ES2925301T3 - Pala de turbina eólica con dispositivos antirruido - Google Patents

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Abstract

Un aerogenerador que comprende al menos una pala (11) que tiene un perfil aerodinámico con un borde de ataque (13), un borde de salida (15) y lados de succión y presión entre el borde de ataque (13) y el borde de salida (15) que incluye un dispositivo antirruido (31) colocado en el lado de aspiración formado por elementos (33) que modifican los espectros de frecuencia del ruido de la capa límite. Preferiblemente, el dispositivo antirruido (31) se coloca en el lado de succión entre dos secciones correspondientes a posiciones de cuerda en el rango de 40%-95% de la longitud de la cuerda, medida desde el borde de ataque (13). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Pala de turbina eólica con dispositivos antirruido
Campo de la invención
La invención se refiere a palas de turbinas eólicas con dispositivos antirruido y, en particular, con dispositivos previstos para reducir el ruido aerodinámico audible producido en dB(A).
Antecedentes
Una restricción importante en la producción de energía en turbinas eólicas es la impuesta por el ruido generado durante su funcionamiento. En particular, las palas de las turbinas eólicas producen un ruido audible debido a la interacción entre las capa límite y el borde de fuga.
Las capas límite turbulentas en las palas de las turbinas eólicas producen ruido después del inicio de la transición y cuando interactúan con el borde de fuga. La anisotropía, la historia y la escala de longitud de la turbulencia dentro de la capa límite afectan al ruido generado por una superficie aerodinámica.
Se conocen varias propuestas para reducir el ruido aerodinámico producido por las palas de las turbinas eólicas.
Una de ellas es el uso de bordes posteriores aserrados. En este sentido, EP-0652367 describe palas de rotor que tienen su borde trasero conformado de forma irregular, en particular en forma de dientes de sierra, EP-1314885 describe palas de rotor con bordes de fuga aserrados, teniendo cada uno una pluralidad de hendiduras periódicas a lo largo de su envergadura, en forma de dientes de sierra que tienen aproximadamente 60 grados incluidos ángulos entre vértices adyacentes. EP-1338793 describe palas de rotor en las que se forma una hendidura en la parte del borde de fuga de la pala que está conformada en una serración de diente triangular, de diente trapezoide o de diente de sierra.
Otra propuesta, descrita en WO2006/122547, es el uso de medios generadores de turbulencias como medios de reducción del ruido. Dichos medios se sitúan en el lado de la superficie de sotavento de la pala de turbina eólica y en la sección exterior de la pala de turbina eólica en dirección de la punta de la pala.
US2007/0110585 describe una pala de rotor para una turbina eólica que incluye una superficie que tiene una pluralidad de elementos de característica aerodinámica conformados en la misma, sirviendo dichos elementos para influir en un flujo de aire en dicha superficie durante el funcionamiento de la turbina eólica y dispuestos en un patrón tridimensional.
JP2003254225 describe un dispositivo para reducir el ruido del flujo de aire de un aerogenerador, donde un aerogenerador de tipo de bajo ruido se materializa reduciendo el ruido del flujo de aire durante el funcionamiento.
La técnica anterior transmite también el uso de métodos de control operativo de turbinas eólicas para reducir el ruido aerodinámico y, en particular, controlar la velocidad del rotor. En este sentido, la publicación “Wind Turbine Noise” , Wagner y col., Springer-Verlag Berlín Heidelberg 1996 resume los problemas generados por el ruido producido por las turbinas eólicas y algunas propuestas para su reducción.
La presente invención proporciona una solución diferente para reducir el ruido aerodinámico producido por las palas de las turbinas eólicas.
Sumario de la invención
Un objeto de la presente invención es proporcionar una pala de turbina eólica con medios que permitan alterar las características de la capa límite y, por lo tanto, modificar el ruido emitido.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar una pala de turbina eólica con medios de reducción del ruido audible. Aunque la energía acústica en la emisión de ruido puede permanecer inalterada, la producción de ruido audible se reducirá.
Estos y otros objetos de la presente invención se consiguen proporcionando una turbina eólica que comprende al menos una pala que tiene un perfil aerodinámico con un borde de ataque, un borde de fuga y lados de succión y presión entre el borde de ataque y el borde de fuga, y que incluye un dispositivo antirruido situado en el lado de succión formado por elementos que modifican los espectros de frecuencia del ruido de la capa límite.
Como se explicará en detalle a continuación, dichos elementos no pretenden producir turbulencias como mecanismo para la reducción del ruido como en WO 2006/122547, sino estructuras fluídicas coherentes. La introducción de turbulencias implica la introducción de movimiento aleatorio en la capa límite, mientras que la introducción de estructuras coherentes está asociada a la introducción de movimiento ordenado en la capa límite.
Otras características y ventajas de la presente invención se entenderán a partir de la siguiente descripción detallada en relación con los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una vista lateral esquemática de una pala de turbina eólica con un dispositivo antirruido según la presente invención.
La Figura 2 es una vista en perspectiva de un elemento único de un dispositivo antirruido según la presente invención.
La Figura 3 es una vista en planta del elemento único mostrado en la Figura 2.
Las Figuras 4, 5 y 6 son vistas en perspectiva de tres realizaciones distintas de un dispositivo antirruido según la presente invención.
La Figura 7 muestra esquemáticamente las estructuras vorticiales coherentes generadas por un elemento único de un dispositivo antirruido según la presente invención.
La Figura 8 muestra una visualización con aceite en superficie del efecto de las estructuras coherentes en la superficie de una pala.
Descripción detallada de realizaciones preferidas
Cuando el flujo pasa por una pala, se forma una capa límite. Esta capa límite es la región en el campo de flujo donde la velocidad se adapta partiendo de la velocidad en el flujo alejado de la pala y de la condición antideslizante que se impone de forma natural sobre la superficie de esta. La naturaleza de la capa límite puede ser laminar o turbulenta. Una capa límite laminar podría verse como una capa límite donde el flujo se mueve suavemente, como en capas paralelas a la superficie. Las capas límite laminares se desarrollan de forma natural en capas límite turbulentas, donde hay un componente elevado de movimiento aleatorio. El cambio de laminar a turbulento ocurre en una región denominada “ región de transición” , donde se desarrollan diferentes estructuras fluídicas que cambian la naturaleza de la capa límite. La primera estructura turbulenta que aparece es el “punto turbulento” . Los puntos turbulentos se desplazan corriente abajo, se fusionan y se desarrollan en estructuras A (también denominadas estructuras de horquilla). Las últimas estructuras promueven el mezclado en la capa límite y, debido a los patrones de movimiento introducidos en el flujo, se automantienen. Poco después de la aparición de las estructuras A, el flujo se vuelve completamente turbulento y no puede encontrarse ningún orden instantáneo. En las capas límite turbulentas los efectos viscosos “ reales” (aquellos debidos a la viscosidad) solo están presentes en la subcapa viscosa, que es una región muy pequeña cerca de la pared. En el resto de la capa límite turbulenta, solo son aparentes los efectos viscosos, ya que se deben al movimiento aleatorio y no a la viscosidad y la disipación de la energía del esfuerzo cortante.
Los niveles de potencia del ruido emitido y su distribución en frecuencias dependen en gran medida de la escala de longitud de la turbulencia y los espectros de potencia de las fluctuaciones de presión introducidas en la superficie de la pala por el movimiento turbulento. La escala de las estructuras turbulentas dentro de la capa límite es del mismo orden que la del grosor de la capa límite, y sus escalas de longitud características y la distribución de los espectros de potencia dependen en gran medida de la historia de la capa límite corriente arriba de la localización considerada que, a efectos aeroacústicos, suele ser el borde de fuga.
La idea de esta invención es alterar tanto la escala de la turbulencia como su distribución de potencia en el dominio de frecuencia mediante el uso de elementos que introduzcan estructuras fluídicas coherentes, situados detrás de la localización de la línea de transición, donde se produce el cambio de la capa límite laminar a turbulenta.
La Figura 1 muestra una pala 11 de turbina eólica que tiene un borde 13 de ataque y un borde 15 de fuga que incluye un dispositivo antirruido 31 según esta invención situado en el lado derecho desde el punto de vista de la dirección del viento 17- de la línea de transición 21 donde se produce el cambio de una capa límite laminar a una capa laminar turbulenta.
Cuando el flujo cerca de la pala pasa por el dispositivo antirruido, se producen estructuras vorticales coherentes 35 (véase la Fig. 7), alineadas con la corriente libre, que alteran drásticamente la capa límite y cambian sus características fluídicas. Los vórtices coherentes alineados con la corriente han demostrado tener un gran impacto sobre la distribución de la velocidad en la capa límite y sobre sus características turbulentas, es decir, niveles de turbulencia, producción de energía cinética turbulenta, etc., (véase la Fig. 8).
En las palas de turbina eólica modernas puede considerarse que la línea 21 de transición está situada, para ángulos de ataque moderados, entre dos secciones correspondientes a posiciones de cuerda en el intervalo de 40 %-95 % de la longitud de cuerda, medido desde el borde 13 de ataque.
La Figura 1 muestra el dispositivo antirruido 31 extendiéndose desde la raíz 19 hasta la punta 21. Se cree que el dispositivo antirruido 31 debe situarse a lo largo de una sección de la pala 11 que se extienda entre el 5 % y el 100 % de su longitud medida desde su raíz 19.
En otra realización, el dispositivo antirruido 31 se pone a lo largo de una sección de la pala 11 que se extiende entre el 66 % y el 100 % de su longitud medida desde su raíz 19.
La Figura 2 muestra una realización de un elemento 33 único que puede utilizarse en el dispositivo antirruido 31 en su posición con respecto a la dirección de flujo indicada por el eje x y la amplitud de la pala indicada por el eje z.
Según las Figuras 2 y 3, puede verse que el único elemento 33 es un cuerpo de una forma de flecha que se sitúa en el lado de succión de la pala 11 con la punta 41 de flecha orientada hacia el borde 13 de ataque.
En otra realización, el elemento 33 único se posiciona en el lado de succión de la pala 11 con la punta 41 de flecha orientada hacia el borde 15 de fuga.
El elemento 33 está definido por las caras trapezoidales superiores e inferiores derecha e izquierda 51, 53, 55, 57 con lados centrales comunes desde la punta 41 de flecha hasta el centro 43 de flecha y las caras laterales 61, 63, 65, 67, 69, 71 extendiéndose entre dichas caras superior e inferior 51, 53, 55, 57.
En una realización preferida, las alturas t1, t2, t3 y t4 de, respectivamente, la punta 41 de flecha, el centro 43 de flecha y los extremos izquierdo y derecho 45, 47 están comprendidas entre 0-10 mm.
En otra realización preferida, la altura t1 de la punta 41 de flecha es menor que la altura t2 del centro 43 de flecha, y las alturas t3, t4 de los extremos izquierdo y derecho 45, 47 son menores que la altura t2 del centro 43 de flecha y mayor que la altura t1 de la punta 41 de flecha.
En una realización preferida, el ángulo 01 entre el lado exterior 75 de la cara superior izquierda 51 y el eje 77 de flecha está comprendido entre 5-60 grados, el ángulo 02 entre el lado exterior 79 de la cara superior derecha 53 y el eje 77 de flecha está comprendido entre 5-60 grados, el ángulo 03 entre el lado interior 81 de la cara superior izquierda 51 y el eje 77 de flecha está comprendido entre 30-90 grados y el ángulo 04 entre el lado interior 83 de la cara superior derecha 53 y el eje 77 de flecha está comprendido entre 30-90 grados.
En una realización preferida, la longitud A1 del lado 85, que conecta los lados interior y exterior 81, 75 de la cara superior izquierda 51, está comprendida entre 0-20 cm, la longitud A2 del lado 87, que conecta los lados interior y exterior 83, 79 de la cara superior derecha 53, está comprendida entre 0-20 cm, la longitud A3 de un saliente lateral del elemento 33 está comprendida entre 0-20 cm y la longitud A4 de un saliente frontal del elemento 33 está comprendida entre 0-20 cm.
La Figura 4 muestra un dispositivo antirruido 31 formado por una pluralidad de elementos 33 situados sobre la pala individualmente, dejando espacios entre ellos.
La Figura 5 muestra un dispositivo antirruido 31 formado por una pluralidad de elementos 33 situados sobre la pala en grupos, dejando espacios entre los grupos.
La Figura 6 muestra un dispositivo antirruido 31 formado por una pluralidad de elementos 33 situados sobre la pala uno junto a otro sin dejar espacios entre ellos.
Variando las dimensiones geométricas ya definidas y la separación entre los elementos 33, pueden obtenerse diferentes resistencias vorticales y tamaños de núcleo para las estructuras vorticales coherentes. Las dimensiones geométricas de los elementos 33 afectan a las características fluídicas de los filamentos generados y, por lo tanto, pueden ajustarse para utilizarse en una amplia gama de características operativas de turbinas eólicas para reducir el ruido. En todos los casos se espera que el cambio en las distribuciones de velocidad y vorticidad dentro de la capa límite cambie la distribución de los espectros de potencia de ruido [en dB(A)].
Aunque la presente invención se ha descrito completamente en relación con realizaciones preferidas, es evidente que pueden introducirse modificaciones dentro del ámbito de las mismas, sin considerar estas limitadas por estas realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones que siguen.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Una turbina eólica que comprende
al menos una pala (11) que tiene un perfil aerodinámico con un borde (13) de ataque, un borde (15) de fuga, un lado de succión y un lado de presión entre el borde (13) de ataque y el borde (15) de fuga, la pala (11) incluye un dispositivo (31) antirruido situado en el lado de succión formado por una pluralidad de elementos (33) que son cuerpos en forma de flecha, y dichos elementos (33) se sitúan en la pala (11) con la punta (41) de flecha orientada hacia el borde (13) de ataque o dichos elementos (33) se sitúan en la pala (11) con la punta (41) de flecha orientada hacia el borde (15) de fuga,
creando vórtices (35) coherentes alineados con la corriente que modifican los espectros de frecuencia del ruido de la capa límite;
dicha pluralidad de elementos (33) del dispositivo antirruido (31) están situados en la pala (11) individualmente, dejando espacios entre ellos, o en grupos, dejando espacios entre los grupos, o se sitúan en la pala (11) uno junto a otro sin dejar espacios entre la pluralidad de elementos, caracterizada por que dichos cuerpos están definidos por caras trapezoidales superiores e inferiores derecha e izquierda (51, 53, 55, 57) con lados centrales comunes desde la punta (41) de flecha hasta el centro (43) de flecha y las caras laterales (61,63, 65, 67, 69, 71) se extienden entre dichas caras trapezoidales superiores e inferiores (51, 53, 55, 57).
2. La turbina eólica según la reivindicación 1, caracterizada por que dicho dispositivo antirruido (31) se sitúa en el lado de succión entre dos secciones correspondientes a posiciones de cuerda en un intervalo de 40 %-95 % de una longitud de cuerda, medida desde el borde (13) de ataque.
3. La turbina eólica según la reivindicación 2, caracterizada por que dicho dispositivo antirruido (31) se sitúa a lo largo de una sección de la pala (11) que se extiende entre el 5 % y el 100 % de su longitud medida desde su raíz (19).
4. La turbina eólica según la reivindicación 3, caracterizada por que dicho dispositivo antirruido (31) se sitúa a lo largo de una sección de la pala (11) que se extiende entre el 66 % y el 100 % de su longitud medida desde su raíz (19).
5. La pala de turbina eólica según la reivindicación 1, caracterizada por que las alturas t1, t2, t3 y t4 de, respectivamente, la punta 41 de flecha, el centro 43 de flecha y los extremos izquierdo y derecho 45, 47 están comprendidas entre 0-10 mm.
6. La pala de turbina eólica según la reivindicación 5, caracterizada por que la altura t1 de la punta (41) de flecha es menor que la altura t2 del centro (43) de flecha y las alturas t3, t4 de los extremos (45, 47) de flecha izquierdo y derecho son menores que la altura t2 del centro (43) de flecha y mayores que la altura t1 de la punta (41) de flecha.
7. La pala de turbina eólica según la reivindicación 1, caracterizada por que un primer ángulo 01 entre un lado exterior (75) de la cara superior izquierda (51) y un eje (77) de flecha está comprendido entre 5-60 grados y un segundo ángulo 02 entre el lado exterior (79) de la cara trapezoidal superior derecha (53) y el eje (77) de flecha está comprendido entre 5-60 grados.
8. La pala de turbina eólica según la reivindicación 1, caracterizada por que un tercer ángulo 03 entre el lado interior (81) de la cara trapezoidal superior izquierda (51) y un eje (77) de flecha está comprendido entre 30-90 grados y un cuarto ángulo 04 entre un lado interior (83) de la cara trapezoidal superior derecha (53) y el eje (77) de flecha está comprendido entre 30-90 grados.
9. La pala de turbina eólica según la reivindicación 1, caracterizada por que una primera longitud A1 de un lado (85) que conecta los lados interior y exterior (81, 75) de la cara trapezoidal superior izquierda (51) está comprendida entre 0-20 cm, una segunda longitud A2 de un lado (87) que conecta los lados interior y exterior (83, 79) de la cara trapezoidal superior derecha (53) está comprendida entre 0-20 cm y una tercera longitud A3 de un saliente lateral de dichos elementos (33) está comprendida entre 0-20 cm y una cuarta longitud A4 de un saliente frontal de dichos elementos (33) está comprendida entre 0-20 cm.
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