ES2855987T3

ES2855987T3 - Pala de turbina eólica con pestaña de borde de salida

Info

Publication number: ES2855987T3
Application number: ES15763760T
Authority: ES
Inventors: Rodriguez Alonso O Zamora; Edward A Mayda
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2021-09-27
Anticipated expiration: 2035-09-03
Also published as: CN107923363B; EP3329117B1; US20190024627A1; EP3329117A1; US10495056B2; DK3329117T3; CN107923363A; WO2017039666A1

Abstract

Una pala de turbina eólica que comprende: una porción de raíz cilíndrica (26); una posición de cuerda máxima que comprende un perfil en sección transversal de superficie aerodinámica de sustentación; una región de transición (29) que comprende una longitud de transición radial entre la porción de raíz y la posición de cuerda máxima; un borde de salida (42) que está redondeado en sección transversal desde la porción de raíz hasta al menos una longitud de transición radialmente hacia afuera de la posición de cuerda máxima; y una pestaña alargada (44) que se extiende desde un lado de presión de la pala de turbina eólica sobre al menos una porción de la misma desde la posición de cuerda máxima hasta dicha longitud de transición hacia afuera de la posición de cuerda máxima; en la que pestaña está localizada dentro de un 10 % posterior de la longitud de la cuerda de la pala, y . en la que la pestaña comprende una altura normal al lado de presión, caracterizada por que la altura cambia gradualmente del 3 - 6 % de la longitud de la cuerda local en un extremo interior de la pestaña al 0,5 % - 2 % de la longitud de la cuerda local en un extremo exterior de la pestaña.

Description

DESCRIPCIÓN

Pala de turbina eólica con pestaña de borde de salida

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a la eficacia de la superficie aerodinámica y, en particular, a una pestaña que se extiende hacia la capa límite en el lado de presión de una pala de turbina eólica cerca del borde de salida para aumentar la sustentación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los diseños de turbinas eólicas han usado bordes de salida gruesos con un reverso plano en una porción interior de las palas para brindar resistencia y rigidez estructurales y una mayor sustentación. Sin embargo, el desprendimiento de vórtices de los bordes de salida con reverso plano crea ruido y arrastre. Además, los contornos afilados de las superficies aerodinámicas con reverso plano causan problemas de moldeo de las palas, añadiendo por tanto complejidad al diseño estructural de las palas y a los procedimientos de fabricación de las palas y aumentando el riesgo de disconformidad y horas de reparación. El desprendimiento de vórtices se ha reducido mediante dispositivos tales como las placas divisorias que se extienden por detrás desde el borde de salida con reverso plano. Sin embargo, esto no resuelve el problema de fabricación. En los documentos US2012/134836 y EP 2514961 se divulgan dos ejemplos de palas que tienen bordes redondeados relativamente gruesos .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La invención se explica en la siguiente descripción en vista de los dibujos que muestran:

La FIG. 1 ilustra la geometría de un diseño de pala de turbina eólica anterior.

La FIG. 2 es un perfil en sección transversal de una superficie aerodinámica anterior con reverso plano.

La FIG. 3 es un perfil en sección transversal de una superficie aerodinámica con reverso redondeado con una pestaña de borde de salida de lado de presión.

La FIG. 4 muestra otro modo de realización de pestaña.

La FIG. 5 es una vista en perspectiva parcial de una porción interior de una pala de turbina eólica que muestra aspectos de un modo de realización de la invención.

La FIG. 6 es un perfil en sección transversal de una pestaña en forma de triángulo rectángulo.

La FIG. 7 es un perfil en sección transversal de pestaña isósceles redondeada.

La FIG. 8 es un perfil en sección transversal de pestaña aguda asimétrica redondeada.

La FIG. 9 es un perfil en sección transversal de una pestaña aguda asimétrica parcialmente redondeada. La FIG. 10 es un perfil en sección transversal de una pestaña en forma de L.

La FIG. 11 es un perfil en sección transversal de una pestaña en forma de L con la rampa delantera completamente fileteada.

La FIG. 12 muestra una sección transversal de un borde de salida con una pestaña incorporada.

La FIG. 13 muestra una sección transversal de un borde de salida con una cubierta adicional con una pestaña y turbuladores.

La FIG. 14 muestra una sección transversal de un borde de salida con una cubierta adicional con una pestaña extendida.

La FIG. 15 es una vista en perspectiva parcial de una porción interior de una pala de turbina eólica que muestra otro modo de realización de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La FIG. 1 muestra el diseño de una pala de turbina eólica anterior que tiene un borde de ataque LE, un borde de salida, TE, y un tramo radial S desde una raíz 22 hasta una punta 24. Tiene una región de raíz cilíndrica 26 con una longitud radial 27, un reborde 28 en la posición de longitud máxima de la cuerda C y una región de transición 29 con una longitud radial 30 entre la porción de raíz cilíndrica 26 y el reborde 28. La región de transición hace una transición de forma entre un perfil cilíndrico 31 en la región cilíndrica 26, a través de un perfil romo intermedio en forma de huevo 32, a un perfil de sustentación 33 con un lado de presión PS y un lado de succión SS en el reborde. "Radialmente" significa en el presente documento en sentido transversal S. "Radialmente hacia adentro" o "dentro" significa hacia o más cerca de la raíz 22. "Radialmente hacia afuera" o "exterior" significa hacia o más cerca de la punta 24. Fuera del reborde 28, la pala se estrecha hasta la punta 24. Las porciones 34 del lado de presión de la pala pueden ser cóncavas.

La FIG. 2 muestra un perfil de una superficie aerodinámica con reverso plano con un borde de salida plano 40 relativamente grueso. Este diseño aumenta la fuerza, la rigidez y la sustentación de la pala en comparación con una superficie aerodinámica de otro modo similar con un borde de salida afilado y la misma longitud de la cuerda C y el mismo grosor máximo T. Sin embargo, también aumenta el arrastre y el ruido por desprendimiento de vórtices, y es difícil de moldear debido a los bordes afilados del reverso plano.

La FIG. 3 muestra un perfil de una superficie aerodinámica con reverso redondeado con un borde de salida redondeado 42A relativamente grueso. Se puede considerar como la superficie aerodinámica de la FIG. 1 pero con un borde de salida redondeado. Esto proporciona rigidez sin bordes afilados y, por tanto, es práctico de moldear, pero no aumenta la sustentación tanto como una superficie aerodinámica con reverso plano de otro modo similar. Los inventores descubrieron que la adición de una pestaña 44A que se extiende desde el lado de presión PS cerca del borde de salida 42A aumenta la sustentación y puede restaurar el rendimiento original de la superficie aerodinámica con reverso plano equivalente. Por ejemplo, la pestaña puede estar localizada en el 10 % posterior de la cuerda C. El flujo de aire 48 se ralentiza delante 46 de la pestaña, aumentando la presión y la sustentación. La pestaña también dirige el flujo hacia abajo, aumentando aún más la sustentación.

La FIG. 4 muestra otro modo de realización de pestaña 44B con una superficie frontal cóncava 50 que ayuda a lanzar el flujo de aire hacia abajo. La superficie trasera 51 de la pestaña también puede ser cóncava o estar fileteada sobre el borde de salida, lo que aumenta el área de la superficie de montaje y la resistencia estructural. La pestaña se puede montar en la pala mediante adhesivo u otros medios. La curvatura del borde de salida redondeado puede ser en general circular con un radio R que varía con la posición radial a lo largo de la pala. Por ejemplo, el radio puede ser el 50 % de la longitud de la cuerda en la porción de raíz cilíndrica (siendo la cuerda un diámetro de la porción de raíz cilíndrica), estrechándose al 5 - 10 % de la longitud de la cuerda en el reborde y estrechándose aún más al 2 - 3 % de la longitud de cuerda local en una posición del 30 al 50 % del tramo de la pala a partir de la raíz 22. Si la superficie aerodinámica tiene un lado de presión cóncavo 34, hay un punto de inflexión 52 donde el lado de presión cóncavo hace una transición al borde de salida convexo 42A. En un modo de realización, la pestaña 44B puede seguir este punto de inflexión a lo largo de al menos una porción del tramo de la pala, por ejemplo desde el reborde hasta al menos una longitud de transición 30B (FIG. 5) más allá del reborde, o desde el reborde a una posición radial del 20 - 30 % del tramo de la pala a partir de la raíz 22.

La pestaña se puede estrechar en altura H desde lo máximo en un extremo interior de la pestaña hasta lo mínimo en el extremo exterior. En el extremo interior, el aumento de la sustentación es más significativo y el arrastre es menos significativo para la producción de energía, mientras que, en el extremo exterior, el arrastre por fricción y de forma se vuelven más significativos, debido a la velocidad local de la pala en relación con el aire. Si la pestaña tiene un extremo interior en o próximo al extremo interior de la región de transición 29, la altura de la pestaña en el extremo interior de la pestaña puede ser, por ejemplo, el 5 - 12 % de la longitud de la cuerda y puede ser inversamente proporcional a la distancia radial, lo que significa que la altura de la pestaña se reduce a la mitad dos veces la posición radial del extremo interior de la pestaña. Si la pestaña tiene un extremo interior en el reborde 28 o próximo al mismo, la altura de la pestaña puede comenzar, por ejemplo, en el 3 - 6 % de la longitud de la cuerda local, y puede ser inversamente proporcional a la distancia radial. De forma alternativa, la altura de la pestaña puede disminuir en proporción a la longitud de la cuerda local. Por ejemplo, si la pestaña comienza en el reborde, la altura de la pestaña se puede estrechar del 3 - 6 % de la longitud de la cuerda local en el extremo interior de la pestaña al 0,5 % - 2 % o al 0,5 % - 1 % de la longitud de la cuerda local en el extremo exterior de la pestaña. La altura de la pestaña se puede medir de forma normal al lado de presión de la punta o el vértice de la pestaña.

En un modo de realización, la altura de la pestaña se puede establecer con relación a una capa límite local, que se puede definir, por ejemplo, en condiciones ambientales de referencia de temperatura de 15 °C, presión de 1013 hPa, densidad de 1.225 kg/m3 y velocidad del viento de 10 m/s. De forma alternativa, las condiciones de referencia se pueden personalizar para un sitio o elevación dados. En el presente documento, "capa límite" significa una capa de flujo de aire que hace contacto con la superficie de la pala y se extiende hacia afuera hasta una distancia a la cual el aire fluye al 99 % de la velocidad del viento de flujo libre con respecto a la pala. La altura H de la pestaña puede variar, por ejemplo, desde el 100 % del grosor de la capa límite en el extremo interior hasta el 25 % del grosor de la capa límite en el extremo exterior. Se pueden usar combinaciones de limitaciones de altura de pestaña, por ejemplo, el extremo interior de la pestaña puede tener una altura del 5 - 12 % de la longitud de la cuerda local, mientras que el extremo exterior puede ser del 25 - 100 % o del 50 - 100 % de la capa límite local.

La FIG. 5 es una vista en perspectiva parcial de una porción interior 20B de una pala de turbina eólica que ilustra aspectos de un modo de realización de la invención. La pala puede tener una raíz 22, una región de raíz cilíndrica 26 con una longitud radial 27, un reborde 28 en una posición radial de la longitud máxima de la cuerda C y una región de transición 29 con una longitud radial 30A (longitud de transición) que abarca entre la porción de raíz cilíndrica 26 y el reborde 28. La región de transición puede hacer una transición de forma entre un perfil cilíndrico 31 en la región cilíndrica 26, a través de un perfil intermedio en forma de huevo 32, a un perfil de sustentación 33B con un lado de presión PS y un lado de succión SS en el reborde 28. Las porciones 34 del lado de presión de la pala pueden ser cóncavas. La pala puede tener un borde de salida redondeado 42A que continúe desde el perfil en forma de huevo 32 hasta una posición más allá del reborde 28, por ejemplo hasta una posición al menos una longitud de transición 30B más allá del reborde o de forma alternativa hasta al menos el 30 % o 20 % del tramo de la pala a partir de la raíz 22. Una pestaña alargada 44B de acuerdo con un modo de realización de la invención se puede extender desde un lado de presión de la pala o a lo largo de al menos la mayor parte de una porción del borde de salida desde el reborde hasta una longitud de transición 30B (igual de longitud a 30A) más allá de la reborde o hasta el 30 % o 20 % de la extensión de la pala a partir de la raíz 22. La pestaña alargada se puede extender adicionalmente sobre al menos la mayor parte de la región de transición 29.

Las FIGS. 6 - 17 muestran formas en sección transversal ejemplares para modos de realización de pestaña con un vértice 45, una base B y una altura H. La FIG. 6 es un perfil en sección transversal de una pestaña en forma de triángulo rectángulo 44C. La FIG. 7 es un perfil en sección transversal de la pestaña isósceles redondeada 44D. La FIG. 8 es un perfil en sección transversal de una pestaña aguda asimétrica redondeada 44E. La FIG. 9 es un perfil en sección transversal de una pestaña aguda asimétrica parcialmente redondeada 44F. La FIG. 10 es un perfil en sección transversal de una pestaña en forma de L 44G. La FIG. 11 es un perfil en sección transversal de la pestaña en forma de L G con una rampa delantera cóncava completamente fileteada y una base fileteada. En todos los modos de realización, la longitud de la base B puede ser al menos el 60 % de la altura H para la resistencia y la durabilidad estructurales de la unión entre la base y el lado de presión.

La FIG. 12 muestra un borde de salida redondeado 42B que incluye una pestaña 44H formada en el molde de la pala e integrada en el borde trasero 42B. La FIG. 13 muestra un borde de salida redondeado 42C indentado tal como se formó para aceptar una cubierta de borde de salida redondeado adicional 42D que incluye una pestaña 441. Puede incluir además turbuladores 54 en la mitad superior del borde de salida, tales como salientes alineados con el borde de salida. "Mitad superior" significa la mitad del borde de salida hacia el lado de succión SS. Los turbuladores aumentan la producción de turbulencia y esto ayuda a que el flujo permanezca unido a la superficie del borde de salida redondeado más tiempo que una capa límite laminar, como se conoce en algunos platillos voladores de juguete y pelotas de golf con hoyuelos Frisbee®. Esto reduce el arrastre de presión y dirige el flujo de borde de salida 48 hacia abajo en sinergia con la pestaña 441, aumentando la sustentación. Los salientes solo necesitan tener una altura de 1 - 5 mm o pueden ser más altos en el extremo interior del borde de salida 42D para maximizar la sustentación, y más bajos en el extremo exterior para minimizar el arrastre por fricción.

La FIG. 14 muestra una pestaña 44J que se extiende hacia atrás y hacia abajo desde el borde trasero moldeado 42C, aumentando por tanto la longitud de la cuerda C hasta en un 20 % sobre la longitud de la cuerda moldeada. Esta pestaña se puede unir por medio de una cubierta de borde de salida adicional 42E con un reverso redondeado. Puede incluir además turbuladores como en la FIG. 13. Pueden estar disponibles diferentes cubiertas adicionales tales como 42D, 42E y otras para adaptar un diseño de pala base para diferentes condiciones ambientales medias en diferentes lugares de instalación y elevaciones.

La FIG. 15 muestra una porción interior de una pala de turbina eólica 20C con una aleta corrugada curvada hacia abajo 56 en el lado de presión cerca del borde de salida sobre al menos la mayor parte de la longitud 30A de la región de transición 29. La pestaña 56 puede tener una altura mayor en el extremo interior, tal como un 10 % de cuerda, estrechándose hasta un 5 % en el reborde 28. Una pestaña 44B en cualquier modo de realización descrito previamente puede comenzar en el reborde 28 con una altura tal como del 5 % de cuerda, y estrecharse a una altura más baja tal como el 2 % de cuerda en una posición radial una longitud de transición 30B fuera del reborde. Esto proporciona una mayor sustentación hacia el interior del reborde y un menor arrastre por fricción fuera del reborde.

Si bien en el presente documento se han mostrado y descrito diversos modos de realización de la presente invención, será obvio que dichos modos de realización se proporcionan solo a modo de ejemplo. Se pueden realizar en el presente documento numerosas variaciones, cambios y sustituciones sin apartarse de la presente invención. En consecuencia, está previsto que la invención se limite solo por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una pala de turbina eólica que comprende:

una porción de raíz cilíndrica (26);

una posición de cuerda máxima que comprende un perfil en sección transversal de superficie aerodinámica de sustentación;

una región de transición (29) que comprende una longitud de transición radial entre la porción de raíz y la posición de cuerda máxima;

un borde de salida (42) que está redondeado en sección transversal desde la porción de raíz hasta al menos una longitud de transición radialmente hacia afuera de la posición de cuerda máxima; y una pestaña alargada (44) que se extiende desde un lado de presión de la pala de turbina eólica sobre al menos una porción de la misma desde la posición de cuerda máxima hasta dicha longitud de transición hacia afuera de la posición de cuerda máxima;

en la que pestaña está localizada dentro de un 10 % posterior de la longitud de la cuerda de la pala, y en la que la pestaña comprende una altura normal al lado de presión, caracterizada por que la altura cambia gradualmente del 3 - 6 % de la longitud de la cuerda local en un extremo interior de la pestaña al 0,5 % - 2 % de la longitud de la cuerda local en un extremo exterior de la pestaña.

2. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la pestaña se extiende además a lo largo de al menos una porción de la región de transición y comprende una altura normal al lado de presión, en la que la altura cambia gradualmente del 5 - 12 % de la longitud de la cuerda local en un extremo interior de la pestaña al 0,5 % - 2 % de la longitud de la cuerda local en un extremo exterior de la pestaña.

3. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la pestaña se extiende además a lo largo de al menos una porción de la región de transición y comprende una altura normal al lado de presión, en la que la altura es del 5 - 12 % de la longitud de la cuerda local en un extremo interior de la pestaña, y la altura de la pestaña es inversamente proporcional a la posición radial a lo largo del tramo radial de la pestaña.

4. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la pestaña se extiende además a lo largo de una porción de la región de transición y comprende una altura normal al lado de presión, en la que la altura se estrecha desde el 5 - 12 % de la longitud de la cuerda local en un extremo interior de la pestaña al 25 % -100 % de una capa de límite local en un extremo exterior de la pestaña.

5. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, en la que el lado de presión es cóncavo sobre al menos una porción del mismo desde la posición de cuerda máxima hasta dicha longitud de transición hacia afuera de la posición de cuerda máxima, y la pestaña alargada se extiende desde y sigue un punto de inflexión cóncavo/convexo entre la porción cóncava del lado de presión y el borde de salida redondeado.

6. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la pestaña es en general triangular en sección transversal y comprende una superficie frontal cóncava.

7. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la pestaña es en general una sección transversal en forma de L que comprende una porción de base orientada hacia adelante y una rampa delantera completamente fileteada entre la porción de base y una porción de altura de la misma.

8. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la pestaña es parte de una cubierta adicional unida a un borde de salida moldeado de la pala, formando la cubierta el borde de salida redondeado de la pala y la pestaña, y comprendiendo además turbuladores en una mitad superior del borde de salida redondeado, estando la mitad superior hacia un lado de succión de la pala.

9. La pala de turbina eólica de la reivindicación 8, en la que los turbuladores comprenden una pluralidad de salientes paralelos al borde de salida.

10. La pala de turbina eólica de la reivindicación 8, en la que los turbuladores disminuyen en altura en proporción a la posición radial.

11. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, que comprende además una pestaña corrugada curvada hacia abajo en el lado de presión cerca del borde de salida sobre una porción de la longitud de la región de transición, en la que la pestaña corrugada comprende una primera altura en un extremo interior de la misma y una segunda altura menor en la posición de cuerda máxima, en la que la pestaña alargada tiene un extremo interior en la posición de cuerda máxima a partir de una tercera altura que no es mayor que la segunda altura, y la pestaña alargada se extiende radialmente hasta al menos una longitud de transición fuera del reborde y se estrecha a una cuarta altura en el extremo exterior de la pestaña que es menor que la tercera altura.

12. Una pala de turbina eólica que comprende:

una raíz, una punta y un tramo entre ellos;

una porción de raíz cilíndrica (26) que se extiende radialmente hacia afuera desde la raíz;

una posición de cuerda máxima que comprende un perfil en sección transversal de superficie aerodinámica de sustentación en una posición radial fuera de la porción de raíz cilíndrica;

una transición de la forma de superficie aerodinámica sobre una longitud de transición en sentido transversal entre la porción de raíz cilíndrica y la posición de cuerda máxima;

un borde de salida redondeado (42) con un radio de curvatura de al menos el 2 % de una longitud de la cuerda local como se ve en sección transversal sobre un 30 % interior del tramo de la pala; y

una pestaña (44) que se extiende desde un lado de presión de la pala de la turbina eólica dentro de un 10 % posterior de la longitud de la cuerda local sobre una porción de la pala desde la posición de cuerda máxima hasta al menos una longitud de transición fuera desde la posición de cuerda máxima, caracterizada por que el radio de curvatura es el 50 % de la longitud de la cuerda local en la porción de raíz cilíndrica, y se reduce al 3-5 % de la longitud de la cuerda local en una longitud de transición fuera desde la posición de cuerda máxima.