ES2704629T3 - Pala de turbina eólica - Google Patents

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ES2704629T3 ES12787440T ES12787440T ES2704629T3 ES 2704629 T3 ES2704629 T3 ES 2704629T3 ES 12787440 T ES12787440 T ES 12787440T ES 12787440 T ES12787440 T ES 12787440T ES 2704629 T3 ES2704629 T3 ES 2704629T3
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Abstract

Una pala de turbina eólica para un rotor de una turbina eólica que tiene un árbol de rotor sustancialmente horizontal, el rotor comprende un cubo, desde el cual la pala de turbina eólica se extiende sustancialmente en una dirección radial cuando está montada en el cubo, la pala de turbina eólica se extiende en una dirección longitudinal paralela a un eje longitudinal y que tiene un extremo de punta y un extremo de raíz, comprendiendo además la pala de turbina eólica un contorno perfilado que incluye un lado de presión y un lado de succión, así como un borde de ataque y un borde de salida con una cuerda que tiene una longitud de cuerda que se extiende entre ellos, el contorno perfilado, cuando es impactado por un flujo de aire incidente, genera un levantamiento, en el que la pala de la turbina eólica comprende además al menos una primera serie de elementos de modulación de flujo proyectado provistos en el borde de salida del contorno, dichos elementos de modulación de flujo que se proyectan en una dirección sustancialmente alejada del borde anterior del contorno, dichos elementos son operables para reducir el ruido generado por el funcionamiento de la pala por la modulación del flujo de aire en el borde de salida del contorno, caracterizado porque la pala de la turbina eólica comprende además al menos un dispositivo de inyección de fluido, el dispositivo de inyección de fluido operable para inyectar fluido en el flujo de aire sobre el contorno de la pala para reducir la cinética turbulenta la energía del flujo de aire en el borde de salida del contorno perfilado, para reducir aún más el ruido generado por el funcionamiento de la pala, en el que el dispositivo de inyección de fluido comprende una boquilla operable para inyectar fluido en forma de rocío o gotitas en el flujo de aire sobre el contorno de la pala.

Description

DESCRIPCIÓN
Pala de turbina eólica
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una pala de turbina eólica que tiene características de reducción de ruido.
Antecedentes de la invención
Una de las principales consideraciones en el diseño y funcionamiento de las turbinas eólicas es el nivel de ruido producido durante el funcionamiento de la turbina eólica. Particularmente en el caso de turbinas eólicas en tierra que pueden estar ubicados cerca de áreas habitadas, el ruido de las turbinas eólicas puede ser un factor limitante durante el proceso de permiso de planificación cuando se consideran posibles ubicaciones de aerogeneradores. De acuerdo con lo anterior, es interesante proporcionar diseños de turbina eólica que tengan una salida de ruido reducida durante la operación.
Una gran parte del ruido producido durante el funcionamiento de la turbina eólica se debe a la turbulencia que se forma en el borde de salida de una pala de turbina eólica, ya que el flujo de aire del lado de succión relativamente más rápido se encuentra con el flujo de aire del lado de presión relativamente más lento. El nivel relativamente alto de energía cinética turbulenta en los flujos de aire combinados da como resultado una dispersión turbulenta del flujo de aire en el borde de salida, lo que produce un ruido de dispersión.
Se sabe que proporcionar estrías o cerdas fijas en el borde de salida de una pala de turbina eólica para interrumpir el flujo de aire del borde de salida, amortigua o reduce así la turbulencia que se forma en el borde de salida y, de acuerdo con lo anterior, los niveles de ruido asociados. En la Publicación de Patente de EE. UU. US 2011/0142666 A1 se pueden ver ejemplos de estrías de borde de salida. Se pueden ver ejemplos de cerdas de borde de salida en la publicación de patente de EE. UU. 2008/0166241 A1.
Otros ejemplos de palas con características de reducción de ruido se divulgan en los documentos EP 1674723 A2 y WO 2009/025549 A1.
Sin embargo, tales características de reducción de ruido no proporcionan una eliminación completa del ruido del borde de salida durante el funcionamiento de la pala.
Un objeto de la invención es proporcionar una pala de turbina eólica que tenga características de reducción de ruido mejoradas con respecto a los diseños de pala conocidos.
Resumen de la invención
De acuerdo con lo anterior, se proporciona una pala de turbina eólica para un rotor de una turbina eólica que tiene un árbol de rotor sustancialmente horizontal, el rotor comprende un cubo, desde el cual la pala de turbina eólica se extiende sustancialmente en una dirección radial cuando está montada en el cubo, la pala de la turbina eólica se extiende en una dirección longitudinal paralela a un eje longitudinal y tiene un extremo de punta y un extremo de raíz,
la pala de la turbina eólica comprende un contorno perfilado que incluye un lado de presión y un lado de succión, así como un borde de ataque y un trasero borde con una cuerda que tiene una longitud de cuerda que se extiende entre ellos, el contorno perfilado, cuando se ve afectado por un flujo de aire incidente, genera una elevación,
en el que la pala de la turbina eólica comprende además al menos una primera serie de elementos de modulación de flujo proyectado provistos en el borde de salida del contorno, dichos elementos de modulación de flujo de proyección en una dirección sustancialmente alejada del borde de ataque del contorno, dichos elementos operables reducen la generación de ruido mediante el funcionamiento de la pala se realiza mediante la modulación del flujo de aire en el borde de salida del contorno,
en el que la pala de la turbina eólica comprende además al menos un dispositivo de inyección de fluido, el dispositivo de inyección de fluido funciona para inyectar fluido en el flujo de aire sobre el contorno de la pala para reducir la energía cinética turbulenta del flujo de aire en el borde de salida del contorno perfilado, reducen aún más el ruido generado por el funcionamiento de la pala, en donde el dispositivo de inyección de fluido comprende una boquilla operable para inyectar fluido en forma de rocío o gotitas en el flujo de aire sobre la pala.
Los elementos de modulación de proyección actúan para proporcionar un mecanismo de liberación de presión entre los lados de succión y presión del perfil aerodinámico, para reducir el efecto de dispersión del flujo de aire turbulento en el borde de salida. La inyección de fluido actúa para amortiguar la energía cinética del flujo de aire turbulento sobre el contorno. La invención también puede reducir el ruido del borde de salida para los bordes de salida romos del contorno. Cuando el efecto de modulación de ruido de los elementos de modulación de proyección se combina con el efecto de amortiguación de energía de la inyección de fluido, el efecto sinérgico de las dos funciones de reducción de ruido separadas que trabajan en tándem actúa para proporcionar una reducción considerable del ruido producido durante la operación de dicha pala de turbina eólica en un flujo de aire incidente. El al menos un dispositivo de inyección de fluido se proporciona preferiblemente en una ubicación en o adyacente al borde de salida del contorno perfilado de la pala.
Preferiblemente, dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido está provisto en dicho contorno de pala perfilada entre el 90 y el 100% de la distancia de la cuerda desde el borde de ataque de la pala.
El dispositivo de inyección de fluido puede estar ubicado en el propio borde de salida, o puede estar ubicado en el perfil del perfil aerodinámico justo antes del borde de salida.
Preferiblemente, el fluido se selecciona para tener una viscosidad más alta que el flujo de aire incidente.
La mezcla de un fluido de viscosidad relativamente alta con el flujo de aire de viscosidad relativamente baja alrededor de la pala actúa para amortiguar de manera eficiente la energía turbulenta presente en el flujo de aire incidente, reduciendo así el nivel de ruido generado por el efecto de dispersión del flujo de aire en el borde de salida de la pala. Preferiblemente, el fluido es agua. El fluido puede comprender alternativamente un aerosol adecuado.
Un aerosol es una suspensión de partículas sólidas finas o partículas líquidas en gas. En una realización, el aerosol puede comprender partículas de agua mezcladas con un gas. En una realización alternativa, el aerosol puede comprender partículas de polvo de tamaño micro en un gas. En una realización, el aerosol puede comprender sal marina mezclada con gas.
Al inyectar el fluido como una pulverización, se producirá una mezcla más rápida del flujo de aire y el fluido, actuando para absorber rápidamente la energía cinética turbulenta del flujo de aire y, por lo tanto, proporcionar una reducción rápida del ruido del borde de salida de la pala.
La inyección del fluido como un chorro de gotitas proporciona una mayor absorción de energía cinética turbulenta del flujo de aire, pero que se equilibra con un tiempo de absorción de energía cinética relativamente más largo.
Preferiblemente, dicha al menos una primera serie de elementos de modulación de flujo sobresaliente se extiende en una dirección longitudinal a lo largo de al menos una parte de la longitud de la pala de turbina eólica entre dicho extremo de la raíz y dicho extremo de la punta.
La serie se proporciona sustancialmente en el borde de salida de la pala, a lo largo de una parte de la longitud de la pala. Preferiblemente, la serie se proporciona al menos hacia el extremo distal de la pala, hacia el extremo de la punta de la pala. Preferiblemente, la serie se proporciona al menos sustancialmente en la región del 60-90% de la longitud de la pala desde el extremo de la raíz de la pala.
Como la mayoría de la generación de ruido de una pala de turbina eólica se produce hacia la sección exterior de la pala, debido a las velocidades del viento relativamente altas en efecto en las secciones exteriores de la pala, las características de reducción de ruido funcionan más eficazmente cuando se ubican en estas regiones.
Preferiblemente, dichos elementos sobresalientes comprenden estrías.
El uso de estrías en el borde de salida de una pala proporciona una modulación de los espectros de ruido generados en el borde de salida. Las estrías actúan para proporcionar un mecanismo de liberación de presión entre la presión y los flujos de aire del lado de succión sobre la pala, reduciendo el ruido de dispersión asociado con el flujo de aire del borde de salida.
Adicionalmente o alternativamente, dichos elementos de proyección comprenden cerdas.
El uso de cerdas flexibles en el borde de salida actúa para amortiguar el flujo de aire turbulento en el borde de salida, convirtiendo la energía cinética del flujo de aire en energía mecánica (doblada) en las cerdas.
Dichas cerdas pueden proporcionarse como una serie de cerdas que se extienden a lo largo de al menos una parte del borde de salida de la pala a lo largo de la longitud longitudinal de dicha pala. Alternativamente, dichas cerdas pueden proporcionarse como una pluralidad de grupos de cerdas que se proyectan desde el borde de salida, dichos grupos de cerdas separados a lo largo de la longitud longitudinal de dicha pala.
En una realización, dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido está provisto en dicho borde de salida entre elementos salientes adyacentes.
Al ubicar el dispositivo de inyección de fluido entre los elementos que sobresalen, se puede lograr una combinación efectiva de las dos características de reducción de ruido, proporcionando una reducción eficiente e inmediata en el ruido del borde de salida de la pala de la turbina eólica.
En el caso de estrías en el borde de salida, el ruido de dispersión se genera normalmente debido al flujo de aire sobre los bordes laterales de las estrías. De acuerdo con lo anterior, cuando la inyección de fluido se ubica entre estrías adyacentes, el fluido inyectado impactará de inmediato en el flujo de aire en los bordes laterales de las estrías. Por lo tanto, el ruido de dispersión producido en los bordes de las estrías en sí se reducirá de manera eficiente debido a la inyección de fluido entre las estrías adyacentes.
Del mismo modo, en el caso de una serie de agrupaciones de cerdas provistas en el borde de salida, la inyección de fluido se ubica entre las agrupaciones adyacentes de cerdas para amortiguar de manera eficiente cualquier ruido producido en el área entre las agrupaciones.
Adicionalmente o alternativamente, se proporciona al menos un dispositivo de inyección de fluido adyacente a dicho borde de salida, para inyectar fluido en el flujo de aire alrededor del contorno perfilado en una ubicación hacia arriba de dicho borde de salida.
Al inyectar fluido en el flujo de aire incidente en una ubicación hacia arriba del borde de salida, el dispositivo de inyección de fluido es operable para amortiguar o absorber suficientemente la energía cinética turbulenta del flujo de aire antes de que alcance el borde de salida, reduciendo así el nivel de turbulencia. y la dispersión que se produce en el borde de salida, así como los niveles de ruido asociados.
Preferiblemente, dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido está posicionado en una ubicación separada del borde de salida, aproximadamente 5-10% de la longitud de la cuerda desde dicho borde de salida.
En una realización alternativa, dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido está posicionado en una ubicación separada del borde de salida, aproximadamente el 2-5% de la longitud de la cuerda desde dicho borde de salida.
En este caso, la longitud de la cuerda se calcula en ese punto a lo largo de la pala en la que se encuentra al menos un dispositivo de inyección de fluido.
Preferiblemente, dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido es operable para inyectar fluido en el flujo de aire en un ángulo de aproximadamente 145-170 grados con respecto a la cuerda del contorno perfilado de la pala, tomada desde el borde de ataque de la pala.
Al inyectar el fluido en una dirección sustancialmente hacia abajo, pero en un ángulo con respecto al borde de salida de la pala, la inyección de fluido proporciona un buen equilibrio entre la amortiguación efectiva de la energía cinética turbulenta del flujo de aire incidente, al tiempo que proporciona un impacto insignificante en la potencia producida por el funcionamiento de la pala.
En una realización, dicho contorno perfilado comprende un borde de salida sustancialmente romo, en el que dicha al menos una primera serie de elementos de modulación de flujo sobresaliente se proporciona en el lado de presión de dicho borde de salida romo, y en la que dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido se proporciona en el lado de succión de dicho borde de salida romo.
En una pala que tiene un borde de salida romo o truncado, hay una superficie de borde de salida definida entre el lado de presión y el lado de succión de la pala en el borde de salida de la pala. En tales casos, pueden proporcionarse estrías o cerdas en el lado de presión de la superficie del borde de salida, de modo que los elementos que sobresalen no causen ningún cambio en las características aerodinámicas en el lado de succión (lo que puede afectar el nivel de potencia producido durante el funcionamiento de la pala). De acuerdo con lo anterior, proporcionar la inyección de fluido en el lado de succión de la superficie del borde de salida actúa para reducir el ruido del borde de salida en el lado de succión, sin afectar sustancialmente la aerodinámica del lado de succión (y el nivel de potencia generado asociado). Además, el uso de las dos características reductoras de ruido proporciona una reducción compuesta en el ruido general del borde de salida debido a la combinación del flujo modulado de la acción de las sierras/cerdas y la inyección de fluido.
En una realización preferida, dicha al menos una primera serie de elementos de proyección se puede mover con relación al borde de salida de la pala.
Una serie móvil de elementos de proyección permite el ajuste de la modulación de ruido realizada en el borde de salida de la pala. Preferiblemente, la serie se puede mover de forma translacional con respecto al borde de salida, pero se entenderá que cualquier característica de la serie puede ser ajustable, por ejemplo. La posición, longitud, dimensiones, etc. de las proyecciones se pueden variar para proporcionar una modulación variable de los espectros de ruido en el borde de salida de la pala.
En una realización preferida adicional, dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido es móvil para proporcionar una dirección de inyección de fluido ajustable.
Al mover el dispositivo de inyección de fluido, el posicionamiento y/o la dirección de la inyección de fluido pueden ajustarse para proporcionar un amortiguamiento adaptativo o absorción de energía cinética turbulenta sobre el contorno perfilado de la pala.
Preferiblemente, el ángulo de inyección de fluido es variable desde una dirección sustancialmente descendente a una dirección sustancialmente ascendente.
Dependiendo de las condiciones de operación, la inyección de fluido puede alinearse en una dirección sustancialmente hacia abajo (lo que proporciona una adecuada amortiguación o absorción de energía cinética en el flujo de aire sin impactar sustancialmente en las características de elevación aerodinámica de la pala), o en una dirección sustancialmente hacia arriba (lo que proporciona un aumento relativamente elevado de la amortiguación o absorción de energía cinética en el flujo de aire, mientras que posiblemente impacta negativamente en la elevación de la pala).
En una realización, la pala comprende un sistema de comunicación de fluido operable para transportar un fluido desde un depósito de fluido a dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido.
Una cantidad de fluido puede almacenarse en un depósito provisto en la pala, o la pala puede tener un sistema de tubo interno que puede recibir una cantidad de fluido de una fuente externa para inyección en el borde de salida. La fuente externa puede ser de, por ejemplo, un sistema de suministro de agua local, o del agua de mar circundante en el caso de una turbina fuera de la costa.
En una realización, el sistema de comunicación de fluido comprende al menos una bomba.
La pala puede utilizar un mecanismo de bombeo para asegurar que se proporcione el volumen correcto de fluido al dispositivo de inyección de fluido.
En una realización, el sistema de comunicación de fluido comprende al menos una válvula operable para regular el flujo de fluido a dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido.
La velocidad de inyección del fluido puede controlarse en función de las condiciones de funcionamiento de la turbina. Por ejemplo, la pala se puede acoplar con sensores de ruido operables para detectar el nivel de ruido acústico producido por la pala durante el funcionamiento, en el que la velocidad de inyección varía de acuerdo con el ruido de salida de la pala, para minimizar el ruido producido por la pala.
Se proporciona además una turbina eólica que tiene al menos una pala de turbina eólica como se describió anteriormente.
También se proporciona una pala de turbina eólica para un rotor de una turbina eólica que tiene un árbol de rotor sustancialmente horizontal, el rotor comprende un cubo, desde el cual la pala de turbina eólica se extiende sustancialmente en una dirección radial cuando se monta en el cubo, la pala de la turbina eólica que se extiende en una dirección longitudinal paralela a un eje longitudinal y que tiene un extremo de punta y un extremo de la raíz,
la pala de la turbina eólica comprende un contorno perfilado que incluye un lado de presión y un lado de succión, así como un borde de ataque y un borde de salida con una cuerda que tiene una longitud de cuerda que se extiende entre ellos, el contorno perfilado, cuando se es impactado por un flujo de aire incidente, genera una elevación,
en el que la pala de la turbina eólica comprende además al menos un dispositivo de inyección de fluido provisto hacia dicho borde de salida, el dispositivo de inyección de fluido operable inyectar fluido en el flujo de aire sobre el contorno de la pala para reducir la energía cinética turbulenta del flujo de aire, para reducir el ruido de dispersión generado en el remolque borde del contorno perfilado mediante el funcionamiento de la pala, en el que el al menos un dispositivo de inyección de fluido funciona para inyectar fluido en una dirección hacia arriba, sustancialmente en la dirección del borde de ataque del contorno perfilado, en una dirección alejada del borde de salida.
Al inyectar el fluido en sentido ascendente, es decir, en una dirección sustancialmente en el flujo de aire incidente que se aproxima, se produce una reducción considerable del ruido operacional de la pala, debido a la absorción relativamente grande de energía cinética turbulenta del flujo de aire alrededor de la pala.
Preferiblemente, dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido se puede ajustar de manera que el ángulo de inyección de fluido sea variable desde dicha dirección sustancialmente hacia arriba hacia una dirección sustancialmente hacia abajo, hacia el borde de salida del contorno perfilado, sustancialmente alejado del borde de ataque.
Al variar la dirección de inyección, las características de ruido de la pala pueden ajustarse desde una dirección hacia arriba, lo que proporciona un alto nivel de reducción de ruido, pero puede afectar las características aerodinámicas de elevación de la pala, a una dirección hacia abajo, que proporciona reducción de ruido adecuada, mientras que repercute de manera insignificante en las características aerodinámicas de la pala.
En una realización, dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido es ajustable de modo que la dirección de inyección de fluido se puede variar desde una posición para inyectar fluido en el flujo de aire sobre el contorno perfilado de la pala a una posición para aplicar fluido sobre una superficie perfilada de contorno de la pala.
Al tener un dispositivo móvil de inyección de fluido, el fluido se puede aplicar directamente a la superficie de la pala. Al aplicar un fluido a la superficie de la pala, esto proporciona una reducción en las características de arrastre de la pala, al reducir la fricción de la piel de la superficie de la pala.
En una realización adicional, la pala de la turbina eólica comprende además al menos una primera serie de elementos de modulación de flujo proyectado provistos en el borde de salida del contorno, proyectándose dichos elementos de modulación de flujo en una dirección sustancialmente alejada del borde de ataque del contorno, dichos elementos funcionan para reducir el ruido generado por el funcionamiento de la pala, por la modulación del flujo de aire en el borde de salida del contorno.
La configuración de la pala funciona para reducir el ruido operativo de la pala, en particular el ruido de dispersión del borde de salida. También se puede reducir el ruido del borde de salida romo.
Preferiblemente, la pala es operable para controlar la velocidad de inyección de fluido por al menos un dispositivo de inyección de fluido.
La pala puede comprender al menos una válvula acoplada comunicativamente a dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido, para regular la velocidad de flujo de fluido a al menos un dispositivo de inyección de fluido. Al ajustar la velocidad o el volumen de fluido inyectado en el flujo de aire, las características de reducción de ruido de la pala pueden variar, debido a la variación en los niveles de energía cinética turbulenta absorbida por la inyección de fluido.
En una realización, el dispositivo de inyección de fluido comprende una boquilla operable para inyectar fluido en forma de un aerosol en el flujo de aire sobre la pala.
Al inyectar el fluido como una pulverización, se producirá una mezcla más rápida del flujo de aire y el fluido, actuando para absorber rápidamente la energía cinética turbulenta del flujo de aire y, por lo tanto, proporcionar una reducción rápida del ruido del borde de salida de la pala.
Preferiblemente, la boquilla es operable para inyectar fluido en forma de una pulverización que tiene un ángulo de desviación de la pulverización desde dicha boquilla a lo largo de la dirección longitudinal de la pala. Preferiblemente, dicho ángulo de desviación de la pulverización es aproximadamente entre /- 45 grados a la dirección de pulverización nominal de la boquilla. En este caso, la dirección de pulverización nominal puede entenderse como la dirección general en la que apunta la boquilla de pulverización, por ejemplo, a lo largo de la dirección de la cuerda de la pala en la ubicación de la boquilla, en la dirección general del borde de salida de la pala.
De manera adicional o alternativa, el dispositivo de inyección de fluido comprende una boquilla operable para inyectar fluido en forma de gotitas en el flujo de aire sobre la pala.
La inyección del fluido como un chorro de gotitas puede proporcionar una mayor absorción de la energía cinética turbulenta del flujo de aire.
Preferiblemente, el fluido se selecciona para tener una viscosidad más alta que el flujo de aire incidente.
La mezcla de un fluido de viscosidad relativamente alta con el flujo de aire de viscosidad relativamente baja alrededor de la pala actúa para amortiguar eficientemente la energía turbulenta presente en el flujo de aire incidente, reduciendo así el nivel de ruido generado por el efecto de dispersión del flujo de aire en el borde de salida de la pala.
Preferiblemente, el fluido es agua. El fluido puede comprender alternativamente un aerosol adecuado.
Por una dirección ascendente, se entiende que el fluido se inyecta en una dirección sustancialmente hacia el borde de ataque de la pala, sustancialmente lejos del borde de salida, es decir, en una dirección sustancialmente opuesta a la dirección del flujo de aire incidente en la pala. Por una dirección descendente, se entiende que el fluido se inyecta en una dirección sustancialmente hacia el borde de salida de la pala, sustancialmente alejado del borde de ataque, es decir, en una dirección sustancialmente en línea con la dirección del flujo de aire incidente en la pala.
Como el ruido producido durante el funcionamiento de la turbina eólica, en relación con un observador que está parado en el suelo, es más alto cuando la pala de la turbina eólica está en la trayectoria descendente del ciclo de rotación, la inyección hacia arriba proporciona el mayor beneficio en términos de reducción de ruido durante esta etapa de rotación, debido a los niveles potencialmente más altos de reducción de ruido que se pueden lograr, en relación con el observador en tierra. Como las características de generación de elevación de la pala son menos cruciales durante la trayectoria descendente de la pala, cualquier impacto que la inyección hacia arriba haga en la fuerza de elevación de la pala es menos preocupante durante esta etapa del ciclo de rotación. A la inversa, la inyección descendente se selecciona para la trayectoria ascendente del ciclo de rotación, para proporcionar cierta reducción de ruido, al tiempo que garantiza un impacto mínimo en las características de la pala que generan la elevación.
Se entenderá que la inyección de fluido hacia arriba puede ocurrir solo para una parte de la trayectoria descendente del ciclo de rotación, por ejemplo, cuando la pala se desplaza hacia abajo, entre 30 y 120 grados con respecto al eje vertical de la turbina eólica.
También se proporciona una turbina eólica que tiene al menos una pala de turbina eólica como se describió anteriormente.
Descripción de la invención
Las realizaciones de la invención se describirán ahora, solo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 muestra una turbina eólica;
La figura 2 muestra una vista esquemática de una pala de turbina eólica de acuerdo con la invención;
La figura 3 muestra una vista esquemática de un perfil aerodinámico de la pala de la figura 2;
La figura 4 muestra una vista en perspectiva en sección transversal de una parte de la pala de la figura 2;
La figura 5 muestra una vista en sección transversal ampliada del borde de salida de una pala de acuerdo con una primera realización de la invención;
La figura 6 muestra una vista en sección transversal ampliada del borde de salida de una pala de acuerdo con una segunda realización de la invención;
La figura 7 muestra una vista en perspectiva ampliada del borde de salida de una pala de acuerdo con una tercera realización de la invención;
La figura 8 muestra una gráfica de muestra del ruido de salida de un perfil aerodinámico de una pala de turbina eólica durante la operación para dos niveles diferentes de energía cinética turbulenta de flujo de aire;
La figura 9 muestra una distribución de muestra del ruido de salida de una pala de turbina eólica contra la trayectoria de rotación de la pala de turbina eólica; y
La figura 10 muestra un par de vistas en sección transversal aumentadas del borde de salida de una pala de acuerdo con un aspecto adicional de la invención.
Se hará referencia a los elementos comunes entre las diferentes realizaciones usando los mismos números de referencia.
La figura 1 ilustra una turbina eólica moderno contra el viento convencional de acuerdo con el llamado “concepto danés” con una torre 4, una góndola 6 y un rotor con un árbol del rotor sustancialmente horizontal. El rotor incluye un cubo 8 y tres palas 10 que se extienden radialmente desde el cubo 8, cada una con una raíz 16 de pala más cercana al cubo y una punta 14 de pala más alejada del cubo 8. El rotor tiene un radio denotado R.
La figura 2 muestra una vista esquemática de una primera realización de una pala de turbina 10 eólica de acuerdo con una realización de la invención. La pala de turbina 10 eólica tiene la forma de una pala de turbina eólica convencional y comprende una región 30 de raíz más cercana al cubo, una región 34 de perfil aerodinámico o perfilada más alejada del cubo y una región 32 de transición entre la región 30 de raíz y región 34 de perfil aerodinámico. La pala 10 comprende un borde 18 de ataque orientado en la dirección de rotación de la pala 10, cuando la pala está montada en el cubo, y un borde 20 de salida orientado en la dirección opuesta al borde 18 de ataque.
La región 34 aerodinámica (también llamada región perfilada) tiene una forma de pala ideal o casi ideal con respecto a la generación de sustentación, mientras que la región 30 de raíz debido a consideraciones estructurales tiene una sección transversal sustancialmente circular o elíptica, que por ejemplo hace que sea más fácil y seguro montar la pala 10 en el cubo. El diámetro (o la cuerda) de la región 30 de raíz suele ser constante a lo largo de toda el área de la raíz 30. La región 32 de transición tiene un perfil 42 de transición que cambia gradualmente de la forma circular o elíptica 40 de la región 30 de raíz al perfil 50 del perfil aerodinámico de la región 34 del perfil aerodinámico. La longitud de la cuerda de la región 32 de transición típicamente aumenta sustancialmente linealmente al aumentar la distancia r desde el centro.
La región 34 aerodinámica tiene un perfil 50 del perfil aerodinámico con una cuerda que se extiende entre el borde 18 de ataque y el borde 20 de salida de la pala 10. El ancho de la cuerda disminuye a medida que aumenta la distancia r desde el cubo.
Se debe tener en cuenta que las cuerdas de diferentes secciones de la pala normalmente no se encuentran en un plano común, ya que la pala puede estar torcida y/o curvada (es decir, doblada previamente), lo que proporciona al plano de cuerda un correspondiente curso retorcido y/o curvado, siendo este el caso más frecuente para compensar la velocidad local de la pala que depende del radio desde el cubo.
La figura 3 muestra una vista esquemática de un perfil de perfil 50 del perfil aerodinámico de una pala típica de una turbina eólica representada con los diversos parámetros, que se usan típicamente para definir la forma geométrica de un perfil aerodinámico. El perfil 50 del perfil aerodinámico tiene un lado 52 de presión y un lado 54 de succión, que, durante el uso, es decir, durante la rotación del rotor, normalmente orientados hacia el lado de barlovento (o contra el viento) y el lado de sotavento (o contra el viento), respectivamente. El perfil 50 del perfil aerodinámico tiene una cuerda 60 con una longitud de cuerda c que se extiende entre un borde 56 de ataque y un borde 58 de salida de la pala. El perfil 50 del perfil aerodinámico tiene un grosor t, que se define como la distancia entre el lado 52 de presión y el lado 54 de succión. El grosor t del perfil aerodinámico varía a lo largo de la cuerda 60. La desviación de un perfil simétrico viene dada por una línea 62 de comba, que es una línea media a través del perfil 50 aerodinámico. La línea media se puede encontrar dibujando círculos inscritos desde el borde 56 de ataque hasta el borde 58 de salida. La línea media sigue los centros de estos círculos inscritos y la desviación o distancia desde la cuerda 60 se llama la comba f. La asimetría también se puede definir mediante el uso de parámetros llamados la comba superior y la comba inferior, que se definen como las distancias desde la cuerda 60 y el lado 54 de succión y el lado 52 de presión, respectivamente.
Los perfiles del perfil aerodinámico a menudo se caracterizan por los siguientes parámetros: la longitud de la cuerda c, la comba máxima f, la posición df de la curvatura máxima f, el grosor máximo del perfil aerodinámico t, que es el mayor diámetro de los círculos inscritos a lo largo de la mediana la línea 62 de comba, la posición dt del grosor máximo t, y un radio de punta (no mostrado). Estos parámetros se definen típicamente como relaciones a la longitud de la cuerda c.
Con referencia a la figura 4, se muestra una vista ampliada de una parte de la pala de turbina 10 eólica de la figura 2, con referencia a los elementos del perfil 50 del perfil aerodinámico mostrado en la figura 3. La pala 10 además comprende una serie 70 de modulación de flujo provista en el borde 58 de salida de la pala 10. La serie 70 comprende una placa 72 base que se extiende a lo largo de una parte del borde 58 de salida de la pala y una pluralidad de estrías 74 que sobresalen de la placa 72 base. Las estrías 74 se proyectan sustancialmente en una dirección alejada del borde 56 de ataque de la pala 10, sustancialmente en línea con la dirección del flujo medio en el borde 58 de salida de la pala 10.
Las estrías 74 actúan como elementos de modulación de flujo, para modular el flujo de aire de una capa límite en el borde de salida de la pala de turbina eólica, para mitigar, cambiar de frecuencia o eliminar el ruido de dispersión generado en el borde 58 de salida de la pala 10 de turbina eólica.
De manera adicional o alternativa, las estrías 74 también pueden tener tendencias de reducción de ruido para el ruido de borde de ataque contundente. El ruido de borde de salida cerrado se genera debido al espesor finito del borde de salida (indicado en 58 en la figura 10(a)), que básicamente genera tipos de modulación de vórtice Von-Karman detrás del borde de salida. La presencia de estrías puede afectar estas modulaciones ya que, en ausencia de estas, los patrones de vórtices detrás del borde de salida se deben principalmente a la diferencia en la presión del lado de succión y presión.
La serie 70 está dispuesta sobre al menos una parte del borde 58 de salida de la pala 50, preferiblemente en o alrededor de la sección de la pala 10 a lo largo del 40-98% de la longitud exterior de la pala 10 desde el extremo 16 de raíz de la pala 10. En un rango alternativo, la serie se proporciona a lo largo del 60-95% de la longitud de la pala.
La pala 10 comprende además una pluralidad de dispositivos 80 de inyección de fluido provistos en el borde 58 de salida en el lado 54 de succión de la pala 10. Estos dispositivos 80, en forma de, por ejemplo. Las boquillas de líquido, boquillas de rociado, boquillas, son operables para inyectar un fluido en el flujo de aire sobre la pala de la turbina eólica. La inyección de fluido en el flujo de aire sobre la pala 10 actúa para absorber parte de la energía cinética turbulenta presente en el flujo de aire, amortiguando efectivamente el efecto de turbulencia que se ve en el borde 58 de salida de la pala. Al absorber parte de la energía del flujo de aire, el nivel de dispersión que se produce en el borde 58 de salida serrado se reduce aún más, por lo tanto, el ruido del borde de salida se reduce significativamente durante el funcionamiento de la pala, en particular el ruido de dispersión del borde de salida.
Con referencia a la figura 5, se ilustra una vista en sección transversal ampliada de un borde de salida de pala de acuerdo con una realización de la invención. En la figura 5, las estrías 74 se proyectan desde el borde 58 de salida de la pala, desde una sección 72 de placa base de la serie 70 estriada unida al cuerpo de la pala en el lado 52 de presión del borde 58 de salida. Se proporcionan los dispositivos 80 de inyección de fluido en el lado 54 de succión del borde 58 de salida, e inyecta fluido en el flujo de aire incidente sobre la pala 10 en el borde 58 de salida, como lo indican las flechas 82. El uso de los dispositivos 80 de inyección de fluido actúa para reducir la energía cinética turbulenta en el flujo de aire sobre la pala 10 y, por lo tanto, mejora la efectividad de la sección 70 con estrías de la pala 10 para reducir el ruido en el borde 58 de salida de la pala.
Se entenderá que, aunque el dispositivo 80 de inyección de fluido de la figura 5 está provisto en el borde 58 de salida de la pala 10, el dispositivo puede proporcionarse alternativamente en la superficie de la pala 10, separada a una distancia del borde 58 de salida. Una ventaja de la disposición separada es que la inyección de fluido se produce hacia arriba del borde de salida, y, por lo tanto, tiene más tiempo para reducir la energía cinética turbulenta del flujo de aire antes de que el flujo de aire alcance el borde de salida aserrado. De acuerdo con lo anterior, se maximiza el rendimiento de reducción de ruido tanto de los dispositivos 80 de inyección de fluido como de las estrías 74.
En una realización, el dispositivo 80 de inyección de fluido se coloca en una ubicación separada del borde de salida equivalente a aproximadamente el 5-10% de la longitud de la cuerda (es decir, la longitud de la cuerda en esa posición a lo largo de la longitud longitudinal de la pala) desde dicho borde 58 de salida.
Se entenderá además que aunque el dispositivo 80 de inyección de fluido de la figura 5 está provisto en el lado 54 de succión de la pala 10, puede proporcionarse adicional o alternativamente en el lado 52 de presión de la pala 10.
Preferiblemente, dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido es operable para inyectar fluido en el flujo de aire en un ángulo de elevación de aproximadamente 10 grados a la superficie adyacente del perfil de la pala contorneada, y/o en un ángulo de elevación de aproximadamente 145-170 grados a la cuerda del contorno perfilado de la pala, tomada desde el borde de ataque de la pala. Adicional o alternativamente, el al menos un dispositivo de inyección de fluido es operable para inyectar fluido en el flujo de aire que tiene un ángulo de distribución de inyección medido a lo largo de la longitud longitudinal de la pala. Preferiblemente, tal ángulo de distribución de inyección está entre /- 45 grados con respecto a la dirección de inyección nominal (es decir, desde el dispositivo de inyección hacia la dirección del borde de salida), pero se pueden elegir diferentes ángulos de acuerdo con la distribución de los dispositivos de inyección adyacentes. Por ejemplo, los dispositivos de inyección que están dispuestos cerca pueden tener un ángulo de distribución de la inyección relativamente más pequeño, mientras que los dispositivos que tienen una distancia entre dispositivos relativamente mayor pueden tener un ángulo de distribución de la inyección relativamente mayor.
Con referencia a la figura 6, se ilustra una vista en sección transversal ampliada de un borde de salida de pala de acuerdo con una realización adicional de la invención. En la figura 6, la pala de la turbina eólica tiene un borde 58 de salida romo o truncado, que tiene una superficie de borde 58a de salida. En dicha pala 10, la serie 70 estriada está provista en el lado 52 de presión del borde de salida, para evitar cualquier impacto negativo en las características aerodinámicas en el lado 54 de succión de la pala, que afecta la potencia producida. Sin embargo, a medida que se genera ruido de dispersión desde ambos lados 52,54 del borde de salida de la pala, se proveen dispositivos 80 de inyección de fluido en el lado 54 de succión del borde 58 de salida. De acuerdo con lo anterior, la acción combinada de las estrías 74 en el lado de presión del borde de salida romo 58 y el dispositivo 80 de inyección de fluido en el lado 54 de succión del borde de salida romo 58 actúan para reducir de manera eficiente el ruido producido por cualquiera de los extremos de la superficie del borde 58a de salida, sin impactar negativamente en las características de elevación de la pala (y la producción de energía asociada).
Con referencia a la figura 7, se ilustra una vista en perspectiva ampliada de un borde de salida de pala de acuerdo con una realización adicional de la invención. En esta realización, los dispositivos 80 de inyección de fluido (solo uno de los cuales se ilustra en la sección que se muestra en la figura 7) se colocan entre estrías 74 adyacentes en el borde 58 de salida de la pala (en este caso, en la superficie del borde 58a de salida). El uso de estrías 74 en el borde 58 de salida de una pala 10 a veces introducirá ruido de alta frecuencia causado por la dispersión turbulenta en los bordes laterales de las propias estrías 74. Al ubicar los dispositivos 80 de inyección de fluido entre estrías 74 adyacentes, el fluido 82 inyectado por los dispositivos 80 se concentra en las áreas entre estrías 74 adyacentes. De acuerdo con lo anterior, las propiedades de reducción de ruido de los dispositivos 80 de inyección se enfocan en reducir el ruido de alta frecuencia producido como resultado del uso de las estrías 74, que proporcionan características mejoradas de reducción de ruido para la pala 10.
El efecto potencial de reducción de ruido de la inyección de fluido del borde de salida se puede ver con referencia a la figura 8. La figura 8 muestra una gráfica de los niveles de ruido detectados en el borde de salida de una pala de turbina eólica contra las frecuencias de ruido, para dos niveles diferentes de energía cinética turbulenta del flujo de aire sobre la pala. La gráfica está utilizando una formulación de espectro de presión de pared basada en el número de onda de frecuencia. El ruido se mide como niveles de presión de sonido (SPL). La unidad del SPL es el decibelio (dB).
La curva superior mostrada corresponde a un nivel de energía cinética turbulenta de línea de base Kt, mientras que la curva inferior muestra el resultado de una reducción de la energía cinética a Kt/2. De acuerdo con lo anterior, una vez que se reduce la energía cinética en el flujo de aire, los niveles de ruido disminuyen en todas las frecuencias de interés. Se puede observar que el uso de la inyección de fluido para reducir parcialmente la energía cinética turbulenta en el flujo de aire puede reducir los niveles de ruido detectados en aproximadamente 2-3 dB.
En un aspecto adicional de la invención, la pala de turbina eólica puede comprender dispositivos de inyección de fluido que son operables para inyectar fluido en una dirección ascendente, es decir, contra el flujo de aire que se aproxima, y/ o donde la dirección de inyección de fluido desde el dispositivo puede ser ajustable. Al inyectar fluido contra el flujo de aire incidente, se proporciona una absorción más eficiente de la energía cinética turbulenta del flujo de aire, lo que resulta en una reducción considerable del ruido de funcionamiento de la pala de la turbina eólica.
En una realización adicional de la invención, el dispositivo 80 de inyección de fluido puede ser ajustable, de modo que la dirección de la inyección de fluido se pueda controlar. En un primer aspecto, la dirección de la inyección de fluido puede ser variable desde una dirección sustancialmente hacia abajo (es decir, sustancialmente en línea con la dirección del flujo medio sobre el contorno perfilado de la pala 10), hasta una dirección hacia arriba (es decir, sustancialmente opuesta a la dirección flujo medio) sobre el contorno perfilado de la pala 10). Dicha variación de la dirección de inyección permite un mayor control de las características de reducción de ruido de la pala 10, que se puede equilibrar con los requisitos para el rendimiento aerodinámico de la pala 10.
Con referencia a la figura 9, se muestra una ilustración de los niveles de ruido detectados para una sola pala de turbina eólica durante el funcionamiento de una pala de turbina eólica estándar de tres palas. La figura que se muestra es de las mediciones realizadas por el Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR) de los Países Bajos. Los niveles de ruido se miden con respecto a un observador en tierra, y es un estándar IEC para medir el ruido y garantizar los límites de ruido. A medida que las palas del rotor de la turbina eólica giran en el sentido de las agujas del reloj, se puede observar que la mayor intensidad del ruido generado durante la operación de la turbina (con respecto a un observador en tierra) se produce cuando la pala de la turbina eólica está en el camino descendente de rotación, indicado generalmente en 100. A la inversa, se detectan niveles mínimos de ruido durante la parte ascendente de la trayectoria de rotación, indicado generalmente en 102.
La causa principal de los altos niveles de ruido que emanan durante el momento de la carrera descendente de la pala es la amplificación por convección junto con el enfoque de la fuente de ruido para el observador. Durante la trayectoria ascendente, esencialmente la fuente de ruido (con el borde de salida de la pala como la fuente principal) se aleja del observador, por lo que el ruido percibido es menor (el efecto Doppler).
Como las propiedades de elevación de la pala 10 tienen una importancia reducida durante la trayectoria descendente de la pala 10 en comparación con la trayectoria ascendente, de acuerdo con lo anterior, el tipo de inyección de fluido realizado puede controlarse para maximizar el rendimiento de las características de reducción de ruido de la pala.
Con referencia a las Figs. 10(a) y (b), se muestra una realización adicional de la invención con respecto a una vista en sección transversal ampliada del borde 58 de salida de la pala (en el ejemplo mostrado, el borde 58 de salida es parte de un perfil de pala truncado, que tiene una superficie 58a de borde de salida). En las Figs. 10(a) y (b), el dispositivo 80 de inyección de fluido mostrado comprende una boquilla de fluido orientable, que puede pivotar de manera ajustable con respecto a la superficie de la pala 10.
En la figura 10(a), el dispositivo 80 de inyección de fluido está posicionado de tal manera que la inyección 82 de fluido está en una dirección hacia abajo, sustancialmente en línea con el flujo de aire incidente sobre la pala 10, indicada por las flechas 90. De acuerdo con lo anterior, el fluido se inyecta en el flujo de aire 90 para reducir la energía cinética turbulenta del flujo de aire, y para proporcionar una reducción en el ruido de funcionamiento de la pala 10.
En la figura 10(b), el dispositivo 80 de inyección de fluido se gira de manera que la boquilla se aleje de la dirección general del borde de salida de la pala, y se coloque de tal manera que la inyección 84 de fluido esté hacia arriba, sustancialmente a diferencia del flujo de aire incidente sobre la pala 10, en este caso indicado por las flechas 92. De acuerdo con lo anterior, el fluido se inyecta en el flujo de aire 92 contra la dirección del flujo de aire, lo que puede resultar en un cambio en las características aerodinámicas de la pala 10, ya que el flujo de aire 92 cumple con la resistencia en forma de inyección 84 de fluido. Esta inyección hacia arriba del fluido 84 actúa para reducir significativamente la energía cinética turbulenta del flujo de aire 92, proporcionando una reducción significativa correspondiente en el ruido producido durante el funcionamiento de la pala 10, pero puede impactar negativamente en el rendimiento de elevación de la pala 10 (debido a las características aerodinámicas de la pala ajustada).
En una implementación preferida, el dispositivo 80 de inyección de fluido está acoplado comunicativamente con un controlador que es operable para regular la dirección de inyección del dispositivo 80. De acuerdo con lo anterior, la inyección de fluido puede variar entre una dirección de inyección sustancialmente hacia abajo y una dirección sustancialmente hacia arriba. Esta variación puede basarse en las condiciones de operación actuales de la turbina eólica, por ejemplo. un nivel de ruido detectado para la turbina, un nivel de ruido detectado para una pala, la velocidad del viento detectada en la turbina, una velocidad del viento predicha en la turbina, etc.
Por ejemplo, en condiciones de viento fuerte, las características de elevación de la pala pueden ser de una importancia reducida debido al aumento de la potencia del viento disponible, mientras que la reducción del ruido puede ser de mayor importancia debido a la mayor energía cinética en el flujo de aire alrededor de la pala. En tal caso, el controlador puede ser operable para ajustar la dirección de inyección de las boquillas de los dispositivos de inyección de fluido para apuntar en una dirección sustancialmente hacia arriba, para proporcionar las propiedades de reducción de ruido máximas. Si la velocidad del viento disminuye posteriormente, el controlador puede redirigir los dispositivos de inyección de fluido para proporcionar una inyección sustancialmente hacia abajo, lo que resulta en un equilibrio entre la reducción de ruido y un impacto mínimo en la elevación de la pala.
En una implementación preferida, un controlador puede ser operable para ajustar la dirección de inyección de los dispositivos 80 en base a la posición de rotación de la pala de la turbina eólica. Por ejemplo, refiriéndose a la figura 9, la mayoría del ruido de la pala se genera durante la trayectoria descendente de la pala 10, pero las propiedades de elevación de la pala no son de la mayor importancia para esta sección: la elevación de la pala es más vital durante la trayectoria de ascenso de la pala. De acuerdo con lo anterior, el controlador es operable para hacer girar los dispositivos 80 de modo que la inyección de fluido se proporcione en una dirección sustancialmente hacia arriba durante la parte hacia abajo de la trayectoria de rotación de la pala 10, y se alinee en una dirección sustancialmente hacia abajo durante la porción hacia arriba de la trayectoria de rotación de la pala 10. En este caso, las propiedades de reducción de ruido máxima de los dispositivos 80 de inyección de fluido se proporcionan durante esa parte de la rotación de la pala donde se produce la mayor parte del ruido de la pala (es decir, la sección 100), mientras que los dispositivos están alineados para proporcionar un impacto mínimo en la elevación de la pala durante la trayectoria ascendente de la pala 10 (donde se produce relativamente menos ruido de la pala, sección 102).
Se entenderá que la rotación de los dispositivos de inyección de fluido puede controlarse de modo que la inyección 84 ascendente solo ocurra para una parte de la trayectoria descendente del ciclo de rotación, por ejemplo, cuando la pala está en el rango de rotación entre 30-120 grados con respecto al eje vertical de la turbina eólica durante la trayectoria descendente de la pala, de manera que la inyección hacia arriba se concentra en aquellos puntos donde el ruido máximo de la pala es la generación (es decir, la sección 100).
En una mejora adicional de la invención, se entenderá que los dispositivos 80 de inyección de fluido pueden ser ajustables de modo que la dirección de la inyección de fluido pueda variar entre una primera posición en la que se inyecta fluido en el flujo de aire alrededor de la pala, a una segunda posición en la que el fluido se dirige hacia la superficie del perfil de la pala. Aplicando un fluido, por ejemplo, el agua, sobre la superficie del contorno perfilado de la pala, es posible reducir la resistencia de fricción superficial de la superficie de la pala, reduciendo así la resistencia general de la pala. Esto proporciona una mayor flexibilidad de operación y control del rendimiento de la pala, de manera que el control adaptativo de la inyección de fluido en la pala puede usarse para maximizar la salida de potencia de la pala para las condiciones operativas experimentadas.
Preferiblemente, el fluido inyectado que usa los dispositivos 80 tiene una viscosidad relativamente alta en comparación con el flujo de aire incidente. En una realización preferida, se usa agua como fluido inyectado, pero se entenderá que puede emplearse cualquier composición en aerosol o líquida adecuada. Se entenderá que el fluido puede inyectarse en cualquier forma adecuada, por ejemplo, una neblina o rocío fino, o un flujo de gotitas de cualquier tamaño adecuado.
Se puede proporcionar un depósito de fluido adecuado para inyección en la propia pala, y/o la pala puede comprender tuberías o tuberías para conducir el fluido desde la estructura de la turbina eólica a los dispositivos 80 de inyección.
El proceso de inyección de fluido puede controlarse como parte de un sistema de control de circuito cerrado, en el que las características de inyección de fluido pueden variar dependiendo de las condiciones operativas de la turbina eólica (por ejemplo, la velocidad del viento en la turbina, los niveles de ruido detectados en la turbina eólica), para minimizar el ruido de funcionamiento generado por las palas de la turbina eólica.
Por ejemplo, la pala puede comprender además un mecanismo de bomba y/o al menos una válvula controlable, de manera que el volumen de fluido inyectado en el flujo de aire pueda ser regulado. La pala también puede ser operable para controlar la velocidad y/o la presión a la que se inyecta el fluido en el flujo de aire. Además, los dispositivos de inyección de fluido pueden ser ajustables para controlar las características de la inyección de fluido real, por ejemplo. el patrón de rociado, el ángulo de rociado, el tamaño de la gota de rociado, etc. De acuerdo con lo anterior, las características de la inyección de fluido pueden variar para proporcionar el máximo rendimiento de reducción de ruido para las condiciones operativas dadas.
Se entenderá que se puede emplear cualquier dispositivo de inyección de fluido adecuado para la invención, por ejemplo. una boquilla rociadora, una boquilla atomizadora, una boquilla de impacto superficial, etc.
Si bien la realización mostrada en la figura 10 indica que los dispositivos 80 de inyección de fluido pueden moverse en una rotación articulada, se entenderá que se puede usar cualquier movimiento adecuado de los dispositivos 80. Además, se entenderá que en el caso de que se use una boquilla de impacto superficial como dispositivo de inyección de fluido, puede ser suficiente mover solamente la superficie de impacto de dicha boquilla para proporcionar el ajuste direccional requerido de la corriente de inyección de fluido resultante.
Se entenderá que se pueden hacer diferentes ajustes a las realizaciones ilustradas. Por ejemplo, cualquier dispositivo de modulación de flujo proyectado adecuado puede combinarse con los dispositivos de inyección de fluido, por ejemplo, cerdas. El uso de cerdas permite que la energía cinética del flujo de aire incidente se convierta en energía de flexión mecánica en las cerdas, reduciendo así el ruido generado del borde de salida de la pala.
En una realización alternativa particular, las estrías 74 individuales pueden reemplazarse o combinarse con grupos individuales de cerdas.
Además, se entenderá que, si bien las estrías 74 ilustradas aquí son sustancialmente planas, también pueden emplearse estrías tridimensionales en el borde de salida de la pala para reducir el ruido de dispersión, es decir, estrías que pueden variar tanto en profundidad como en anchura.
Se entenderá que los dispositivos de inyección de fluido, y/o las estrías, pueden proporcionarse en el borde de salida de la pala, a lo largo de la longitud longitudinal de la pala. Preferiblemente, los dispositivos y/o estrías se proporcionan en la región del 40-98% de la longitud de la pala desde el extremo de la raíz de la pala. En una realización alternativa, las estrías se proporcionan en la región del 60-95% de la longitud de la pala. Como la mayoría de la generación de ruido de una pala de turbina eólica se produce en la región hacia las secciones exteriores de la pala (debido a las velocidades del viento relativamente altas en efecto en estas secciones externas), las características de reducción de ruido funcionarán más efectivamente cuando se encuentren en estas regiones.
En una mejora adicional de la invención, se entenderá que las estrías (o cerdas) pueden moverse con relación al borde de salida de la pala, preferiblemente movible de manera traslacional, para proporcionar un mayor control y adaptabilidad de las características de reducción de ruido de la pala.
Se entenderá que cualquier característica de las realizaciones anteriores puede ser intercambiable con las características de cualquier otra realización sin apartarse del alcance de la invención.
La invención no se limita a las realizaciones descritas en el presente documento, y puede modificarse o adaptarse sin apartarse del alcance de la presente invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Una pala de turbina eólica para un rotor de una turbina eólica que tiene un árbol de rotor sustancialmente horizontal, el rotor comprende un cubo, desde el cual la pala de turbina eólica se extiende sustancialmente en una dirección radial cuando está montada en el cubo, la pala de turbina eólica se extiende en una dirección longitudinal paralela a un eje longitudinal y que tiene un extremo de punta y un extremo de raíz,
comprendiendo además la pala de turbina eólica un contorno perfilado que incluye un lado de presión y un lado de succión, así como un borde de ataque y un borde de salida con una cuerda que tiene una longitud de cuerda que se extiende entre ellos, el contorno perfilado, cuando es impactado por un flujo de aire incidente, genera un levantamiento,
en el que la pala de la turbina eólica comprende además al menos una primera serie de elementos de modulación de flujo proyectado provistos en el borde de salida del contorno, dichos elementos de modulación de flujo que se proyectan en una dirección sustancialmente alejada del borde anterior del contorno, dichos elementos son operables para reducir el ruido generado por el funcionamiento de la pala por la modulación del flujo de aire en el borde de salida del contorno,
caracterizado porque
la pala de la turbina eólica comprende además al menos un dispositivo de inyección de fluido, el dispositivo de inyección de fluido operable para inyectar fluido en el flujo de aire sobre el contorno de la pala para reducir la cinética turbulenta la energía del flujo de aire en el borde de salida del contorno perfilado, para reducir aún más el ruido generado por el funcionamiento de la pala, en el que el dispositivo de inyección de fluido comprende una boquilla operable para inyectar fluido en forma de rocío o gotitas en el flujo de aire sobre el contorno de la pala.
2. La pala de la reivindicación 1, en la que el fluido se selecciona para tener una viscosidad más alta que el flujo de aire incidente.
3. La pala de una cualquiera de las reivindicaciones 1 -2, en la que dicha al menos una primera serie de elementos de modulación de flujo en proyección se extiende en una dirección longitudinal a lo largo de al menos una porción de la longitud de la pala de la turbina eólica entre dicho extremo de la raíz y dicho extremo de punta.
4. La pala de una cualquiera de las reivindicaciones 1 -3, en la que dichos elementos sobresalientes se seleccionan de al menos uno de los siguientes: estrías, cerdas, grupos de cerdas.
5. La pala de cualquier reivindicación precedente, en la que dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido está dispuesto en dicho borde de salida entre elementos salientes adyacentes.
6. La pala de cualquier reivindicación precedente, en la que al menos un dispositivo de inyección de fluido está provisto adyacente a dicho borde de salida, para inyectar fluido en el flujo de aire alrededor del contorno perfilado en una ubicación hacia arriba de dicho borde de salida.
7. La pala de la reivindicación 6, en la que dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido está posicionado en una ubicación separada del borde de salida, aproximadamente 5-10% de la longitud de la cuerda desde dicho borde de salida.
8. La pala de cualquier reivindicación precedente, en la que dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido es operable para inyectar fluido en el flujo de aire en un ángulo de aproximadamente 145-170 grados con respecto a la cuerda del contorno perfilado de la pala, tomado desde el borde de ataque de la pala.
9. La pala de cualquier reivindicación precedente, en la que dicho contorno perfilado comprende un borde de salida sustancialmente romo, en el que dicha al menos una primera serie de elementos de modulación de flujo sobresaliente se proporciona en el lado de presión de dicho borde de salida romo, y en la que dicha al menos una el dispositivo de inyección de fluido está provisto en el lado de succión de dicho borde de salida romo.
10. La pala de cualquier reivindicación precedente, en la que dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido se puede mover para proporcionar una dirección de inyección de fluido ajustable.
11. La pala de la reivindicación 10, en la que el ángulo de inyección de fluido es variable desde una dirección sustancialmente hacia abajo a una dirección sustancialmente hacia arriba.
12. La pala de cualquier reivindicación precedente, en la que la pala comprende un sistema de comunicación de fluido que puede funcionar para transportar un fluido desde un depósito de fluido a dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido.
13. La pala de la reivindicación 12, en la que el sistema de comunicación de fluido comprende al menos una válvula operable para regular el flujo de fluido a dicho al menos un dispositivo de inyección de fluido.
14. Una turbina eólica que tiene al menos una pala de turbina eólica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-13.
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014205016A1 (de) 2014-03-18 2015-09-24 Senvion Gmbh Geräuschreduziertes Rotorblatt einer Windenergieanlage
WO2016057107A1 (en) * 2014-10-11 2016-04-14 Richard Von Berg Spacer for wind turbine rotor blade
US20160258417A1 (en) * 2014-10-24 2016-09-08 Joseph Chiang Stacked blade windmill
EP3096003B1 (en) * 2015-05-21 2021-03-17 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Rotor blade with serrations for wind turbine
CN105089925A (zh) * 2015-09-15 2015-11-25 韩万龙 风力机叶片尾缘及叶尖增升降噪的柔性仿生羽毛带
US10240576B2 (en) * 2015-11-25 2019-03-26 General Electric Company Wind turbine noise reduction with acoustically absorbent serrations
MA42097B1 (fr) * 2016-02-12 2019-05-31 Lm Wp Patent Holding As Panneau de bord de fuite dentelé pour une pale d'éolienne
CN106050566B (zh) * 2016-07-13 2018-11-16 西北工业大学 一种钝后缘风力机翼型环量控制装置及方法
DE102016117012A1 (de) * 2016-09-09 2018-03-15 Wobben Properties Gmbh Windenergieanlagen-Rotorblatt
EP3406892A1 (en) * 2017-05-22 2018-11-28 LM Wind Power International Technology II ApS A wind turbine blade comprising a noise reducing device
CN111322198A (zh) * 2020-03-10 2020-06-23 上海理工大学 一种通过射流提升气动性能的风力机翼型
DE102020129453A1 (de) 2020-11-09 2022-05-12 Hochschule Flensburg Windenergieanlage mit Einrichtung zur Wasseremission in die Atmosphäre

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5813625A (en) * 1996-10-09 1998-09-29 Mcdonnell Douglas Helicopter Company Active blowing system for rotorcraft vortex interaction noise reduction
US7387491B2 (en) * 2004-12-23 2008-06-17 General Electric Company Active flow modifications on wind turbine blades
US7354247B2 (en) * 2005-10-27 2008-04-08 General Electric Company Blade for a rotor of a wind energy turbine
US20080166241A1 (en) 2007-01-04 2008-07-10 Stefan Herr Wind turbine blade brush
NL2000819C2 (nl) * 2007-08-17 2009-02-18 Stichting Energie Windturbine en rotorblad.
NL2000821C2 (nl) * 2007-08-17 2009-02-18 Stichting Energie Windturbine en rotorblad.
US7883313B2 (en) * 2009-11-05 2011-02-08 General Electric Company Active flow control system for wind turbine
DK2365216T3 (da) * 2010-03-05 2012-07-16 Siemens Ag Vindturbine med fordelingssystem for flydende medium
US8449255B2 (en) * 2010-03-21 2013-05-28 Btpatent Llc Wind turbine blade system with air passageway
US8523515B2 (en) * 2010-11-15 2013-09-03 General Electric Company Noise reducer for rotor blade in wind turbine
US8128364B2 (en) * 2010-12-07 2012-03-06 General Electric Company Wind turbine rotor blade with porous window and controllable cover member

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