ES2934124T3 - Turbina eólica - Google Patents

Abstract

Se propone un aerogenerador (10) que comprende: - un sistema de suministro de presión (52) para accionar el actuador (34) de al menos un dispositivo aerodinámico (30) mediante un gas a presión, en el que el sistema de suministro de presión (52) comprende: - un generador de presión (72) para presurizar el gas a presión, - una línea de suministro de presión (53) que conecta el generador de presión (72) y el actuador neumático (34) para proporcionar el gas a presión al actuador neumático (34), la línea de suministro de presión (53) que comprende un depósito de presión (73), - una línea de retorno (56) que conecta el generador de presión (72) y el actuador neumático (34) para devolver el gas a presión al generador de presión (72), el línea de retorno (56) que comprende un depósito de retorno (76) que tiene una presión relativa negativa. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Turbina eólica

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo para controlar la humedad de un circuito de gas comprimido en una turbina eólica.

Antecedentes de la técnica

En los generadores de turbinas eólicas, la potencia de salida y la carga estructural se controlan alterando la geometría de las palas en relación con el viento, ya sea rotando las palas alrededor de su eje longitudinal, es decir, regulando el ángulo de cabeceo, dejando que las palas se flexionen pasivamente (palas aeroelásticas), o mediante el control activo de dispositivos sobre la superficie de la pala, tal como aletas u otros dispositivos de regulación de flujo.

Un ejemplo de un dispositivo de regulación de flujo de este tipo es un generador de vórtices (VG) instalado en el lado de succión de la pala de rotor de la turbina eólica.

Otro ejemplo se muestra en el documento WO 2018/041420, que divulga una pala de rotor que comprende un dispositivo aerodinámico para influir en el flujo de aire que fluye desde la sección de borde de ataque de la pala de rotor hasta la sección de borde de salida de la pala de rotor, en la que el dispositivo aerodinámico está montado en una superficie de la pala de rotor y comprende un actuador neumático o hidráulico, tal como una cámara o una cavidad cuyo volumen depende de la presión del fluido presente en el interior del actuador neumático o hidráulico.

En general, se puede considerar que un dispositivo de regulación de flujo comprende un dispositivo que es capaz de mejorar el coeficiente de sustentación de la sección de perfil aerodinámico, por ejemplo, aumentando el nivel de energía de la capa límite de la pala de rotor.

Los sistemas para regular el ángulo de cabeceo se pueden dividir en dos categorías: electromecánicos y electrohidráulicos. Como ambos tipos requieren uno o más volúmenes de aceite, típicamente están confinados dentro del buje.

Para dispositivos aerodinámicos activos en la superficie de la pala, la presencia de aceite representa un riesgo ambiental significativo, eliminando la opción de accionamiento hidráulico, mientras que es probable que la caída de un rayo deje inoperable cualquier elemento de accionamiento eléctrico en la superficie de la pala. Enlaces mecánicos tales como barras de tracción o árboles no son viables debido a la flexibilidad de la propia pala, lo que deja al accionamiento neumático como el único medio eficiente para hacer funcionar dichos dispositivos.

Sin embargo, cualquier contenido de agua en el aire de suministro presurizada, que se condensa en el dispositivo de superficie de la pala o en las conexiones que conducen al mismo, puede ser imposible de retraer desde dentro del dispositivo a la unidad de control y suministro neumático en el buje o la raíz de la pala, debido a la fuerza centrípeta requerida para llevar el agua de vuelta al buje.

Otras soluciones potenciales, tal como condensación a presión o separadores de agua de membrana, requieren una presión significativamente más alta que la necesaria y deseable en los actuadores para los dispositivos aerodinámicos activos, lo que provoca un consumo de energía y tensiones en los componentes significativamente mayores.

Todos los deshumidificadores existentes para aire comprimido no pueden funcionar en el buje de una turbina eólica debido al intervalo de temperatura de funcionamiento especificado o a la rotación del buje. Otras soluciones de la técnica anterior se describen en los documentos US 2018/058424 A1, US 2012/141271 A1, FR 2290 585 A1 y WO 2018/162102 A1.

Por lo tanto, es deseable superar los inconvenientes anteriores proporcionando un dispositivo mejorado para minimizar el contenido de agua en el suministro de aire presurizado utilizado para el accionamiento de dispositivos aerodinámicos en la superficie de la pala o, alternativamente, para proporcionar la extracción de humedad aguas abajo del dispositivo aerodinámico activo, por ejemplo, más cerca de la punta de la pala.

Sumario de la invención

Esta necesidad puede satisfacerse mediante el objeto según las reivindicaciones independientes. Realizaciones ventajosas de la presente invención se describen mediante las reivindicaciones dependientes.

Según la presente invención, se proporciona una turbina eólica según la reivindicación 1 que comprende:

- al menos una pala de rotor,

- al menos un dispositivo aerodinámico para influir en el flujo de aire que fluye desde la sección de borde de ataque de la pala de rotor a la sección de borde de salida de la pala de rotor, en la que el dispositivo aerodinámico está montado en una superficie de la pala de rotor,

- un actuador neumático del dispositivo aerodinámico para accionar el dispositivo aerodinámico al menos entre una primera configuración sobresaliente y una segunda configuración retraída,

- un sistema de suministro de presión para hacer funcionar el actuador por medio de un gas presurizado, en la que el sistema de suministro de presión comprende:

- un generador de presión para presurizar el gas presurizado,

- una línea de suministro de presión que conecta el generador de presión y el actuador neumático para proporcionar el gas presurizado al actuador neumático, comprendiendo la línea de suministro de presión un depósito de presión, - una línea de retorno que conecta el generador de presión y el actuador neumático para devolver el gas presurizado al generador de presión, comprendiendo la línea de retorno un depósito de retorno que tiene una presión relativa negativa.

El generador de presión puede ser un compresor.

A diferencia de los deshumidificadores para la deshumidificación continua del aire de proceso, la solución propuesta a través de la presente invención no agrega ningún consumo de energía continuo en forma de presión elevada del sistema o caída de presión en el flujo del gas presurizado.

El gas presurizado puede ser, por ejemplo, aire presurizado.

En comparación con los deshumidificadores de membrana y la condensación a presión, la presión del sistema se puede reducir hasta en un 90%, lo que reduce el consumo de energía.

Según realizaciones de la presente invención, el sistema de suministro de presión comprende además una línea de regeneración que conecta una fuente de gas a la línea de retorno, incluyendo la línea de regeneración una válvula de retención configurada para abrir y poner en comunicación la fuente de gas con la línea de retorno siempre que la presión relativa negativa en el depósito de retorno disminuya hasta un valor umbral predefinido.

La fuente de gas puede ser un ambiente externo que proporcione aire fresco que contenga humedad.

Con el tiempo, la permeabilidad de juntas, mangueras, etc. del sistema de suministro de presión puede ocasionar cierta pérdida de gas presurizado del sistema. Esto eventualmente puede conducir a una presión baja en el depósito de presión y una presión relativa negativa más baja en el depósito de retorno.

La línea de regeneración puede proporcionar aire fresco en el sistema de suministro de presión desde el ambiente externo a través de la válvula de retención.

Según realizaciones de la presente invención, la línea de regeneración comprende además un volumen desecante que incluye un desecante, estando interpuesto el volumen desecante entre la válvula de retención y la línea de retorno. El volumen desecante puede ser un tubo o una cámara. El desecante puede deshumidificar el aire fresco que entra al sistema de suministro de presión desde el ambiente externo a través de la válvula de retención.

Según una realización de la presente invención, el sistema de suministro de presión comprende una derivación de inicialización interpuesta entre la línea de suministro de presión y la línea de retorno. La derivación de inicialización puede incluir:

- una válvula de servicio conectada a la línea de suministro de presión entre el depósito de presión y el actuador neumático,

- un acoplamiento para conectar la derivación de inicialización a una fuente de gas deshumidificado.

Durante la inicialización (llenado) del sistema, el acoplamiento permite la conexión de un sistema de deshumidificación de mayor capacidad, que no está presente durante el funcionamiento normal y, por lo tanto, no es necesario que funcione durante el funcionamiento. Alternativamente, la fuente de gas deshumidificado puede ser un depósito presurizado. La derivación de inicialización puede ramificarse a partir de la línea de regeneración, en particular, a partir de una sección de la línea de regeneración comprendida entre la válvula de retención y el volumen desecante.

Según otra realización de la presente invención, la derivación de inicialización no está presente y el sistema de suministro de presión comprende un ramal de servicio que incluye la válvula de servicio, estando conectado el ramal de servicio a la línea de suministro de presión entre el depósito de presión y el actuador neumático. En tal realización, la línea de regeneración puede comprender un acoplamiento para conectar la válvula de retención a una fuente de gas deshumidificado.

En tal realización, la válvula de servicio descarga el depósito de presión al ambiente y el acoplamiento en la entrada proporciona una conexión a una fuente de gas deshumidificado durante la inicialización del sistema.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra una turbina eólica;

La figura 2 muestra una pala de rotor de una turbina eólica con un dispositivo aerodinámico;

Las figuras 3 y 4 muestran una sección radial de la pala de rotor de la figura 2;

La figura 5 muestra una primera realización de un sistema de suministro de presión para el dispositivo aerodinámico de la figura 2, según la presente invención;

La figura 6 muestra una segunda realización de un sistema de suministro de presión para el dispositivo aerodinámico de la figura 2, según la presente invención.

Descripción detallada

Los dibujos son de forma esquemática. Elementos similares o idénticos son referenciados por signos de referencia iguales o diferentes.

La figura 1 muestra una turbina 10 eólica convencional para generar electricidad. La turbina 10 eólica comprende una torre 11 que está montada en el suelo 16 en un extremo. En el extremo opuesto de la torre 11 está montada una góndola 12. La góndola 12 generalmente está montada de forma rotatoria con respecto a la torre 11, que se denomina que comprende un eje de guiñada sustancialmente perpendicular al suelo 16. La góndola 12 aloja habitualmente el generador de la turbina eólica y la caja de engranajes (si la turbina eólica es una turbina eólica con engranajes). Además, la turbina 10 eólica comprende un buje 13 que es rotatorio alrededor de un eje Y del rotor. Cuando no se especifica de otra manera, los términos axial, radial y circunferencial a continuación se refieren al eje Y del rotor. El buje 13 se describe a menudo como que es parte de un rotor de turbina eólica, en el que el rotor de turbina eólica es capaz de rotar alrededor del eje Y del rotor y transferir la energía rotacional a un generador eléctrico (no mostrado). La turbina 1 eólica comprende además al menos una pala 20 (en la realización de la figura 1, el rotor eólico comprende tres palas 20, de las cuales solo dos palas 20 son visibles) montada en el buje 13. Las palas 20 se extienden sustancialmente de manera radial con respecto al eje de rotación Y.

Cada pala 20 de rotor está usualmente montada de forma pivotante en el buje 13, para poder inclinarse alrededor de respectivos ejes de cabeceo X. Esto mejora el control de la turbina eólica y, en particular, de las palas de rotor por la posibilidad de modificar la dirección en la que el viento está golpeando las palas 20 de rotor. Cada pala 20 de rotor está montada en el buje 13 en su sección 21 de raíz. La sección 21 de raíz está opuesta a la sección 22 de punta de la pala de rotor.

La figura 2 ilustra la pala 20 de rotor que comprende un dispositivo 30 aerodinámico en forma de un alerón accionado. Entre la sección 21 de raíz y la sección 22 de punta, la pala 20 de rotor comprende además una pluralidad de secciones de perfil aerodinámico para generar sustentación. Cada sección de perfil aerodinámico comprende un lado 25 de succión y un lado 26 de presión. La forma de perfil aerodinámico de la porción de perfil aerodinámico está simbolizada por un perfil de perfil aerodinámico que se muestra en la figura 2 y que ilustra la forma de la sección transversal de la pala de rotor en esta posición a lo largo de la envergadura. También debe tenerse en cuenta que el lado 25 de succión está dividido o separado del lado 26 de presión por una línea 27 de cuerda que conecta un borde 41 de ataque con un borde 31 de salida de la pala 20 de rotor.

El dispositivo 30 aerodinámico está dispuesto en el lado 25 de succión entre el borde 41 de ataque y el borde 31 de salida.

Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), el dispositivo aerodinámico tiene la forma de una aleta accionada, es decir, un dispositivo aerodinámico instalado en el borde 31 de salida de la pala 20 de rotor.

Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), la pala 20 comprende una pluralidad de dispositivos 30 aerodinámicos.

El dispositivo 30 aerodinámico en la figura 2 es móvil por medio de un actuador 34 neumático.

El dispositivo 30 aerodinámico en la figura 2 es móvil por medio de una línea 53 de suministro de presión conectada a un actuador 34 neumático. Según la realización de las figuras adjuntas, el actuador 34 neumático se realiza como una manguera. La manguera 34 comprende una piel exterior elástica, de manera que puede inflarse y desinflarse de manera reversible y durante muchos ciclos cuando se hace funcionar por medio de la línea 53 de suministro de presión.

Un sistema 52 de suministro de presión para hacer funcionar el actuador neumático por medio de un fluido presurizado, por ejemplo, aire presurizado u otro gas presurizado. En este contexto, el fluido presurizado no solo comprende presión positiva, sino también presión negativa, donde el fluido es succionado (o “extraído”) de la manguera de presión del dispositivo 30 aerodinámico.

El sistema 52 de suministro de presión comprende una línea 53 de suministro de presión y una línea 56 de retorno y está controlado por una unidad 51 de control. La línea 53 de suministro de presión y la línea 56 de retorno podrían estar realizadas en la práctica como tubos o tuberías que no cambien significativamente su volumen. La línea 53 de suministro de presión y la línea 56 de retorno se pueden realizar como una sola línea o, alternativamente, como líneas separadas. La unidad 51 de control es responsable de establecer una presión específica en el sistema 52 de suministro de presión que posteriormente conduce a una cierta presión predeterminada en el dispositivo 30 aerodinámico.

En el ejemplo que se muestra en la figura 2, la unidad 51 de control y el sistema 52 de suministro de presión están ubicados en la sección 21 de raíz de la pala 20 de rotor. Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), estas partes también podrían colocarse al menos parcialmente en otra parte de la turbina eólica, tal como, por ejemplo, en el buje 13 de la turbina 10 eólica.

La pala 20 de rotor comprende adicionalmente una unidad 40 de regulación de flujo que comprende múltiples pares de generadores de vórtices.

La unidad 40 de regulación de flujo está dispuesta en el lado 25 de succión de la pala 20 entre el dispositivo 30 aerodinámico y el borde 31 de salida.

Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), la unidad 40 de regulación de flujo está dispuesta en el lado 25 de succión de la pala 20 entre el borde 41 de ataque y el dispositivo 30 aerodinámico.

Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), la unidad 40 de regulación de flujo no está presente y solo el dispositivo 30 aerodinámico se usa para regular el flujo en la superficie de la pala 20.

La figura 3 muestra el dispositivo 30 aerodinámico de la figura 2 en una primera configuración sobresaliente, correspondiente a una configuración inflada del actuador 34 neumático.

En la primera configuración, el dispositivo 30 aerodinámico desvía el flujo 71 de aire que fluye desde el borde 41 de ataque hacia el borde 31 de salida de la pala de rotor.

El dispositivo 30 aerodinámico en la primera configuración sobresaliente induce la entrada en pérdida. Esto se visualiza con vórtices 63 relativamente grandes aguas abajo del dispositivo 30 aerodinámico. Una consecuencia de la entrada en pérdida inducida es una disminución de la sustentación de la pala de rotor y, en consecuencia, una carga reducida de la pala de rotor y de los componentes relacionados de la turbina eólica.

La figura 4 muestra el dispositivo 30 aerodinámico en una segunda configuración retraída, es decir, movida hacia abajo hacia la superficie de la pala 20 de rotor, correspondiente a una configuración desinflada del actuador 34 neumático.

En esta segunda configuración, el flujo 71 de aire que fluye a través del dispositivo 30 aerodinámico permanece unido a la superficie de la pala 20 de rotor, por lo que no se produce separación del flujo, es decir, pérdida. Como consecuencia, aumenta la sustentación de la pala de rotor. Los generadores 40 de vórtices generan vórtices 64 de reactivación en la capa límite, que tienen el efecto de ayudar a aumentar la sustentación. Como resultado, se pueden lograr los valores de sustentación más altos.

Al hacer funcionar el actuador 34 neumático del dispositivo 30 aerodinámico a través de la línea 53 de suministro de presión, el dispositivo 30 aerodinámico se puede mover entre la primera configuración sobresaliente y la segunda configuración retraída para variar las propiedades aerodinámicas de la pala según se desee y se solicite cuando se hace funcionar la turbina 10 eólica.

La figura 5 muestra esquemáticamente una primera realización del sistema 52 de suministro de presión.

El sistema 52 de suministro de presión comprende:

- un compresor 72 para presurizar el gas presurizado,

- la línea 53 de suministro de presión que conecta el compresor 72 y el actuador 34 neumático para proporcionar el gas presurizado al actuador 34 neumático,

- la línea 56 de retorno que conecta el compresor 72 y el actuador 34 neumático para devolver el gas presurizado al compresor 72.

La línea 53 de suministro de presión comprende un depósito 73 de presión. En la realización de la figura 5, el depósito 73 de presión se proporciona inmediatamente aguas abajo del compresor 72.

La línea 56 de retorno comprende un depósito 76 de retorno que tiene una presión relativa negativa. En la realización de la figura 5, el depósito 76 de retorno se proporciona inmediatamente aguas arriba del compresor 72.

El sistema 52 de suministro de presión comprende además una línea 57 de regeneración que conecta una fuente de gas que contiene humedad a la línea 56 de retorno. Por ejemplo, la fuente de gas puede ser un ambiente externo que proporcione aire fresco a la línea 56 de retorno. La línea 57 de regeneración incluye una válvula 74 de retención configurada para abrir y poner en comunicación la fuente de gas con la línea 56 de retorno siempre que la presión relativa negativa en el depósito 76 de retorno disminuya hasta un valor umbral predefinido.

La línea 57 de regeneración comprende además un volumen 75 desecante que incluye un desecante, estando interpuesto el volumen 75 desecante entre la válvula 74 de retención y la línea 57 de regeneración, para absorber la humedad contenida en el gas que entra al sistema 52 de suministro de presión desde la fuente de gas conectada a la válvula 74 de retención.

El sistema 52 de suministro de presión comprende además una derivación 58 de inicialización interpuesta entre la línea 53 de suministro de presión y la línea 56 de retorno. La derivación 58 de inicialización se ramifica a partir de una sección de la línea 57 de regeneración, comprendida entre la válvula 74 de retención y el volumen 75 desecante, y se conecta a la línea 53 de suministro de presión entre el depósito 73 de presión y el actuador 34 neumático.

La derivación 58 de inicialización comprende una válvula 77 de servicio de distribución y un acoplamiento 78 para conectar la derivación 58 de inicialización a una fuente de gas deshumidificado para inicializar (llenar) el sistema 52 de suministro de presión antes de iniciar las operaciones.

La figura 6 muestra esquemáticamente una segunda realización del sistema 52 de suministro de presión. Con referencia a la primera realización, en la segunda realización la derivación 58 de inicialización no está presente. El sistema 52 de suministro de presión comprende un ramal 59 de servicio conectada a la línea 53 de suministro de presión entre el depósito 73 de presión y el actuador 34 neumático. El ramal 59 de servicio incluye la válvula 77 de servicio. En la segunda realización, la válvula 77 de servicio descarga el depósito 73 de presión al ambiente externo. La línea 57 de regeneración comprende un acoplamiento 78 para conectar la válvula 74 de retención a una fuente de gas deshumidificado durante la inicialización (llenado) del sistema 52 de suministro de presión antes de iniciar las operaciones.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Turbina (10) eólica, que comprende:

- al menos una pala (20) de rotor,

- al menos un dispositivo (30) aerodinámico para influir en el flujo (71) de aire que fluye desde la sección (24) de borde de ataque de la pala (20) de rotor a la sección (23) de borde de salida de la pala (20) de rotor, en la que el dispositivo (30) aerodinámico está montado en una superficie (28) de la pala (20) de rotor,

- un actuador (34) neumático del dispositivo (30) aerodinámico para accionar el dispositivo (30) aerodinámico al menos entre una primera configuración sobresaliente y una segunda configuración retraída,

- un sistema (52) de suministro de presión para hacer funcionar el actuador (34) por medio de un gas presurizado,

en la que el sistema (52) de suministro de presión comprende:

- un generador (72) de presión para presurizar el gas presurizado,

- una línea (53) de suministro de presión que conecta el generador (72) de presión y el actuador (34) neumático para proporcionar el gas presurizado al actuador (34) neumático, comprendiendo la línea (53) de suministro de presión un depósito (73) de presión,

- una línea (56) de retorno que conecta el generador (72) de presión y el actuador (34) neumático para devolver el gas presurizado al generador (72) de presión, comprendiendo la línea (56) de retorno un depósito (76) de retorno que tiene una presión relativa negativa,

caracterizada por que el sistema (52) de suministro de presión comprende además una línea (57) de regeneración que conecta una fuente de gas a la línea de retorno (56), incluyendo la línea (57) de regeneración una válvula (74) de retención configurada para abrir y poner en comunicación la fuente de gas con la línea (56) de retorno siempre que la presión relativa negativa en el depósito (76) de retorno disminuya hasta un valor umbral predefinido.

2. Turbina (10) eólica según la reivindicación 1, en la que la línea (57) de regeneración comprende un volumen (75) desecante que incluye un desecante, estando interpuesto el volumen (75) desecante entre la válvula (74) de retención y la línea (57) de regeneración.

3. Turbina (10) eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el sistema (52) de suministro de presión comprende un ramal (59) de servicio que incluye una válvula (77) de servicio, estando conectado el ramal (59) de servicio a la línea (53) de suministro de presión entre el depósito (73) de presión y el actuador (34) neumático.

4. Turbina (10) eólica según la reivindicación 3, en la que el sistema (52) de suministro de presión comprende una derivación (58) de inicialización que incluye el ramal (59) de servicio, la válvula (77) de servicio y un acoplamiento (78) para conectar la derivación (58) de inicialización a una fuente de gas deshumidificado, estando interpuesta la derivación (58) de inicialización entre la línea (53) de suministro de presión y la línea (57) de retorno.

5. Turbina (10) eólica según la reivindicación 4, en la que la derivación (58) de inicialización se ramifica a partir de la línea (57) de regeneración.

6. Turbina (10) eólica según la reivindicación 5, en la que la derivación (58) de inicialización se ramifica a partir de una sección de la línea (57) de regeneración comprendida entre la válvula (74) de retención y el volumen (75) desecante.

7. Turbina (10) eólica según la reivindicación 3, en la que la válvula (77) de servicio conecta una fuente de gas a la línea (53) de suministro de presión y la línea (57) de regeneración comprende un acoplamiento (78) para conectar la válvula (74) de retención a una fuente de gas deshumidificado.