ES2953042T3 - Pala de rotor de una turbina eólica con un dispositivo amortiguador de partículas y procedimiento de producción asociado - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una pala de rotor de una planta de energía eólica que tiene un dispositivo amortiguador de partículas con al menos una cavidad (3) que tiene paredes interiores (4) que definen una cámara interior, y que tiene un medio que está dispuesto en la cámara interior de manera que se puede mover respecto a las paredes interiores (4). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Pala de rotor de una turbina eólica con un dispositivo amortiguador de partículas y procedimiento de producción asociado
Aumento de amortiguación estructural de pala de rotor indep.
La invención hace referencia a una pala de rotor de un aerogenerador. La invención también se refiere a un procedimiento para la producción de una pala de rotor de un aerogenerador.
Naturalmente, las palas de rotor para aerogeneradores son suficientemente conocidas en el estado de la técnica. Las palas de rotor de aerogeneradores modernos son cada vez más largas y delgadas. Esta característica lleva a problemas, en particular, en lo referente a su comportamiento de vibración, puesto que cuanto más largas sean las palas de rotor, más críticos serán los efectos de vibración. Las vibraciones tienen influencia sobre el dimensionamiento de la pala de rotor, puesto que, p. ej. la alternancia de carga puede llevar a una fatiga del material e incluso a roturas por fatiga. Para que se alcance el tiempo de vida útil previsto, las estructuras de soporte de la pala de rotor deben tener correspondientemente unas dimensiones más fuertes y pesadas.
En comparación con la amortiguación aerodinámica en dirección a la aleta de una pala de rotor, la amortiguación aerodinámica en dirección al borde es escasa, debido a la pequeña superficie de sección transversal en perpendicular a la dirección al borde. Por ello, es deseable, en particular, que haya una alta amortiguación estructural en dirección al borde.
En el documento US 2010/0021303 A1, se describe una pala de rotor de un aerogenerador con un dispositivo amortiguador de partículas que está dispuesto en la punta de la pala de rotor.
En el documento US 2004/0108732 A1, se describe una pala de rotor de un aerogenerador, en la que están previstos sensores a lo largo de la cubierta de pala de rotor, que miden la carga de la pala de rotor durante el funcionamiento. Por lo general, las cargas de la pala de rotor, en lo referente a vibraciones, se reducen mediante el uso de materiales estructurales.
Mediante el uso de material estructural estabilizante, aumenta la masa de pala de rotor, con lo que aumentan de nuevo las cargas de la misma pala de rotor, así como las turbinas eólicas.
Por ello, la presente invención tiene como objetivo poner a disposición una pala de rotor que presenta un mecanismo amortiguador de vibración, así como aportar un procedimiento de producción de una pala de rotor de este tipo. El objetivo se resuelve en su segundo aspecto mediante la pala de rotor mencionada inicialmente con las características de la reivindicación 1.
La invención se basa en la idea de prever el principio de un dispositivo amortiguador de partículas en una pala de rotor, que presenta al menos una cavidad con paredes interiores que delimitan un espacio interior, donde en el espacio interior está dispuesto un medio desplazable con respecto a las paredes interiores.
El medio puede consistir en partículas separadas. En este contexto, se trata, preferiblemente, de bolas, desplazables de forma individual.
Sin embargo, el medio también puede consistir en partículas que se incorporan a un medio de gran viscosidad con una viscosidad de, por ejemplo, 1 Pa s. También cabe pensar en otros medios.
Por cavidad, se entiende un espacio hueco que, preferiblemente, está rodeado por completo de paredes interiores y, al menos, está rodeado en su mayoría de paredes interiores. Las paredes interiores pueden ser superficies cerradas o de tipo criba. Las paredes interiores y el espacio interior de la cavidad están configurados de tal manera que durante el funcionamiento, al igual que durante el estado de reposo de la pala de rotor, el medio no puede salir hacia fuera o caer de la cavidad, sino que el medio está permanentemente abastecido.
La energía vibratoria de la pala de rotor se transforma en calor mediante el dispositivo amortiguador de partículas, según la invención. El proceso de transformación, en este caso, se llama disipación. La disipación comprende tanto la transformación de energía vibratoria en energía térmica por el movimiento de las partículas en un medio de gran viscosidad, como el caso de la transformación de energía vibratoria de la pala de rotor en calor por la fricción de las partículas en las paredes interiores y/o por choques inelásticos en las paredes interiores o mutuamente.
Se ha demostrado que la vibración de la pala de rotor puede ser de hasta el 20 % de la longitud de la pala de rotor o incluso mayor.
Fundamentalmente, la frecuencia de vibración que se debe amortiguar se puede controlar por la elección de las partículas y de las paredes interiores. También se pueden utilizar partículas de distintos materiales para amortiguar una amplia gama de frecuencias. También cabe pensar en combinaciones de la amortiguación de partículas con un medio de gran viscosidad y sin medio de gran viscosidad.
Preferiblemente, el dispositivo amortiguador de partículas presenta una pluralidad de cavidades, cada una con una pared interior, dentro de cada una de las cuales está dispuesto un medio, dispuesto de manera desplazable con respecto a la pared interior de cada una.
La cavidad o la pluralidad de cavidades puede(n) estar dispuesta(s) en diferentes posiciones de la pala de rotor y estar diseñadas de formas diferentes entre sí. Durante la rotación de la pala de rotor, las partículas se presionan por la fuerza centrífuga en la cavidad contra una pared interior externa radial de la cavidad, donde «radial» hace referencia al radio del círculo descrito por la rotación del rotor.
En una forma de realización de la invención, las cavidades se extienden a lo largo de un ancho de la pala de rotor desde los bordes delanteros a los bordes traseros y están dispuestas, preferiblemente, de forma contigua a lo largo del grosor de la pala de rotor. Pueden presentar a lo largo de la dirección longitudinal una longitud de unos centímetros a metros. Preferiblemente, pueden estar dispuestas a una distancia de dos tercios de la longitud de la pala de rotor desde el pie de la pala de rotor. De esta manera, las partículas se mueven libremente entre los bordes delanteros y traseros, y pueden disipar la energía vibratoria de las vibraciones en dirección al borde de una forma particularmente favorable. Para ello, las partículas absorben energía vibratoria por la fricción en la pared interior externa radial. No obstante, la disipación se produce por la viscosidad y colisiones de las partículas entre sí
Las cavidades se extienden, preferiblemente, a través del grosor total de la pala de rotor, de manera que, en caso de vibraciones en dirección a la aleta, es decir, a lo largo del grosor de la pala de rotor, durante el funcionamiento, se produce una fricción entre las partículas y las paredes interiores laterales, que amortigua la vibración por disipación.
En una forma de realización de la invención, las cavidades se extienden a lo largo de un grosor de la pala de rotor y están dispuestas, preferiblemente, de forma contigua a lo largo del ancho de la pala de rotor.
Presentan de nuevo una longitud en dirección longitudinal de pocos centímetros a decímetros. Esta forma de realización de la cavidad es particularmente apropiada para la amortiguación de partículas en dirección a la aleta, es decir, para la amortiguación de vibraciones que van de un lado a otro entre el lado de succión y el lado de presión de la pala de rotor.
Aquí también se presionan las partículas en funcionamiento contra la pared interior externa radial de cada cavidad y, cuando se producen vibraciones de la aleta, las partículas friccionan de nuevo en la pared interior de la cavidad y disipan la energía vibratoria de la aleta. No obstante, la disipación se produce por la viscosidad y colisiones. De forma particularmente preferible, las cavidades pueden estar dispuestas entre dos nervaduras, en particular, entre dos nervaduras principales. No obstante, también pueden estar dispuestas de forma contigua por todo el ancho de la pala de rotor. La cavidades pueden estar organizadas entre las nervaduras a lo largo del ancho o a lo largo del grosor. Este hecho significa que la cavidad tiene una mayor expansión a lo largo del ancho y el grosor de la pala de rotor, de manera que las partículas pueden vibrar con especial amplitud a lo largo de la mayor expansión. En el primer caso, están previstas para la amortiguación de borde y, en el segundo caso, para la amortiguación de aleta.
En una forma de realización particularmente preferida de la invención, la pluralidad de cavidades están dispuestas en un patrón repetitivo, p. ej. en forma de un patrón en panal de abeja, donde las cavidades están diseñadas longitudinalmente y van respectivamente a lo largo de un grosor o un ancho y presentan en una sección transversal perpendicular al grosor o al ancho el patrón, generalmente denominado, p. ej., patrón en panal de abeja.
De forma particularmente preferible, una masa de equilibrio de la pala de rotor está diseñada como medio. Preferiblemente, la masa de equilibrio es igualmente móvil en el espacio interior de la cavidad. Normalmente, tras su producción, las palas de rotor de un aerogenerador no presentan exactamente el mismo peso. Para evitar desequilibrios en la rotación del rotor, los distintos pesos se compensan mediante la llamada masa de equilibrio. Para ello, en las posiciones previstas dentro de la pala de rotor se prevén cavidades, en las que está dispuesta una masa de equilibrio correspondiente.
Según la invención, la masa de equilibrio se utiliza como parte del dispositivo amortiguador de partículas. La masa no se dispone de la forma convencional en una posición fija ni intrínsecamente de forma rígida con respecto a la pala de rotor, sino que está diseñada como medio móvil, que está dispuesto de forma desplazable con respecto a las paredes interiores de la cavidad. Normalmente, las masas de equilibrio están provistas en un lado de nervadura opuesto a otra nervadura o entre una nervadura y un borde trasero de la pala de rotor. Sin embargo, son concebibles otras posiciones de las masas de equilibrio.
El objetivo se resuelve en su segundo aspecto mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 9.
Según la invención, el procedimiento de producción de una pala de rotor amortiguada con partículas es adecuado para la producción de una de las palas de rotor anteriormente mencionadas. A la inversa, las palas del rotor anteriormente mencionadas pueden producirse mediante uno de los siguientes procedimientos.
Según la invención, un espacio interior de la pala de rotor con al menos una cavidad está equipado con paredes interiores que delimitan un espacio interior y en la al menos una cavidad se incorpora un medio desplazable con respecto a las paredes interiores. Como se ha mencionado con anterioridad, el medio puede consistir en partículas separadas o en un medio de gran viscosidad que contiene partículas. Las partículas pueden presentar los mismos tamaños o distintos y son preferiblemente bolas. De forma particularmente preferible, una pluralidad de cavidades está dispuesta en el espacio interior de la pala de rotor y cada cavidad se llena con el medio.
De un modo favorable, los pesos de las partículas de distintas palas de rotor de un aerogenerador coinciden en sus pesos, de manera que todas las palas de rotor tienen el mismo peso.
De forma particularmente preferible, se determina una masa de equilibrio de la pala de rotor y la masa de equilibrio se destina como medio, que se utiliza para el dispositivo amortiguador de partículas.
La invención se describe mediante ejemplos de realización en trece figuras. A este respecto, muestran:
La Fig. 1 es una vista en sección de una pala de rotor, según la invención, con un amortiguador de partículas de aleta en una primera forma de realización,
La Fig. 2 es una vista en sección de una pala de rotor, según la invención, de una segunda forma de realización con un amortiguador de partículas de aleta,
La Fig. 3 es una vista en perspectiva de las cavidades utilizadas en la Fig. 1 y Fig. 2 de una disposición de panal, La Fig. 4 es una pala de rotor, según la invención, de una tercera forma de realización con partículas utilizadas como masa de equilibrio,
La Fig. 5 es una vista en sección de una pala de rotor, según la invención, de una cuarta forma de realización del mismo modo con partículas utilizadas como masa de equilibrio,
La Fig. 6 es una representación gráfica de una amplitud de vibración de la partícula, según un coeficiente de fricción y una amplitud de vibración de la pala de rotor en un primer número de revoluciones,
La Fig. 7 es una representación gráfica de una amplitud de vibración de la partícula, según un coeficiente de fricción y una amplitud de vibración de la pala de rotor en un segundo número de revoluciones,
La Fig. 8 es una representación gráfica de una potencia disipada por unidad de masa, según un coeficiente de fricción y una amplitud de vibración de la pala de rotor en un primer número de revoluciones,
La Fig. 9 es una representación gráfica de una potencia disipada por unidad de masa, según un coeficiente de fricción y una amplitud de vibración de la pala de rotor en un segundo número de revoluciones,
La Fig. 10 es una representación de una amortiguación 5 con respecto a la amplitud y0 para distintos coeficientes de fricción j en un número de revoluciones de U=6,30 min-1,
La Fig. 11 es una representación de la amortiguación 5 con respecto a la amplitud y0 para distintos coeficientes de fricción j en un número de revoluciones de U=9,60 min-1,
La Fig. 12 es una representación de una amortiguación 5 con respecto a la amplitud y0 para distintos coeficientes de fricción j en un número de revoluciones de U=6,30 min-1,
La Fig. 13 es una representación de la amortiguación 5 con respecto a la amplitud y0 para distintos coeficientes de fricción j en un número de revoluciones de U=9,60 min-1.
En la amortiguación de las vibraciones de una pala 1 de rotor, diferenciamos entre vibraciones en una dirección a la aleta F, que va a lo largo de un grosor D de la pala 1 de rotor y una dirección al borde E, que va a lo largo de un ancho B de la pala 1 de rotor. Ambas direcciones de vibración se representan en la Fig. 1.
Las vibraciones a lo largo de una dirección longitudinal L de la pala 1 de rotor, en este caso, se pasan por alto. El principio de un amortiguador de partículas radica en que las partículas 2 están dispuestas en una cavidad 3 de forma
desplazable con respecto a las paredes 4 interiores de la cavidad 3. Por cavidad 3, en este documento, se entiende un espacio cerrado, fundamentalmente, de cualquier tamaño y una expansión interna. La forma de la cavidad 3 puede ser cualquiera en principio dentro en cada sección.
Las cavidades 3 pueden estar previstas solo entre dos cintas principales según la Fig. 1 o estar dispuestas según la Fig. 2 de forma contigua a lo largo del ancho B total.
La pluralidad de cavidades 3 está dispuesta, según la Fig. 3, en un patrón repetitivo, p. ej. en forma de un patrón en panal de abeja, donde las cavidades 3 están diseñadas longitudinalmente y van respectivamente a lo largo de un grosor D o un ancho B, y en una sección transversal perpendicular al grosor D o al ancho B presentan el patrón, generalmente denominado, p. ej., patrón en panal de abeja, representado en la Fig. 3.
Según la Fig. 4 y Fig. 5, una masa de equilibrio de la pala de rotor 1 está diseñada como medio. Preferiblemente, la masa de equilibrio está dispuesta igualmente de forma desplazable en el espacio interior de la cavidad 3. En la Fig. 4, está prevista la masa de equilibrio entre ambas nervaduras principales y la Fig.5 entre la una nervadura principal y un borde trasero de la pala de rotor.
En caso de un número bajo de revoluciones, se forma solo una pequeña fuerza centrífuga en la cavidad 3. En este caso, las partículas 2 se mueven libremente en la cavidad 3 y se produce una amortiguación de la vibración por el choque de las partículas 2 contra la pared 4 interior y la simultánea absorción de la energía vibratoria de la pala 1 de rotor.
En el caso en el que aumente el número de revoluciones y, con ello, la fuerza centrífuga Fc = ac *m, las partículas 2 se presionarán en la pared 4a externa radial de la cavidad 3. En ese proceso, se ordenan de forma contigua y se deslizan sobre la pared 4a externa radial de la cavidad 3 de un lado a otro mediante la vibración de la pala 1 de rotor. De esta manera, se produce la fricción, que absorbe energía y amortigua la vibración. En el caso anterior, se contempla en primera línea el segundo mecanismo de disipación, es decir, la fricción de las partículas 2 en la pared 4 interior de la pala 1 de rotor.
Por motivos de simplicidad, como se ha mencionado con anterioridad, la fricción de las partículas 2 en la pared 4 interior de la cavidad 3 está contemplada como aportación principal del sistema amortiguador en funcionamiento, cuando gira el aerogenerador. La ecuación de movimiento de las partículas 2 se describe como
En este caso, y es la deformación (vibración) de la pala 1 de rotor en la posición en la que el sistema se ha instalado y x la posición relativa de las partículas 2 en la pala 1 de rotor. Lo que significa que cuando las partículas 2 se mueven entre ellas, es decir, por ejemplo, cuando el coeficiente de fricción es elevado v, la movilidad relativa es x = 0. Cuando el coeficiente de fricción es bajo, es decir, las partículas 2 con la pala 1 de rotor no se mueven entre sí, sino que permanecer paradas en el espacio, es x = - y.
M es el coeficiente de fricción, m la masa de las partículas y Fn la fuerza normal. La fuerza normal está en aprox.
Con ello, la ecuación es independiente de la masa.
Se supone que la vibración de la pala es
donde fe es la primera frecuencia natural en la dirección de vibración (borde o aleta). Los gráficos de las Fig. 6 y Fig. 7 muestran que la amplitud de las partículas 2 es baja en caso de alta fricción y baja amplitud de la vibración de la pala de rotor; con otras palabras, que las partículas 2 vibran entre sí con la pala 1 de rotor. En este caso, no tiene lugar una disipación por fricción.
La valoración conservadora que hemos llevado a cabo indica, que la disipación solo procede de la fricción entre las partículas 2 y la pared 4 interior de la cavidad 3. De hecho, existen otros mecanismos, como el choque entre las partículas 2 y la fricción adicional de las partículas 2 en un medio viscoso, etc.
La energía de disipación por revolución de rotor por masa unitaria tiene un valor de:
La potencia de disipación calculada por unidad de masa es:
Los resultados se representan en los gráficos de la Fig. 8 y Fig. 9.
La energía vibratoria para la forma natural es de:
donde ytiP es la amplitud de la vibración de la pala de rotor y q/ la amplitud de la forma natural, analizada en la posición del sistema amortiguador.
El factor de amortiguación se puede definir como un decremento logarítmico
donde y es la amplitud de la vibración de la pala de rotor y T el periodo de vibración.
El decremento logarítmico asimismo es:
Los gráficos de la Fig. 10 y Fig. 11 representan la amortiguación 5 con respecto a la amplitud y0 para cada coeficiente de fricción u y número de revoluciones U. La amortiguación 5 es una medida para la relación entre la energía disipativa Ed del mecanismo amortiguador de partículas y la cantidad de energía que se invierte en la vibración de la pala de rotor. Los gráficos de las Fig. 10 y Fig. 11 muestran la relación en caso de una disposición del mecanismo amortiguador de partículas, que está provisto en un 100 % de la longitud de la pala 1 de rotor . En los gráficos de las Fig, 12 y Fig. 13 está previsto el mecanismo amortiguador de partículas en un 80 % de la longitud de la pala 1 de rotor.
Según los resultados presentados, dependiendo del tipo de pala de rotor, pocos Kg de partículas 2 pueden conseguir una duplicación de la amortiguación de borde de las palas de rotor.
Lista de referencias
1 Pala de rotor
2 Partículas
3 Cavidad
4 Pared interior
4a Pared externa radial
B Anchura
D Grosor
E Dirección al borde
F Dirección a la aleta
L Dirección longitudinal
Claims (13)
1. Pala de rotor de un aerogenerador con al menos un dispositivo amortiguador de partículas, con al menos una cavidad (3) con paredes (4) interiores que delimitan un espacio interior y con un medio dispuesto en el espacio interior de manera desplazable con respecto a las paredes (4) interiores, caracterizada porque las cavidades (3) se extienden a lo largo de un ancho (B) de la pala (1) de rotor y están dispuestas de forma contigua a lo largo de un grosor de pala de rotor y/o las cavidades (3) se extienden a lo largo de un grosor (D) de la pala (1) de rotor y están dispuestas de forma contigua a lo largo del ancho de la pala de rotor.
2. Pala de rotor según la reivindicación 1, caracterizada porque el dispositivo amortiguador de partículas presenta una pluralidad de cavidades (3), cada una con una pared (4) interior, dentro de cada una de las cuales está dispuesto el medio, dispuestos en cada caso de manera desplazable con respecto a la pared (4) interior.
3. Pala de rotor según la reivindicación 1, caracterizada porque el medio contiene partículas (2) separadas.
4. Pala de rotor según la reivindicación 3, caracterizada porque las partículas (2) son bolas.
5. Pala de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las partículas (2) están situadas en un fluido viscoso.
6. Pala de rotor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque la pluralidad de cavidades (3) está dispuesta entre nervaduras.
7. Pala de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la pluralidad de cavidades (3) presentan un patrón que se repite en una sección transversal, en particular, una estructura en panal de abeja.
8. Pala de rotor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque una masa de equilibrio presenta partículas (2) dispuestas de forma desplazable en la cavidad (3).
9. Método de producción de una pala de rotor amortiguada con partículas (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que un espacio interior de la pala (1) de rotor está equipado con al menos una cavidad (3) con paredes (4) interiores que delimitan un espacio interior, la al menos una cavidad (3) se llenan con un medio desplazable con respecto a las paredes (4) interiores.
10. Método según la reivindicación 9, caracterizado porque como medio se utilizan partículas (2) separadas.
11. Método según la reivindicación 9, caracterizado porque una pluralidad de cavidades (3) se dispone en el espacio interior y cada una de las cavidades (3) se llena con el medio.
12. Método según la reivindicación 9, 10 u 11, caracterizado porque los pesos de las partículas (2) de diferentes palas (1) de rotor de un aerogenerador coinciden en sus pesos de tal manera que todas las palas (1) de rotor tienen el mismo peso.
13. Método según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, caracterizado porque se determina una masa de equilibrio y se utiliza como partículas (2) del dispositivo amortiguador de partículas.
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