ES2710477T3

ES2710477T3 - Un rotor de turbina eléctrica

Info

Publication number: ES2710477T3
Application number: ES12726843T
Authority: ES
Inventors: Paul Trevor Hayden; David Anthony Whiley
Original assignee: Blade Dynamics Ltd
Current assignee: LM Wind Power UK Ltd
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: US10125741B2; GB201109412D0; EP2715118B1; BR112013030714A2; EP2715118A1; CN103797242B; DK2715118T3; JP2014517197A; TR201902216T4; WO2012164305A1; US20140086752A1; CN103797242A; BR112013030714B1

Abstract

Un rotor de turbina eólica que comprende un cubo (1) del que se proyecta una pluralidad de palas (2) hasta un radio de al menos 50 metros, comprendiendo cada pala (2) un carenado hueco soportado por larguero central (10), teniendo cada pala (2) un espesor t medido perpendicular a una línea de curvatura en un radio r en el que, cuando r = 0,25R, t > 0,7T, cuando r = 0,5R, t > 0,5T y cuando r = 0,4R, t > 0,7T; en las que R es el radio de la pala (2) medido desde el eje de rotación (4) a la punta distal (5) de la pala (2) y T es el espesor de la pala (2) en el extremo de la raíz que representa la dimensión externa de la pala en una dirección paralela al eje de rotación donde se encuentra con el cubo, teniendo dicha pala (2) una sección transversal generalmente circular en una interfaz (3) con el cubo (1).

Description

DESCRIPCION

Un rotor de turbina electrica

La presente invencion se refiere a un rotor de turbina eolica. En particular, la presente invencion se refiere a un rotor de turbina eolica a gran escala moderno. Para los fines de la memoria descriptiva, esto se definira como una turbina eolica que comprende un cubo desde el que se proyecta una pluralidad de palas en un radio de al menos 50 metros, comprendiendo cada pala un carenado hueco soportado por un larguero central.

El tamano actual de las palas de turbinas eolicas se encuentra en el intervalo comprendido entre 35 y 5 m (radio medido desde el centro del cubo hasta la punta de la pala). Esta establecido para aumentarlo aun mas en los anos proximos, ya que hay previstos planes para construir maquinas mucho mas grandes en aplicaciones tanto en tierra como en alta mar que puedan requerir palas de un tamano comprendido entre 50 y 100 m.

Si se incrementa proporcionalmente la tecnologfa actual de las palas “como tal” o con modificaciones menores, conducira a una serie de retos de fabricacion y ademas conducira a una serie de retos de diseno para el diseno de la turbina completa. El reto principal es el de manejar el enorme volumen de las palas que supone partes enormes, y por tanto caras, para la turbina y su base para manejar las cargas y en particular las cargas de fatiga ejercidas sobre la turbina y su base.

La metodologfa del diseno actual de la pala conducina a un aumento de la masa de la pala aproximadamente como la longitud para la potencia de 2,95. Se ha demostrado que esto es cierto en el caso de algunas de las tentativas actuales anteriores para construir grandes palas, tal como se muestra en la Fig. 5.

Por otra parte, a medida que las palas son mayores, desciende la frecuencia natural de la pala y se aproxima a las frecuencias de excitacion que se observan durante el funcionamiento de la turbina.

Se divulgan ejemplos de geometnas de pala menos tradicionales en los siguientes documentos: Jackson K J y col.: "Innovative design approaches for large wind turbine blades", Wind Energy, Wiley, Chichester, GB, vol. 8, no. 2, 1 abril 2005 (2005-04-01), paginas 141-171, XP002440739, ISSN: 1099-1824, DOI: 10, 1002/WE.128.

TPI Composites, Sandia National Laboratories: "Innovative design approaches for large wind turbine blades", Albuquerque, Nuevo Mexico, marzo 31 2003 (2003-03-31), URL: http://prod.sandia.gov/techlib/accesscontrol.cgi/2003/030723.pdf.

Estas referencias contienen divulgaciones similares en las que se aumenta el espesor de la pala en comparacion con la pala de una turbina eolica convencional. En la seccion interior de la pala, se incorpora un borde de arrastre romo para proporcionar una mejor rigidez estructural. Las palas se disenan para mantener, cuando no para aumentar, el rendimiento aerodinamico en la region interior.

De acuerdo con la presente invencion, se proporciona un rotor de turbina eolica que comprende un cubo desde el que se proyecta una pluralidad de palas en un radio de al menos 50 metros, comprendiendo cada pala un carenado hueco, soportado por un larguero central, teniendo cada pala un espesor t medido en perpendicular a la lmea de curvatura en un radio r en el que r = 0,25R, t > 0,7T; y que se caracteriza porque cuando r = 0,5R, t > 0,5T, y cuando r = 0,4R, t > 0,7T donde R es el radio de la pala medido desde el eje de rotacion 4 a la punta distal 5 de la pala y T es el espesor de la pala en extremo de rafz que representa la dimension externa de la pala en direccion paralela al eje de rotacion en el que se encuentra con el cubo.

En un diseno de pala convencional, el espesor se ahusa con mucha mas rapidez, de manera que a medio camino de la punta de la pala (medido desde el centro del cubo hasta la punta de la pala), el espesor t de la pala es normalmente en torno a un 20 % del espesor del extremo de la rafz (y es aproximadamente 30 % en un 40 % del radio y 50 % en un 25 % del radio). En la presente invencion, retiene mas de 50 % de su espesor del extremo de la rafz en este punto y mas de un 70 % del espesor del extremo de la rafz en un 40 % de su radio).

El enfoque adoptado por la presente invencion supone un cambio radical con respecto a las proporciones estructurales y aerodinamicas tfpicas. Por el contrario, la presente invencion contempla una pala que es realmente significativamente peor en lo que se refiere al rendimiento aerodinamico para la parte interior de la pala. Por el contrario, las consideraciones para el diseno de la parte interior de la pala estan dominadas practicamente en su totalidad por la estructura. Por otra parte, en cuanto a la parte exterior de la longitud, las consideraciones de diseno estan dominadas practicamente en su totalidad por la aerodinamica. La “perdida aerodinamica” causada por la aerodinamica deficiente de la parte inferior esta mas que compensada al conseguir menos compromisos aerodinamicos en la parte exterior de la pala. Asimismo permite producir palas mucho mas largos ya que la parte interior de la pala puede hacerse mucho mas ligera al suprimir la restriccion aerodinamica. Esto permite un mayor rendimiento aerodinamico sin aumentar de forma espectacular las cargas de fatiga.

Preferentemente, cuando r = 0,25R, t > 0,8T. Es decir, una cuarta parte del camino a lo largo de la pala (desde el centro del cubo), la pala retiene preferentemente al menos un 80 % de su espesor en el extremo de la rafz.

Un beneficio mas de la pala que es mas espeso a lo largo de una mayor porcion de su longitud interna se refiere al uso de materiales. Como la porcion interior de la pala es mas espesa, se puede mantener la rigidez para una palauna pala mas largo sin tener que recurrir a materiales compuestos de fibra de modulo superior para la porcion interior. Preferentemente, por tanto, el larguero comprende al menos parcialmente un laminado de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio a lo largo de la porcion interior en su longitud y una resina epoxi reforzada con fibra de carbono a lo largo de la porcion exterior de su longitud. Por lo tanto, el uso de materiales de rendimiento superior en la region mas externa de la pala potencia aun mas la capacidad de la pala para mantener su rigidez al mismo tiempo que tiene una resistencia baja ya que puede fabricarse relativamente mas fina aumentando aun mas el rendimiento. Esto tambien aumenta aun mas la frecuencia natural de la pala ayudando asf mas a evitar las frecuencias de excitacion.

El uso de materiales en las partes interior y exterior del larguero tambien pueden definirse por lo que respecta al modulo de Young. Se pueden utilizar materiales compuestos de bajo rendimiento en la parte interior de la pala ya que se mantiene el mayor espesor que da rigidez a la pala para una pala grande sin recurrir a materiales compuestos superiores.

Preferentemente, el larguero comprende al menos parcialmente una porcion interior que tiene remates de larguero con fibras que se extienden longitudinalmente en la direccion de flexion principal, en la que al menos parte de los remates de larguero en la porcion interior comprenden un modulo de Young en la direccion principal de < 50 GPA y una relacion de modulo de Young/densidad de < 0,027GPa/kgm-3, y una porcion exterior que tiene remates de larguero con fibras que se extienden longitudinalmente en la direccion de flexion principal, en la que al menos parte de los remates de larguero en la porcion exterior comprenden un modulo de Young en la direccion de flexion principal de >100 GPA y una relacion de Young/densidad de > 0,059 GPa/kgm-3.

A continuacion, se describira un ejemplo de un rotor de acuerdo con la presente invencion haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Fig. 1 es una seccion transversal en escorzo y esquematica de un plano paralelo al eje de rotacion a traves de un rotor de acuerdo con la presente invencion desde el eje de rotacion de la punta de la pala presentandose la seccion transversal de una pala convencional con lmeas discontinuas con fines comparativos;

La Fig. 1A es una seccion transversal de una pala a traves de la lmea AA de la Fig. 1 con una pala convencional en lmeas discontinuas con fines comparativos;

La Fig. 2 es una vista similar a la Fig. 1, pero en la que se muestra una vista plana de la pala;

Las Figuras 3A-3D son vistas similares a la Fig. 1A que presentan una configuracion de pala diferente;

La Fig. 4 es un grafico en el que se muestra la relacion de espesor frente a la relacion del radio de una pala convencional, una pala de longitud comparable de acuerdo con la presente invencion y una pala mas larga de acuerdo con la presente invencion;

La Fig. 5 es un grafico de la masa frente a la longitud de la pala que proporciona una comparacion entre la presente invencion y la tecnica anterior;

La Fig. 6 es un grafico de un par de torsion frente al radio que presenta el rendimiento de la presente invencion frente a la tecnica anterior; y

Las Figuras 7A y 7B son secciones transversales similares a la Fig. 1A que presentan la tecnica anterior y la presente invencion respectivamente ilustrando la ventaja que proporciona la presente invencion.

Las tecnicas utilizadas para construir la pala y ensamblarlo al cubo de rotor podnan ser las tecnicas de fabricacion de palas convencionales, pero preferentemente son como las que se describen en las solicitudes anteriores de los autores, los documentos WO 2009/034291, WO 2009/034292, WO 2009/130467, WO 2010/041008, WO 2010/04012, PCT/GB2010/002189 y PCT/GB2011/000661.

Estos documentos divulgan tecnicas para fabricar palas de turbina eolica que se pueden fabricar con cualquier geometna deseada.

Dado que la presente invencion se refiere solamente a un cambio en la geometna externa y un cambio de materiales en consecuencia, tan solo se describiran a continuacion la geometna y los materiales.

El rotor comprende un cubo central 1 al que se fijan una pluralidad de palas 2 (solamente se muestra una pala 2 en las Figuras 1 y 2) en la interfaz 3, tal como se presenta en las solicitudes anteriores. El cubo rota en torno al eje 4. Hay fijados tres de dichas palas 2 a cada cubo 1. El radio R de la pala es la distancia desde el eje de rotacion 4 a la punta distal 5 de la pala. Normalmente, los primeros 1 a 3 metros del radio R estan ocupados por el cubo 1 y el resto del radio viene dado por la pala en sf. La pala tiene un larguero central que se extienden a lo largo de toda su longitud para proporcionar una rigidez estructural y un carenado aerodinamico para proporcionar la superficie externa de la pala, tal como se conoce perfectamente en la tecnica.

El espesor del extremo de rafz T representa la dimension externa de la pala en una direccion paralela al eje de rotacion en el que se encuentra con el cubo. En este punto, la pala puede tener una porcion que se proyecta que se inserta dentro del cubo para permitir su union con el cubo. Esto no se considera cuando se determina el espesor T para los fines de la invencion ya que T es una medida del espesor externo. Asimismo, el extremo de rafz de la tapa puede estar provisto de una pestana que sale hacia fuera como parte de la estructura para sujetarlo al cubo 1. Se debera ignorar dicha pestana para los fines de determinar el espesor T para los fines de la presente invencion. Tal como se muestra en la Fig. 1A, la pala tiene una forma aerodinamica con un borde de avance 6 y un borde de arrastre 7 que definen el ancho de la pala. El espesor t se determina en un plano que es perpendicular al radio de la pala, como por ejemplo el plano que se muestra en la Fig. 1A. En este plano, el espesor t es la dimension que es perpendicular a la lmea de curvatura C tal como se muestran en la Fig. 1. La lmea de curvatura es una lmea que parte del borde de avance 6 al borde de arrastre 7 y que es equidistante entre las superficies superior e inferior de la pala en todos los puntos.

En la interfaz 3, la pala tiene una seccion transversal generalmente circular y se hace crecientemente plano en la seccion transversal a lo largo de la longitud de la pala a medida que se reduce el espesor t.

El grado de esta reduccion en el espesor de una pala convencional se muestra en la lmea discontinua 8 de la Fig. 1, mientras que el perfil de espesor de la presente invencion se muestra mediante la lmea 9.

Las Figuras 3A-3B son vistas similares a la Fig. 1A que tienen diferentes configuraciones al remate del larguero. La Fig. 3A es esencialmente la misma que la Fig. 1A con fines comparativos. La Fig. 3B presenta un larguero 10 que tiene una seccion transversal de viga I con una red de cizalla 11 unida a cada lado por un par de remates de larguero 12. En la Fig. 3C, el larguero 10 es una caja viga y tiene un par de redes de cizalla 11 unidas por un par de remates de larguero 12. El larguero puede tener todas las maneras de configuracion expuestas en los documentos de la tecnica anterior a los que se ha hecho referencia.

La Fig. 3D presenta una pala que tiene una estructura de doble ala que no entra dentro del ambito de la reivindicacion 1. En este caso, la lmea de curvatura se dibuja como una lmea a medio camino entre la superficie superior 13 del ala superior 14 y la superficie inferior 15 del ala inferior 16. El espesor T se determina en consecuencia. Las alas superior 14 e inferior 16 estan conectadas por aparatos de cizalla 17.

Otros detalles de esta reduccion del espesor se ofrecen en la Fig. 4. En ella se muestra la relacion entre el espesor T y el espesor T en el extremo de la rafz en el eje Y frente a la relacion del radio R en el punto en el que se mide T con el radio R del rotor. El valor de T utilizado es el “T” maximo que se puede medir aplicando el procedimiento mencionado para seccion transversal. Es decir, esto representa el espesor de la parte mas gruesa de la pala. La lmea 18 presenta una pala convencional, mientras que la lmea 19 presenta una pala de la misma longitud fabricada de acuerdo con la presente invencion. La presente invencion permite fabricar palas mas largas. En este caso, la lmea 20 presenta un perfil de espesor para una pala que es un 15 % mas largo que las palas representados por las lmeas 18 y 19. Los datos para el grafico se dan en la tabla encima del grafico.

Tal como se puede observar en la Fig. 4, una pala convencional se hace fino con mucha mayor rapidez, hasta el punto de que es la mitad del espesor T del extremo de la rafz solamente en un 25 % del camino a lo largo de la pala, la pala de acuerdo con la presente invencion retiene una porcion mucho mayor de su espesor durante mas tiempo. Por lo tanto, una cuarta parte del camino a lo largo de la pala, sigue rete3niendo un 80 % de su espesor del extremo de la rafz. En un 45 % de la lmea, una pala convencional tiene menos de un 30 % de su espesor original, mientras que la presente invencion tiene mas de un 50 %.

Esto tiene dos efectos en el rendimiento de la pala.

En primer lugar, tal como se puede deducir al considerar la Fig.1A, la seccion transversal mas plana tiene como resultado una seccion transversal menos aerodinamica, de manera que la eficiencia de la pala de la presente invencion se reduce en este punto. Esto se ilustra en la Fig. 6 que presenta una produccion electrica proporcionada a lo largo de la longitud de la pala. La produccion electrica proporcionada por la presente invencion se indica mediante una lmea 21 mientras que la produccion de energfa proporcionada por una pala convencional se ilustra por la lmea 22. Se puede observar que la produccion de energfa contribuida por los primeros 30 metros de la pala es significativamente inferior en la presente invencion que para la tecnica anterior.

Asimismo, la parte interior de la pala puede hacer mucho mas ligera tal como se explicara ahora haciendo referencia las Figs. 7A y 7B.

La Fig. 7A es una seccion transversal de la tecnica anterior, mientras que la Fig. 7B es una seccion transversal de la presente invencion con fines comparativos. Dado que la presente invencion no esta optimizada en cuanto a la aerodinamica, es significativamente mas espesa, tal como se muestra en la Fig. 7B. En ambos casos, el ancho de la pala y el ancho de los remates del larguero son iguales. Sin embargo, dado que en la presente invencion, los remates del larguero van mas alla de la lmea de curvatura C (y en terminos estructurales mas alejados del eje neutro), son mucho mas capaces de resistir los momentos de flexion en torno a la lmea de curvatura C. Como resultado de ello, los remates de larguero 12 de la presente invencion pueden estar hechos con un espesor b que es significativamente mas delgado que el espesor correspondiente tal como lo requiere los remates de larguero de la tecnica anterior.

Asimismo, la integridad estructural mejorada que proporciona una porcion interior menos aerodinamica significa que la porcion interior puede soportar eficazmente una porcion exterior mas larga de manera que, ademas de mejorarse la eficiencia de la pala, tambien se aumenta la longitud maxima de la pala que puede producirse.

La Fig. 5 presenta la relacion entre la masa y la longitud de la pala. A partir de esto, queda claro que la presente invencion ha roto la relacion de las palas de la tecnica anterior de que la masa de la pala aumenta aproximadamente a medida que lo hace la longitud de la pala para la potencia de 2,95. Tal como se muestra en la Fig. 5, la relacion esta mas proxima a la de la masa de la pala que aumenta aproximadamente como la longitud de la pala a una potencia de 2,75.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un rotor de turbina eolica que comprende un cubo (1) del que se proyecta una pluralidad de palas (2) hasta un radio de al menos 50 metros, comprendiendo cada pala (2) un carenado hueco soportado por larguero central (10), teniendo cada pala (2) un espesor t medido perpendicular a una lmea de curvatura en un radio r en el que, cuando r = 0,25R, t > 0,7T, cuando r = 0,5R, t > 0,5T y cuando r = 0,4R, t > 0,7T; en las que R es el radio de la pala (2) medido desde el eje de rotacion (4) a la punta distal (5) de la pala (2) y T es el espesor de la pala (2) en el extremo de la rafz que representa la dimension externa de la pala en una direccion paralela al eje de rotacion donde se encuentra con el cubo, teniendo dicha pala (2) una seccion transversal generalmente circular en una interfaz (3) con el cubo (1).

2. Un rotor de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que cuando r = 0,25R, t > 0,8 T.

3. Un rotor de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en el que el larguero (10) comprende al menos parcialmente un laminado de resina epoxi reforzada con fibra de vidrio a lo largo de la porcion interior de su longitud y un laminado de resina epoxi reforzada con fibra de carbono a lo largo de una porcion exterior de su longitud.

4. Un rotor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el larguero (10) comprende una porcion interior que tiene remates de larguero (12) con fibras que se extienden longitudinalmente en una direccion de flexion principal, en la que al menos parte de los remates de larguero (12) en la porcion interior comprenden un modulo de Young en la direccion principal de < 50 GPa y una relacion del modulo de Young/densidad de < 0,027 GPa/kgm-3, y una porcion exterior que tiene remates de larguero (12) con fibras que se extienden longitudinalmente en la direccion de flexion principal, en el que al menos parte de los remates de larguero (12) en la porcion exterior comprende un modulo de Young en la direccion de flexion principal de > 100 GPa y una relacion del modulo de Young/densidad de > 0,059 GPa/kgm-3.

5. Un rotor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el larguero (10) comprende al menos una red de cizalla (11) que atraviesa el espesor de la pala (2) y al menos un remate de larguero (12) en cada extremo de la red de cizalla (11).