rotación del cilindro hueco rotatorio (100) de O rpm. El perfil aerodinámico (O) normal, en estas condiciones,

2 O presenta un Co de 0,48, un CL de 2,39, y un CJCo de 4,98. El perfil híbrido (2) optimizado, en estas condiciones, presenta un Co de 0,76, un CL de 1,01, y un CJCo de 1,33. Es decir, cuando el cilindro no gira el perfil híbrido objeto de la invención presenta un comportamiento netamente peor.

25 La figura 12, muestra un gráfico de vectores de velocidad de viento obtenido mediante un software de simulación de CFD, en el que se ha simulado el perfil optimizado de la presente invención con una entrada de viento de 5m/s y una rotación del cilindro hueco rotatorio (100) de 3.500 rpm. El perfil híbrido (2) optimizado, en estas condiciones, presenta un Co de 0,5, un CL de 3,14, y un CJCo de 6,28. Es decir, cuando el cilindro

3 O gira, el perfil híbrido objeto de la invención presenta un comportamiento netamente superior. Obsérvese cómo efecto curioso que el coeficiente de arrastre Co mejora, frente al perfil aerodinámico (O) normal, además de mejorar evidentemente el coeficiente de sustentación CL.

35 La figura 13, muestra un gráfico de contornos de presión estática obtenido mediante un software de simulación de CFD, al que se ha sometido el perfil optimizado de la presente invención con una entrada de viento de 5m/s y una rotación del cilindro hueco rotatorio (100) de Orpm. El gráfico de presiones es un indicativo del comportamiento de un perfil aerodinámico en funcionamiento.

40 La figura 14, muestra un gráfico de contornos de presión estática obtenido mediante un software de simulación de CFD, al que se ha sometido el perfil optimizado de la presente invención con una entrada de viento de 5m/s y una rotación del cilindro hueco rotatorio (100) de 3.500 rpm. Obsérvese cómo aumenta la zona de presión y de succión

4 5 por el efecto de la rotación.

Claims

REIVINDICACIONES

l.

Perfil aerodinámico con sustentación híbrida (2) para una pala de

5

aerogenerador (1), con un borde de ataque (10), un borde de salida (11), y lados

de intradós o de sobrepresión (12) y de extradós o de depresión (13),

comprendidos ambos entre el borde de ataque (10) Y de salida (11),

caracterizado porque, el borde de ataque (10) se compone de dos partes bien

diferenciadas

10

-un borde de ataque exterior (10'), formado por un cilindro hueco

rotatorio (100), unido mecánicamente a la pala mediante un par

cinemático motriz por cada extremo (1011, 101D, 1021, 102D),

disponiendo de un grado de libertad de rotación sobre su eje de rotación

15

y de diámetro exterior relativo en el rango 25%-100% respecto al

ancho máximo del perfil

-un borde de ataque interior (10"), con forma cóncava, formado por un

arco de circunferencia concéntrica con el cilindro hueco rotatorio (100)

2 O

Y de diámetro relativo en el rango 26%-150% respecto al ancho

máximo del perfil.
2.

Perfil aerodinámico con sustentación híbrida (2) para una pala de

25

aerogenerador (1), según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho perfil

conformará la pala en la región de la raíz (1A) y en concreto en la subregión

superior (1 A") y en la región intermedia (1B).

3 O

3. Perfil aerodinámico con sustentación híbrida (2) para una pala de

aerogenerador (1), según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado

porque el borde de ataque exterior (10') Y el borde de ataque interior (10") se

distribuirán en la longitud de pala a cubrir, en una pluralidad de tramos

independientes, con una longitud de cilindro hueco rotatorio (100) que como

35

mínimo decuplique su diámetro.

FIG.l

FIG.2

FIG.3

j~

FIG.4

j'!:

o " 10 " 20 " 30 " 40 " 50 " 60 " 70 " 80 " 90 " 100 "

FIG.5

FIG.6

FIG.7

FIG.8

FIG.9

FIG.I0
7.068+00 6.71e+00
6.360-00
6.018·00
5.660-00
5.318+00

~.1l6e·00
4 .610+00 4.25e·00
3.900<00 3.550+00
3.208+00 2.858+00 2.5Oe+OO
2.150+00

1.6QQ","00 1.458+00 1.109+00
7.46<Hl1 3.Q50.01

~.41e-()2

FIG.ll
-

.-

VelocIIy VedolS Col_ By VelocIIy Uegnludo (mis) Sop 19. 2012 ANSYS FLUENT 14.0 (2d. pb... .......,

FIG.12
8.560'00
8.149+00
7.72..00
7.;iOe.OO
6.87.'00
6.45,,+00
6.03..00
5.610+00
5.!9.'00

-

_....-....
4.ne"'"00

.f.!5,;;'00
3.920+00 _
3.500+011.

-

S.08,,+OO _
2.668'00
2 .249·00

1.82e+0Q..

1.408+00
9.750-01
5.549-01

1.32..01

VelodIy VodolS ca_By Velocly Ue_do (mil) Sop 20. 2012

ANSYS FLUENT 14.0 (2d. pb... .......,

FIG.13

FIG.14

ICorrtours of SlIIIc PIe...... (posaol) SoplO, 2012 I ANSYS FLI.ENT '4.0 (2-,pilla, IIIIM')

1798"01 14781'01

'160-01

841&"00

5260-00

2118'tOO

-

, 040"00 .4 198+00

-

7_00 -1050+0' -'880+0'

-

'_01 -'990+01 -231...01 ·2828+01

-

2_01 -3258+01
-

557..01 -3880+01 -4200+01 -451..01