ES2834876T3 - Sistema para determinar el estado de suciedad de una pala de rotor de turbina eólica - Google Patents

Abstract

Un sistema para determinar un estado de suciedad de una pala (201) de rotor de turbina eólica, comprendiendo el sistema un sensor de presión (110) adaptado para medir una pluralidad de valores de presión correspondientes a una pluralidad de alturas diferentes por encima de una región del borde trasero (105) de la pala del rotor de la turbina eólica (201), y una unidad de procesamiento (120) en comunicación con el sensor de presión (110) y adaptada para determinar el estado de suciedad de la pala del rotor de la turbina eólica (201) estimando una distribución de la velocidad del flujo de aire por encima de la región del borde trasero de la pala del rotor de la turbina eólica (201) basándose en la pluralidad de valores de presión, caracterizada por que el sensor de presión (110) comprende una unidad de admisión de aire (111) adaptada para colocarse en la región del borde trasero (105) de la pala del rotor de la turbina eólica (201) y que tiene una pluralidad de puertos de entrada (113), con una unidad de medición que tiene una 15 pluralidad de dispositivos sensores (610), y una unidad de guía adaptada para proporcionar canales de comunicación de fluidos individuales entre cada puerto de entrada (113) y un dispositivo sensor (610) correspondiente, en el que los dispositivos sensores (610) están adaptados para generar una señal eléctrica indicativa de la presión de estancamiento en el puerto de entrada correspondiente (113), y en el que la unidad de medición está adaptada para montarse dentro de un cubo de rotor de la turbina eólica.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema para determinar el estado de suciedad de una pala de rotor de turbina eólica

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de las turbinas eólicas, en particular a un sistema para determinar un estado de suciedad de una pala de rotor de turbina eólica y a un procedimiento para determinar un estado de suciedad de una pala de rotor de turbina eólica.

Antecedentes de la técnica

Los documentos EP 2133562 A2 y EP 3073241 A1 describen un sistema y procedimientos de acuerdo con la técnica anterior. El estado de suciedad de una pala de rotor de turbina eólica, es decir, la agregación de diversos materiales (como suciedad, sal o hielo) en la superficie de la pala del rotor durante el funcionamiento, tiene un gran impacto en el rendimiento aerodinámico de la turbina eólica. Una consecuencia directa de la suciedad del borde delantero es el aumento de la resistencia aerodinámica de las secciones del perfil aerodinámico y, potencialmente, una pérdida de sustentación aerodinámica. Como consecuencia de esto, se reduce la potencia de salida de la turbina. Además, están presentes varios otros impactos secundarios de la suciedad, como (a) la reducción del llamado margen de pérdida (es decir, la cantidad, en grados, que separa el punto operativo-ángulo de ataque-del punto de pérdida de las aspas aerodinámicas); (b) aumento del ruido; y (c) mayor incertidumbre en las mediciones de la curva de potencia, entre otros. Con respecto a esto último, los fabricantes de aerogeneradores suelen aplicar la restricción a las curvas de potencia de que las palas deben estar sustancialmente limpias. Por tanto, la suciedad añade ruido de medición a la medición de la curva de potencia. Dependiendo del grado de suciedad, la potencia de salida de una turbina puede caer en varios por ciento, por ejemplo, en un 3-6 %.

Un efecto relacionado con la suciedad en cuanto a sus consecuencias es la erosión del borde delantero. Aunque de naturaleza diferente, los efectos de la erosión del borde delantero tanto en el rendimiento aerodinámico como en el rendimiento acústico de la turbina son similares a los de la suciedad.

Por consiguiente, existe la necesidad de determinar el estado de suciedad de una pala de rotor de turbina eólica.

Breve explicación de la invención

Esta necesidad se puede satisfacer por la materia objeto según la reivindicación independiente. Otros modos de realización ventajosos de la presente invención se definen mediante las reivindicaciones dependientes. De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un sistema para determinar el estado de suciedad de una pala de rotor de turbina eólica, según la reivindicación 1. El sistema comprende (a) un sensor de presión adaptado para medir una pluralidad de valores de presión correspondientes a una pluralidad de alturas diferentes por encima de una región del borde trasero de la pala del rotor de la turbina eólica, y (b) una unidad de procesamiento en comunicación con el sensor de presión y adaptado para determinar el estado de suciedad de la pala del rotor de la turbina eólica estimando una distribución de la velocidad del flujo de aire por encima de la región del borde trasero de la pala del rotor de la turbina eólica basándose en la pluralidad de valores de presión.

Este aspecto de la invención se basa en la idea de que el estado de suciedad de la pala del rotor se determina indirectamente estimando la distribución de la velocidad del flujo de aire por encima de la región del borde trasero de la pala del rotor. Cuando se ensucia el borde delantero de la pala del rotor, el grosor de la capa límite del perfil aerodinámico en el borde trasero aumentará en consecuencia, lo cual a su vez provoca un cambio en la distribución de la velocidad del flujo de aire, es decir, en la velocidad del flujo de aire como una función de la altura sobre la pala del rotor. Así, por ejemplo, comparando la distribución estimada de la velocidad del flujo de aire con una distribución esperada (correspondiente a una pala de rotor limpia o sin suciedad en las condiciones de funcionamiento dadas, como el ángulo de ataque), se puede determinar si y en qué medida (por ejemplo, leve, media o fuerte) la pala del rotor está sucia.

En el presente contexto, el término "ensuciar" puede denotar en particular una agregación de material en el borde delantero de la pala del rotor, tal como (i) acumulación de suciedad y polvo en el borde delantero y en las secciones anteriores del lado de succión. y lado de presión; (ii) acumulación de insectos muertos cerca de la punta de la pala; (iii) acumulación de pequeñas capas de hielo en el borde delantero; y (iv) acumulación de pequeñas capas de cristales de sal en el borde delantero.

Además de la suciedad, la degradación (erosión) de la superficie de las palas del rotor tendrá un impacto similar en el rendimiento. Por lo tanto, el sistema también se puede utilizar para detectar la erosión de las palas del rotor (y para generar una advertencia correspondiente de un alto nivel de erosión).

El sensor de presión está configurado para medir la presión de estancamiento (es decir, la presión que el fluido acumula cuando se ralentiza a una velocidad cero en el lugar de medición) en cada una de una pluralidad de posiciones por encima de una región del borde posterior (es decir, una parte de la superficie de la pala del rotor cerca del borde trasero). Por consiguiente, cada valor de presión representa la presión (de estancamiento) en una de una pluralidad de alturas por encima de la región del borde trasero de la pala del rotor.

La unidad de procesamiento recibe los valores de presión del sensor de presión y los usa para estimar la distribución de la velocidad del flujo de aire por encima de la región del borde trasero. Aquí, el término "estimación" debe entenderse de manera amplia. En particular, la estimación puede no implicar un cálculo directo (o estimación directa) de los valores reales de la velocidad del flujo, sino más bien una estimación de la distribución de la velocidad, es decir, el cambio (o tasa de cambio) en la velocidad del flujo en función de la altura sobre la pala del rotor. El término "estimación" también puede entenderse, por ejemplo, como que está por encima o por debajo de un valor umbral predeterminado para la presión de estancamiento. La estimación también puede basarse en la diferencia de presión entre la pluralidad de alturas de medición.

La distribución de la velocidad del flujo en condiciones ideales (pala de rotor limpia) es conocida (a partir de mediciones y/o simulaciones) y se caracterizará en particular por un cierto valor de gradiente correspondiente a la transición desde una alta velocidad de flujo a una cierta altura por encima de la superficie de la pala del rotor hasta velocidad de flujo cero en la superficie de la pala del rotor. Este valor de gradiente es, por tanto, una medida del grosor de la capa límite, es decir, un valor de gradiente grande (transición pronunciada) corresponde a una capa límite delgada, mientras que un valor de gradiente más pequeño (transición menos pronunciada) corresponde a una capa límite más gruesa. Por tanto, comparando la distribución estimada de la velocidad del flujo con la distribución conocida, se puede determinar si hay suciedad y en qué medida.

De acuerdo con un modo de realización de la invención, la unidad de procesamiento está adaptada para calcular un conjunto de valores de presión diferencial basándose en la pluralidad de valores de presión y para estimar la distribución de la velocidad del flujo de aire basándose en el conjunto de valores de presión diferencial.

Dado que una diferencia en la velocidad del flujo (entre dos puntos de medición) dará como resultado una diferencia correspondiente en la presión, el conjunto de valores de presión diferencial proporcionará una buena imagen de la relación entre las velocidades del flujo correspondientes.

De acuerdo con otro modo de realización de la invención, uno de los valores de presión es un valor de presión estática indicativo de una presión estática, y la unidad de procesamiento está adaptada para calcular el conjunto de valores de presión diferencial utilizando el valor de presión estática como valor de referencia.

En otras palabras, cada valor de presión diferencial se calcula como la diferencia entre uno de los valores de presión y el valor de referencia, donde el valor de referencia es el valor de presión estática.

De acuerdo con otro modo de realización de la invención, el valor de presión estática es el valor de presión correspondiente a la mayor altura por encima de la zona del borde de fuga.

En otras palabras, el valor de la presión estática se mide a la mayor altura sobre la superficie de la pala del rotor.

El valor de presión estática, que se utiliza como valor de referencia para calcular el conjunto de valores de presión diferencial, se puede obtener mediante un orificio de presión estática. En otras palabras, el valor de referencia no es la presión de estancamiento del flujo, sino la presión intrínseca del flujo en la parte superior de la capa límite.

Meramente como un ejemplo ilustrativo, el sensor de presión puede configurarse para proporcionar cuatro valores de presión p1, p2, p3 y p4 correspondientes a cuatro alturas diferentes h1, h2, h3 y h4 por encima de la región del borde trasero, donde h4 es la altura más grande. En este caso, la unidad de procesamiento puede calcular tres valores de presión diferencial dp1, dp2 y dp3 de la siguiente manera: dp1 = p1 - p4, dp2 = p2 - p4 y dp3 = p3 - p4. En este mismo ejemplo, p4 también podría representar el valor de la presión estática del fluido.

Un conjunto de valores de presión diferencial de este tipo proporciona una imagen simple pero muy informativa de la distribución de la velocidad del flujo, en particular de la diferencia entre las velocidades del flujo correspondientes a diferentes alturas.

De acuerdo con otro modo de realización de la invención, el sensor de presión comprende (a) una unidad de admisión de aire adaptada para colocarse en la región del borde trasero de la pala del rotor de la turbina eólica y que tiene una pluralidad de puertos de entrada, (b) una unidad de medición que tiene una pluralidad de dispositivos sensores, y (c) una unidad de guía adaptada para proporcionar canales de comunicación de fluidos individuales entre cada puerto de entrada y un dispositivo sensor correspondiente, donde los dispositivos sensores están adaptados para generar una señal eléctrica indicativa de la presión de estancamiento en el puerto de entrada correspondiente.

En otras palabras, la unidad de admisión de aire está configurada para colocarse en la pala del rotor de manera que los puertos de entrada se colocan en las alturas por encima de la superficie de la pala del rotor correspondientes a los valores de presión respectivos. La unidad de admisión de aire se puede colocar preferentemente en el lado de succión de la pala del rotor de la turbina eólica, es decir, el lado que mira hacia la torre de la turbina eólica durante el funcionamiento normal. Sin embargo, la unidad de admisión de aire también se puede colocar en el lado de presión o tanto en el lado de presión como en el lado de succión. En el último caso, se pueden utilizar combinaciones de medidas de ambos lados.

El dispositivo de medición contiene los dispositivos sensores reales para obtener los valores de presión individuales, preferentemente como señales eléctricas.

La unidad de admisión de aire y la unidad de medición están conectadas por la unidad de guía, que proporciona un canal de comunicación de fluido para cada par de puerto de entrada y dispositivo sensor.

De acuerdo con otro modo de realización de la invención, la unidad de admisión de aire está adaptada para montarse en la superficie de la pala del rotor de la turbina eólica o en una abertura que se extiende a través de la superficie de la pala del rotor de la turbina eólica. En particular, la unidad de admisión de aire puede adaptarse para montarse en el lado de succión de la pala del rotor a una distancia predeterminada del eje de rotación del rotor.

De acuerdo con otro modo de realización de la invención, la unidad de medición está adaptada para montarse dentro de un cubo de rotor de la turbina eólica.

De acuerdo con otro modo de realización de la invención, la unidad de guiado comprende una pluralidad de tubos adaptados para extenderse a través del interior de la pala del rotor de la turbina eólica y/o a través de una parte exterior de la pala del rotor de la turbina eólica.

En otras palabras, los tubos pueden extenderse dentro de la pala del rotor de la turbina eólica, a través de la superficie exterior de la pala del rotor de la turbina eólica, o una combinación de ambos, es decir, parcialmente a través de la superficie exterior y parcialmente dentro de la pala del rotor de la turbina eólica.

Al distribuir las unidades del sensor de presión de manera que la unidad de admisión de aire esté ubicada en la posición relevante en o en la superficie de la pala del rotor, la unidad de medición con sus sensores de presión (electrónicos) se ubica dentro del cubo del rotor, y la unidad de guía se extiende dentro y/o a través de la pala del rotor mientras proporciona una comunicación fluida entre la unidad de admisión de aire y la unidad de medición, se asegura que el equipo eléctrico/electrónico solo se encuentra en el cubo del rotor y no sobre ni en las palas del rotor. De este modo, se pueden evitar eficazmente los problemas relacionados con la conductividad del rayo.

De acuerdo con un modo de realización adicional de la invención, se adapta una pluralidad de tubos para extenderse desde la admisión de aire y hasta una parte de raíz de la pala del rotor de la turbina eólica.

De acuerdo con otro modo de realización de la invención, cada puerto de entrada de la pluralidad de puertos de entrada tiene una abertura que tiene una forma seleccionada del grupo que consiste en una forma circular, una forma elíptica, una forma rectangular y una forma rectangular con esquinas redondeadas. En el caso de una forma rectangular, preferentemente con esquinas redondeadas, esta constituye una abertura con esencialmente cuatro lados, es decir, un par de lados más largos sustancialmente paralelos y un par de lados más cortos sustancialmente paralelos. Las esquinas de tales aberturas de forma sustancialmente rectangular son preferentemente redondeadas (carenadas) para minimizar el impacto sobre el flujo.

De acuerdo con otro modo de realización de la invención, los lados más largos de las aberturas que tienen formas elípticas o rectangulares son sustancialmente paralelos a la superficie de la pala del rotor de la turbina eólica.

De este modo, se asegura que el valor de presión medido representa un promedio de las características de flujo a través de la pala en la altura correspondiente. Esto es particularmente importante para palas de rotor de turbina eólica que comprenden generadores de vórtice dispuestos a través de la superficie de la pala del rotor.

De acuerdo con otro modo de realización de la invención, la longitud de los lados más largos de las aberturas de forma elíptica o rectangular está comprendida entre 1 mm y 200 mm, en particular entre 1 mm y 20 mm o entre 10 mm y 200 mm, en particular entre 5 mm y 15 mm o entre 20 mm y 150 mm, en particular entre 8 mm y 12 mm o entre 30 mm y 100 mm.

Con aberturas de puerto de entrada elípticas o rectangulares que tienen un ancho en el rango de 10 mm a 200 mm, cualquier efecto de los generadores de vórtice colocados entre el borde delantero y la unidad de admisión de aire se puede promediar de manera efectiva, de modo que el valor de presión obtenido proporcione una utilidad representación de las características de flujo en la altura correspondiente sobre la superficie de la pala del rotor.

Si no hay generadores de vórtice, un ancho en el rango de 1 mm a 10 mm puede proporcionar excelentes resultados.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona una turbina eólica que comprende (a) una pluralidad de palas de rotor dispuestas en un cubo de rotor, y (b) al menos un sistema de acuerdo con el primer aspecto o cualquiera de los modos de realización descritos anteriormente.

La turbina eólica puede comprender un sistema para determinar el estado de suciedad de cada pala de rotor, por ejemplo, tres sistemas. En algunos modos de realización, se puede utilizar más de un sistema para cada pala de rotor. Por ejemplo, cada pala de rotor puede estar equipada con dos sistemas, uno para medir los valores de presión en una primera posición en la dirección longitudinal de la pala del rotor, por ejemplo, en un 70 % de radio, y otro para medir los valores de presión en una segunda posición en la longitud dirección de la pala del rotor, por ejemplo, al 50 % del radio. Promediando o utilizando de otro modo ambos sistemas, la precisión puede mejorarse aún más.

Teniendo en cuenta el estado de suciedad de la(s) pala(s) de rotor, un controlador de turbina eólica podrá optimizar el funcionamiento de la turbina eólica y aplicar medidas de seguridad en caso de situaciones peligrosas.

Como ejemplo, se proporciona un procedimiento para determinar el estado de suciedad de una pala de rotor de turbina eólica. El procedimiento comprende (a) medir una pluralidad de valores de presión correspondientes a una pluralidad de alturas diferentes por encima de una región del borde trasero de la pala del rotor de la turbina eólica, y (b) determinar el estado de suciedad de la pala del rotor de la turbina eólica estimando una distribución de velocidad de flujo de aire por encima de la región del borde trasero de la pala del rotor de la turbina eólica basándose en la pluralidad de valores de presión.

Este ejemplo se basa esencialmente en la misma idea que el primer aspecto descrito anteriormente. Debe observarse que se han descrito modos de realización de la invención con referencia a diferentes materias objeto. En particular, algunos ejemplos se han descrito con referencia a reivindicaciones de tipo de procedimiento, mientras que otros modos de realización se han descrito con referencia a reivindicaciones de tipo de aparato. Sin embargo, un experto en la técnica deducirá a partir de lo anterior y de la siguiente descripción que, a menos que se indique lo contrario, además de cualquier combinación de características que pertenezcan a un tipo de materia objeto, también cualquier combinación de características relacionadas con diferentes materias objeto, en particular combinaciones de características de las reivindicaciones de tipo de procedimiento y características de las reivindicaciones de tipo de aparato, se considera divulgada con este documento.

Los aspectos definidos anteriormente y aspectos adicionales de la presente invención resultan evidentes a partir de los ejemplos de modos de realización que van a describirse a continuación en el presente documento y se explican con referencia a estos ejemplos de modos de realización. A continuación se describirá la invención con mayor detalle con referencia a ejemplos de modos de realización. Sin embargo, se indica explícitamente que la invención no se limita a los modos de realización a modo de ejemplo descritos.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra un sistema de acuerdo con un modo de realización de la presente invención.

La figura 2 muestra distribuciones de velocidad de flujo correspondientes respectivamente a una pala de rotor sucia y limpia.

La figura 3A muestra una vista superior de una pala de rotor con un sensor de presión de acuerdo con la presente invención.

La figura 3B es una vista en perspectiva de la pala de rotor mostrada en la figura 3A.

La figura 3C muestra una vista en sección transversal de la pala del rotor mostrada en la figura 3A y la figura 3B. La figura 4 muestra un sensor de presión de acuerdo con un modo de realización de la presente invención.

La figura 5 muestra una pluralidad de distribuciones de velocidad de flujo estimadas de acuerdo con la presente invención.

La figura 6 muestra un sensor de presión de acuerdo con otro modo de realización de la presente invención.

Descripción detallada

La ilustración en el dibujo es esquemática. Cabe señalar que, en diferentes figuras, elementos similares o idénticos están provistos de los mismos números de referencia o de números de referencia que difieren solo en el primer dígito. La figura 1 muestra un sistema 100 para determinar el estado de suciedad de una pala de rotor de turbina eólica de acuerdo con un modo de realización de la presente invención. Más específicamente, el sistema 100 comprende un sensor de presión 110 y una unidad de procesamiento 120. La unidad de procesamiento 120 está en comunicación con el sensor de presión 110 y un controlador de turbina eólica 150.

El sensor de presión 110 comprende una unidad de admisión de aire 111 dispuesta en una superficie de una pala de rotor en la proximidad del borde trasero 105 y que tiene un puerto de entrada de referencia 112 que mide la presión estática cerca de una parte superior de la unidad de admisión de aire 111. La unidad 111 de admisión de aire comprende además tres puertos 113, 114, 115 de entrada dispuestos a diferentes alturas por encima de la superficie de la pala del rotor (y por debajo del puerto 112 de entrada de referencia). El puerto de entrada de referencia 112 alimenta el aire entrante al tubo de presión 116. Cada uno de los tres puertos de entrada 113, 114, 115 está formado como una hendidura sustancialmente rectangular que se extiende en paralelo con la superficie de la pala del rotor. El aire que entra en cada uno de los tres puertos de entrada 113, 114, 115 se alimenta a un tubo de presión correspondiente 117, 118, 119. Los tubos de presión 116, 117, 118, 119 están en comunicación fluida con los respectivos dispositivos sensores (no mostrados) que generan una señal eléctrica indicativa de la presión de estancamiento en el puerto de entrada correspondiente 113, 114, 115 y presión estática en el puerto de entrada correspondiente. 112. Estos dispositivos sensores están dispuestos preferentemente dentro de un cubo de rotor de la turbina eólica para evitar equipos electrónicos en o dentro de la pala del rotor. Sin embargo, en principio, los dispositivos sensores también pueden estar dispuestos directamente en o cerca de la unidad de admisión de aire 111.

La unidad de procesamiento 120 comprende tres unidades de resta 121, 122, 123, tres unidades de cálculo 131, 132, 133 y una unidad de determinación 140. La unidad de sustracción 121 recibe la señal eléctrica correspondiente a la presión en el puerto de entrada de referencia 112 y la señal eléctrica correspondiente a la presión en el puerto de entrada (superior) 113 y calcula un valor de presión diferencial correspondiente igual a la diferencia entre la presión en el puerto de entrada 113 y en el puerto de entrada de referencia 112. De forma alternativa, también se puede utilizar directamente un sensor de presión diferencial. De manera similar, la unidad de sustracción 122 recibe la señal eléctrica correspondiente a la presión en el puerto de entrada de referencia 112 y la señal eléctrica correspondiente a la presión en el puerto de entrada (medio) 114 y calcula un valor de presión diferencial correspondiente igual a la diferencia entre la presión en el puerto de entrada 114 y en el puerto de entrada de referencia 112. Finalmente, la unidad de sustracción 122 recibe la señal eléctrica correspondiente a la presión en el puerto de entrada de referencia 112 y la señal eléctrica correspondiente a la presión en el puerto de entrada (medio) 114 y calcula un valor de presión diferencial correspondiente igual a la diferencia entre la presión en el puerto de entrada 114 y en el puerto de entrada de referencia 112.

En este modo de realización, los valores de presión diferencial calculados por las unidades de sustracción 121, 122, 123 se suministran a las respectivas unidades de cálculo 131, 132, 133 que calculan los correspondientes valores de velocidad de flujo diferencial basándose en los valores de presión diferencial y otros parámetros relevantes disponibles, tales como densidad del aire, presión barométrica, temperatura, humedad, etc. Sin embargo, estas unidades de cálculo 131, 132, 133 no son absolutamente necesarias y por tanto opcionales, ya que el estado de suciedad de la pala también puede determinarse basándose en los valores de presión diferencial. En el presente modo de realización, los valores de velocidad de flujo diferencial calculados se suministran a la unidad de determinación 140 que los analiza para determinar si (y en qué medida) la pala del rotor está sucia. Si la unidad de determinación 140 determina que la pala de rotor está sucia, se transmite una señal correspondiente al controlador de turbina eólica 150, de manera que se puede tener en cuenta el estado de suciedad.

La figura 2 muestra distribuciones de la velocidad del flujo en la superficie de la pala de rotor 201 correspondientes respectivamente a una pala de rotor sucia y limpia. Más específicamente, la figura 2 muestra una unidad 211 de admisión de aire dispuesta en la superficie de una pala de rotor 201 en las proximidades del borde trasero. La unidad de admisión de aire se muestra esquemáticamente con un solo puerto de entrada con una longitud L y dispuesta paralela a la superficie de la pala del rotor 201 de manera que se enfrenta al flujo a través de la superficie de la pala del rotor que fluye desde el borde delantero al borde trasero. El perfil o distribución de la velocidad del flujo 224 corresponde a una pala limpia, donde la capa límite es relativamente delgada. Como puede verse, la velocidad del flujo es esencialmente constante desde una altura de h1 por encima de la superficie de la pala del rotor. Por debajo de la altura h1, la velocidad del flujo converge rápidamente hacia cero en la superficie de la pala del rotor (h = 0). En comparación, la velocidad de flujo 225 correspondiente a una pala sucia no alcanza el valor constante hasta la altura h2 que es significativamente mayor que h1. Por tanto, la capa límite es correspondientemente mayor en este caso. El impacto sobre el espesor es utilizado por la presente invención, en particular por la unidad de determinación 140 de la figura 1, para determinar el estado de suciedad de la pala 201 del rotor.

Cabe señalar que el grosor de la capa límite también depende del número de Reynolds y del ángulo de ataque. Por lo tanto, para cuantificar un perfil de velocidad de flujo (o presión) medido, se requiere el conocimiento de estas dos cantidades. El número de Reynolds se puede estimar basándose en la velocidad del rotor de la turbina eólica. El ángulo de ataque se puede estimar basándose en el ángulo de paso de las palas del rotor, la velocidad del rotor y la potencia de salida de la turbina eólica. Todas estas cantidades están fácilmente disponibles en el controlador de la turbina eólica (por ejemplo, el controlador 150 en la figura 1) de manera que las estimaciones correspondientes del número de Reynolds y el ángulo de ataque son sencillas.

La figura 3A muestra una vista superior, la figura 3B muestra una vista en perspectiva y la figura 3C muestra una vista en sección transversal de una pala de rotor 301 con un sensor de presión de acuerdo con la presente invención. La pala de rotor 301 tiene un borde trasero 305 y un borde delantero 306. La unidad de admisión de aire 311 está dispuesta en la superficie de la pala del rotor en la proximidad del borde trasero 305. Como es habitual en la técnica, una franja de generadores de vórtice 307 está dispuesta a través de la superficie de la pala de rotor 301 y en paralelo con el borde delantero 306. La estructura de la unidad de admisión de aire 311 es similar a la de la unidad de admisión de aire 111 mostrada en la figura 1 y analizada en detalle anteriormente. Así, como se muestra particularmente en la figura 3C, la unidad de admisión de aire 305 comprende tres puertos de entrada 313, 314, 315 dispuestos en diferentes alturas por encima de la superficie de la pala del rotor 301. Cada puerto de entrada 313, 314, 315 es lo suficientemente ancho para obtener medidas representativas promediando cualquier influencia de los generadores de vórtice 307.

La figura 4 muestra una unidad de admisión de aire 411 de sensor de presión de acuerdo con un modo de realización de la presente invención. La unidad de admisión de aire 411 se diferencia de las unidades de admisión de aire 111, 211 y 311 mostradas respectivamente en las figuras 1, 2 y 3 en que no está montada en la superficie de la pala de rotor 401 sino que se extiende a través de ella. Más específicamente, la unidad de admisión de aire 411 está formada como una unidad integral para ser fijada (desde el interior) en un orificio correspondiente en la pala del rotor 401 y también incluye tubos 416, 417, 418, 419 conectados respectivamente a los puertos de entrada 412, 413, 414, 415.

La figura 5 muestra un gráfico 560 que representa una pluralidad de distribuciones de velocidad de flujo estimadas de acuerdo con la presente invención. Para obtener los datos, se utilizó un sensor de presión que mide los valores de presión en tres alturas (10 mm, 20 mm y 30 mm) por encima de la superficie de la pala del rotor. Basándose en las mediciones de presión, se calcularon las velocidades de flujo correspondientes como se analizó anteriormente. Las curvas 561, 562, 563, 564, 565 y 566 que se muestran en el gráfico 560 se obtuvieron por interpolación lineal.

La curva 561 corresponde a medidas para una pala limpia con un ángulo de ataque de 4°, mientras que la curva 562 representa una medida para una pala sucia con un ángulo de ataque de 4°. Como puede verse, la velocidad de flujo v es en general más alta a lo largo de la curva 561 en comparación con la curva 562. Además, la curva 561 es mucho más empinada (correspondiente a un gradiente más grande) que la curva 562.

De manera similar, la curva 563 corresponde a medidas para una pala limpia con un ángulo de ataque de 6°, mientras que la curva 565 representa una medida para una pala sucia con un ángulo de ataque de 6°. Como puede verse, también en este caso la velocidad de flujo v es en general más alta a lo largo de la curva 563 en comparación con la curva 564. Además, la curva 563 es mucho más empinada (correspondiente a un gradiente más grande) que la curva 564.

La curva 565 corresponde a medidas para una pala limpia con un ángulo de ataque de 8°, mientras que la curva 566 representa una medida para una pala sucia con un ángulo de ataque de 8°. Como puede verse, la velocidad de flujo v exhibe un comportamiento similar a lo largo de la curva 565 (pala limpia) que la velocidad de flujo representada por las curvas 561 y 563. La principal diferencia es que la velocidad del flujo es un poco menor y aumenta más lentamente a lo largo de la mitad inferior de la curva 565 en comparación con las curvas 561 y 563. Volviendo a la curva 566 para la pala sucia con el mismo ángulo de ataque (8°), se puede ver que la velocidad de flujo es significativamente menor (menos de 15 m/s). En este caso, la suciedad hace que la cuchilla se atasque.

De manera similar, la curva 567 corresponde a medidas para una pala limpia con un ángulo de ataque de 10°, mientras que la curva 568 representa una medida para una pala sucia con un ángulo de ataque de 10°. Como puede verse, la velocidad de flujo v exhibe un comportamiento similar a lo largo de la curva 567 (pala limpia) que la velocidad de flujo representada por la curva 565, aunque la velocidad de flujo es menor y aumenta más lentamente a lo largo de la curva 567 en comparación con las curvas 565. Volviendo a la curva 568 para la pala sucia con el mismo ángulo de ataque (10°), se puede ver que la velocidad de flujo es significativamente menor (menos de 15 m/s). También en este caso, la suciedad hace que la cuchilla se atasque.

Los datos correspondientes a las curvas 561, 563, 565 y 567 (palas limpias, varios ángulos de ataque) pueden almacenarse ventajosamente en una memoria del sistema (por ejemplo, dentro de la unidad de determinación 140 de la figura 1) para permitir la comparación con los datos en vivo obtenidos durante el funcionamiento.

La figura 6 muestra un sensor de presión 610 de acuerdo con otro modo de realización de la presente invención. La estructura es en general similar a los modos de realización descritos anteriormente, en el sentido de que el sensor 610 comprende una unidad de admisión de aire 611 con puertos de entrada 612, 613, 614, 615 dispuestos en diferentes alturas. Sin embargo, en el presente modo de realización, la unidad de admisión de aire 611 comprende un pie longitudinal 611' en el que están dispuestos los dispositivos sensores de presión 676, 677, 678 y 679. Los dispositivos sensores 676, 677, 678 y 679 están en comunicación fluida con los puertos de entrada 612, 613, 614, 615 a través de los respectivos tubos de presión 616, 617, 618, 619 y generan señales eléctricas indicativas de la presión en el puerto de entrada correspondiente.

En general, los puertos de entrada de los sensores de presión descritos anteriormente están diseñados de manera que la humedad que entra en el puerto (por ejemplo, debido a la lluvia) es expulsada, por ejemplo, a través de orificios de drenaje, antes del dispositivo sensor de presión. Como alternativa a los orificios de drenaje, la apertura de cada canal de presión se puede realizar de tal manera que siempre se expulse agua debido a las fuerzas centrífugas de la rotación de las palas.

El sistema también puede combinarse con un sistema de purga, de modo que se sople aire desde el cubo del rotor para purgar toda la humedad que pueda acumularse en los orificios y/o purgar el polvo que pueda obstruir los puertos de entrada.

A excepción de las piezas que deben poder conducir la electricidad, el sensor de presión está fabricado preferentemente con materiales no conductores, como plásticos.

Cuando, por medio del sistema y los procedimientos descritos en el presente documento, se detecta que una o más palas del rotor están sucias, el controlador de la turbina eólica (por ejemplo, el controlador 150 en la figura 1) puede manejar la situación de varias formas, tales como (i) cambiar la configuración para hacer funcionar la turbina eólica en vista de la suciedad, (ii) solicitar a un operador que realice un lavado de palas, (iii) considerar la suciedad como información vital durante la medición de una campaña de curva de potencia, (iv) hacer funcionar la turbina eólica de forma menos agresiva para reducir el riesgo de pérdida, y (v) hacer funcionar la turbina eólica de forma menos agresiva para reducir la emisión de ruido.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema para determinar un estado de suciedad de una pala (201) de rotor de turbina eólica, comprendiendo el sistema

un sensor de presión (110) adaptado para medir una pluralidad de valores de presión correspondientes a una pluralidad de alturas diferentes por encima de una región del borde trasero (105) de la pala del rotor de la turbina eólica (201), y

una unidad de procesamiento (120) en comunicación con el sensor de presión (110) y adaptada para determinar el estado de suciedad de la pala del rotor de la turbina eólica (201) estimando una distribución de la velocidad del flujo de aire por encima de la región del borde trasero de la pala del rotor de la turbina eólica (201) basándose en la pluralidad de valores de presión, caracterizada por que el sensor de presión (110) comprende una unidad de admisión de aire (111) adaptada para colocarse en la región del borde trasero (105) de la pala del rotor de la turbina eólica (201) y que tiene una pluralidad de puertos de entrada (113), con una unidad de medición que tiene una pluralidad de dispositivos sensores (610), y

una unidad de guía adaptada para proporcionar canales de comunicación de fluidos individuales entre cada puerto de entrada (113) y un dispositivo sensor (610) correspondiente,

en el que los dispositivos sensores (610) están adaptados para generar una señal eléctrica indicativa de la presión de estancamiento en el puerto de entrada correspondiente (113), y

en el que la unidad de medición está adaptada para montarse dentro de un cubo de rotor de la turbina eólica.

2. El sistema de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que la unidad de procesamiento (120) está adaptada para calcular un conjunto de valores de presión diferencial basándose en la pluralidad de valores de presión y para estimar la distribución de velocidad del flujo de aire (224) basándose en el conjunto de valores de presión diferencial.

3. El sistema de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que uno de los valores de presión es un valor de presión estática indicativo de una presión estática, y en el que la unidad de procesamiento (120) está adaptada para calcular el conjunto de valores de presión diferencial utilizando el valor de presión estática como valor de referencia.

4. El sistema de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que el valor de presión estática es el valor de presión correspondiente a la mayor altura por encima de la región del borde trasero (105).

5. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de admisión de aire (111) está adaptada para montarse en la superficie de la pala del rotor de la turbina eólica o en una abertura que se extiende a través de la superficie de la pala del rotor de la turbina eólica, donde la unidad de admisión de aire (111) está adaptada en particular para montarse en el lado de succión de la pala del rotor (201) a una distancia predeterminada del eje de rotación del rotor.

6. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de guiado comprende una pluralidad de tubos adaptados para extenderse a través del interior de la pala del rotor de la turbina eólica (201) y/o a través de una parte exterior de la pala del rotor de la turbina eólica (201).

7. El sistema de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que la pluralidad de tubos está adaptada para extenderse desde la admisión de aire y hasta una parte de raíz de la pala del rotor de la turbina eólica (201).

8. El sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada puerto de entrada (113) de la pluralidad de puertos de entrada (113) tiene una abertura que tiene una forma seleccionada del grupo que consiste en una forma circular, una forma elíptica, una forma rectangular, y una forma rectangular con esquinas redondeadas.

9. El sistema de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que los lados más largos de las aberturas que tienen formas elípticas o rectangulares son paralelos a la superficie de la pala de rotor de turbina eólica (201).

10. El sistema de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que la longitud de los lados más largos de las aberturas que tienen formas elípticas o rectangulares está dentro del intervalo de 1 mm a 200 mm.

11. Un turbina eólica que comprende

una pluralidad de palas de rotor dispuestas en un cubo de rotor, y

al menos un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, estando adaptado el al menos un sistema para determinar el estado de suciedad de una de las palas del rotor (201).