ES2629210T3 - Pala de rotor de una instalación de energía eólica - Google Patents

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Abstract

Pala de rotor de una instalación de energía eólica con una punta o un disco final de punta que se destaca como a la manera de un dispositivo de punta alar (winglet) del plano de pala de rotor, caracterizada porque este disco final está girado en su plano central en aproximadamente 4º a 8º, preferiblemente 4º a 6º, en particular en aproximadamente 5º alrededor del eje de ensartado.

Description

DESCRIPCION
Pala de rotor de una instalacion de energfa eolica
5 La invencion se refiere a una pala de rotor de una instalacion de energfa eolica, asf como una instalacion de energfa con un rotor con palas de rotor semejantes.
El comportamiento de una instalacion de energfa eolica, en particular su eficiencia, se determina en una parte no insignificante por las palas de rotor o el diseno de las palas de rotor. Las palas de rotor se describen mediante una 10 multiplicidad de parametros, en este punto se remite en general como estado de la tecnica al libro de Erich Hau, “Windkraftanlagen” 3a edicion, 2002, en particular a la pagina 90 y siguientes de alli. El contenido de este libro tambien es simultaneamente la base de la presente solicitud y tambien contenido de esta solicitud en tanto que esto se necesite para la presente solicitud.
15 Segun se menciona, la capacidad productiva, como tambien el funcionamiento de control de las instalaciones de energfa eolica se marca en una medida no insignificante por las propiedades aerodinamicas de los perfiles de pala de rotor usados. Un parametro importante de un perfil de pala de rotor esta caracterizado por la relacion del coeficiente de sustentacion ca y el coeficiente de resistencia cw.
imagen1
20 ■' ■
en donde E se designa como la fineza (rendimiento aerodinamico).
Ademas, un parametro importante de una pala de rotor es el coeficiente de velocidad periferica A, estando definidoel 25 coeficiente de velocidad periferica por el cociente entre la velocidad periferica (u) de la punta de pala de la pala de rotor y la velocidad del viento v.
En la fig. 1 estan representadas las relaciones de soplado conocidas y las fuerzas del aire en la seccion transversal de perfil de un elemento de pala.
30
Si se examinan los perfiles de palas de rotor conocidas, se constata una relacion especial entre la fineza y el angulo de ataque. Se reconoce precisamente que la fineza depende en gran medida del angulo de ataque correspondiente y tfpicamente se obtiene una elevada fineza solo en un rango de angulo de ataque muy limitado. Asf se puede conseguir, por ejemplo, una fineza elevada si el angulo de ataque (de una pala de rotor) se situa en el rango de 6° y 35 simultaneamente disminuye la fineza en cuanto se queda por debajo o se sobrepasa ligeramente el rango de 6°.
Si se abandona el rango de la fineza optima, es decir, el angulo de ataque es claramente diferente del angulo de ataque optimo, p. ej. 6°, se ve facilmente que la eficiencia total de la instalacion es menor con la consecuencia de que la instalacion de energfa eolica tendera a ajustar el angulo de ataque de nuevo a los valores optimos, por 40 ejemplo, ajustar el paso y/o poner todo el rotor de forma optima en el viento mediante la orientacion de la gondola.
Los tamanos de los rotores de las instalaciones de energfa eolica han aumentado constantemente en los ultimos anos y las superficies de rotor barridas de 10000 m2 ya no son entretanto una teona, sino que se han hecho en la practica, p. ej. en una instalacion de energfa eolica del tipo E112 de la empresa Enercon. A este respecto se trata de 45 una instalacion de energfa eolica cuyo diametro de rotor es de aproximadamente 112 m.
Ahora es practicamente imposible conseguir el optimo de la fineza sobre todas las zonas de la pala de rotor, ya que en el caso de la superficie barrida muy grande ya no se puede asumir que el viento siempre afluye desde la misma direccion y siempre con velocidad uniforme.
50
La consecuencia de ello es que en algunas zonas la pala de rotor o las palas de rotor trabajan en el funcionamiento relativamente optimo, no obstante, debido a la diferencia del perfil de soplado en la superficie de rotor en algunas otras zonas trabajan mas bien de forma suboptima. Esto se produce directamente por la dependencia muy estrecha de la fineza respecto al angulo de ataque y la consecuencia de ello es que las cargas sobre la pala de rotor pueden 55 oscilar de forma extrema, ya que tambien la sustentacion (ca) de la pala de rotor es aproximadamente proporcional a la fineza.
Como medida para la mejora de los problemas mencionados y para evitar sus desventajas naturalmente es posible
encontrar siempre un ajuste optimo mediante un ajuste del paso correspondiente de la palas de rotor o ginada de todo el rotor. Pero es facilmente comprensible para el especialista que con esta concepcion se deben ajustar practicamente constantemente las palas de rotor al viento (asf se debe ajustar el paso) y/o los accionamientos acimutales tambien deben orientar nuevamente el rotor sin que se mejore sustancialmente la situacion.
5
El documento DE 830627 muestra un aspa de turbina eolica con un disco final en el extremo de aspa.
El objetivo de la invencion es evitar las desventajas mencionadas anteriormente y proporcionar un rendimiento total mejorado.
10
La invencion resuelve el objetivo mediante una pala de rotor de una instalacion de energfa eolica con la caractenstica segun la reivindicacion 1, asf como mediante una instalacion de energfa eolica con las caractensticas de la reivindicacion 2.
15 Una de las propiedades esenciales de un diseno de la pala de rotor consiste en que la fineza permanece elevada casi sobre un rango de angulo de ataque muy grande, no obstante, quedando ahora el valor mas elevado de la fineza ahora detras del optimo de la fineza hasta ahora por el estado de la tecnica. Expresado de otra forma, la fineza de la pala de rotor segun la invencion es con el ajuste optimo del angulo de ataque - en el maximo - menor que en el estado de la tecnica, pero simultaneamente un desvfo del ajuste optimo no conduce inmediatamente a una 20 reduccion substancial de la fineza y del coeficiente de sustentacion y por consiguiente a una perdida de sustentacion, sino que los desvms, que se situan en el rango de p. ej. ±0,5 a 3° del angulo de ajuste optimo, no conducen a la reduccion sustancial de la fineza y por consiguiente a la reduccion de la sustentacion, con la consecuencia de que se mejora el rendimiento global de la pala. Por consiguiente tambien se consigue una distribucion de cargas claramente mejorada y una oscilacion de cargas claramente insignificante (AL/dt). Segun se 25 puede reconocer de la fig. 2, el “sillm” de la curva de la fineza de la pala de rotor segun la invencion en el rango entre 4 y 8° de angulo de ataque es claramente mas ancho que en una pala de rotor conocida.
El diseno de la pala de rotor, que no pertenece a la invencion, se realiza en particular en el tercio central de la pala de rotor, es decir, en la asf denominada zona de la placa principal (mainboard) de la pala de rotor. Esta es la zona 30 que se situa entre la zona de conexion de la pala de rotor o la zona de rafz de la pala de rotor, por un lado, y la zona de punta, es decir, la zona de pico de la pala de rotor.
La fig. 2 muestra el comportamiento del coeficiente de sustentacion o la fineza, por un lado, respecto al angulo de ataque. En particular los diagramas de curvas respecto al angulo de ataque muestran que en una pala de rotor 35 estandar la fineza en el rango del angulo de ataque de aproximadamente 6° alcanza su maximo absoluto, que se situa en aproximadamente 170. Ya en el caso de un desvm del angulo de ataque desde 6° en 1°, es decir, a 7° a 5° disminuye la fineza fuertemente y en particular hacia angulos de ajuste mayores, la fineza ya es la mitad cuando el angulo de ajuste adopta un valor de aproximadamente 9°. Hacia angulos de ataque mas pequenos hay igualmente una cafda muy intensa que, no obstante, no discurre tan empicado como en el caso de la desviacion del angulo de 40 ataque hacia angulos de ataque mas elevados.
En el diagrama tambien se puede ver el comportamiento de la fineza en una pala de rotor. En el rango del angulo de ataque de aproximadamente 6° esta marcado de nuevo el maximo y este maximo se situa por debajo del maximo de la fineza en el caso de una pala de rotor estandar. Sin embargo, el “sillm” del optimo es ahora claramente mas 45 ancho, segun se reconoce en las curvas que se cortan y luego cuando, por ejemplo, el angulo de ataque se situa en el rango de 4 a 8°, es decir, ±2° del angulo de ataque optimo 6°, la fineza solo ha bajado ahora aproximadamente el 10% de su valor optimo. En el rango de aproximadamente 4,5° a -4°, por un lado, y en el rango de aproximadamente 7° a 16°, la finezasiempre se situa por encima de la curva de fineza para una pala de rotor conocida.
50 Segun se puede reconocer tambien, mediante una configuracion de la pala de rotor que no pertenece a la invencion, se mejora en conjunto el coeficiente de sustentacion de toda la pala de rotor, lo que va acompanado con un aumento de eficiencia de aproximadamente el 15% de la pala de rotor.
Ante todo las oscilaciones de las cargas ahora tampoco seran tan grandes como hasta ahora y en el caso de 55 cualquier modificacion minima del angulo de ataque no existe la necesidad de efectuar medidas correspondientes igualmente, ajustar el angulo de ataque de nuevo al valor optimo deseado, en el presente ejemplo 6°.
La fig. 3 muestra distintas vistas de una punta de pala de rotor, es decir, de una pieza final de la pala de rotor. La fig. 3a muestra una punta de pala de rotor en la representacion en perspectiva, la fig. 3b de la vista lateral y fig. 3c en la
vista en planta.
Esta punta de pala de rotor tambien se designa en general como arco de borde. En la fig. 3a se puede reconocer que el arco de borde esta representado con tres secciones de perfil y el eje de ensartado.
Mediante las tres representaciones diferentes es posible clarificar el giro del perfil del arco de borde alrededor del eje de ensartado. A este respecto, el giro representado es en cuanto al valor mayor que el numero de grados indicado en la descripcion, por motivos de representacion, a fin de hacer perceptible hasta cierto punto la representacion en la representacion grafica.
10
En este punto se subraya especialmente de nuevo que la configuracion no reivindicada de la pala de rotor se refiere en particular a la parte central, es decir, a la asf denominada placa principal, es decir, en la zona que se situa entre la zona de rafz de la pala de rotor, por un lado, y la zona de punta. La placa principal tambien se puede describir en general como el “tercio central” de una pala de rotor, pudiendose desviar de ello las medidas concretas a lo largo de 15 la placa principal y la placa principal tambien puede ocupar p. ej. tambien aproximadamente hasta el 60% de la longitud de la pala de rotor.
Adicionalmente o independientemente de la configuracion mencionada anteriormente de la pala de rotor, tambien se puede obtener otra mejora - vease la fig. 3a a 3c -, cuando el pico de la pala de rotor, es decir, la asf denominada 20 punta en una zona determinada se gira alrededor del eje de ensartado, p. ej. esta girado en aproximadamente 4 a 8°, preferentemente aproximadamente 5°, alrededor del eje de ensartado (retorcido, twist). Luego el retorcido se situa en un asf denominado angulo de soplado nulo, es decir, que la punta misma no ofrece una contribucion a la sustentacion. Una configuracion tfpica de una punta o de un disco final de punta correspondiente se conoce por el libre ya mencionado de Erich Hau, pagina 126 (imagen 535).
25
Segun la doctrina general se calculan las cargas dimensionantes de una pala de rotor como producto del cuadrado de la velocidad del viento, la superficie de pala de rotor y el coeficiente de sustentacion. Expresado como formula sena la
30 Carga dimensionantes = v2 x A x ca,
en el que con la superficie de rotor A se considera la superficie que cubre (barre) el rotor.
Esto contemplando los libros de texto es muy somero y no siempre se corresponde con la realidad. La mayor carga 35 de una pala de rotor no actua sobre ella durante el funcionamiento normal, sino que luego cuando una asf denominada rafaga de 50 anos “pilla” la pala de rotor desde el lado. En este caso la rafaga solicita asimismo toda la superficie de la pala de rotor. En este caso se puede reconocer igualmente que el coeficiente de sustentacion ca no desempena un papel, en consideracion aqm vendna mas bien el coeficiente de resistencia cw. Pero este es siempre constante para esta superficie de pala de rotor mas o menos plana, ya que cuando el viento incide sobre una pala 40 luego incide justamente sobre una tabla. Esta situacion, a saber la afluencia completamente lateral, es la situacion mas desfavorable en la que se origina la mayor carga para la que debe estar dimensionada la pala de rotor, justamente una carga dimensionante.
De lo anterior se puede reconocer que en el caso de un coeficiente de resistencia constante solo y unicamente es 45 decisiva la superficie de la pala de rotor. Esto tambien es el motivo para la realizacion mas esbelta posible de las palas de rotor.
Pero tambien se conoce que la potencia de una instalacion de energfa eolica depende de forma decisiva de la longitud de las palas de rotor. Por ello se deben preferir palas largas esbeltas a palas anchas cortas hasta ahora. Sin 50 embargo, no se debe pasar por alto que esta consideracion no es valida para la zona interior de pala (mainboard), dado que aqm la situacion es basicamente otra.
Finalmente la velocidad relativa de la pala de rotor respecto al flujo que fluye alrededor en la zona de la rafz de pala es el menor y aumenta continuamente hacia la punta de pala. Por ello la forma de pala de rotor aqm descrita con la 55 zona exterior esbelta y la finezaoptimizada es una solucion especialmente ventajosa.

Claims (2)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Pala de rotor de una instalacion de ene^a eolica con una punta o un disco final de punta que se destaca como a la manera de un dispositivo de punta alar (winglet) del plano de pala de rotor,
    5 caracterizada porque este disco final esta girado en su plano central en aproximadamente 4° a 8°, preferiblemente 4° a 6°, en particular en aproximadamente 5° alrededor del eje de ensartado.
  2. 2. Instalacion de energfa con un rotor con palas de rotor segun la reivindicacion 1.
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