ES2953043T3 - Amortiguación de vibraciones en una turbina eólica - Google Patents

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Abstract

Se propone un método para amortiguar la vibración en una turbina eólica (10) que incluye una pluralidad de dispositivos aerodinámicos (30) para influir en el flujo de aire (61) que fluye desde el borde de ataque (41) de una pala de rotor (20) de la turbina eólica. (10) al borde de salida (31) de la pala del rotor (20), siendo móvil cada dispositivo aerodinámico (30) mediante un actuador entre una primera configuración sobresaliente y una segunda configuración retraída. El método comprende las etapas de: - medir vibraciones en la turbina eólica (10), - si las vibraciones medidas son mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, mover una porción de los dispositivos aerodinámicos (30) a la segunda configuración retraída y continuar midiendo vibraciones en la turbina eólica (10), - si las vibraciones medidas son aún mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, reducir el intervalo del ángulo de paso de la pala del rotor (20) y continuar midiendo vibraciones en la turbina eólica (10), - si las vibraciones medidas son aún mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, mover todos los dispositivos aerodinámicos (30) a la segunda configuración retraída. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Amortiguación de vibraciones en una turbina eólica
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para controlar y amortiguar vibraciones excesivas en una turbina eólica.
Antecedentes de la técnica
Una pala de rotor de turbina eólica puede tener instalado un dispositivo de regulación de flujo en su superficie, que fluye del borde delantero al borde posterior de una pala de rotor de una turbina eólica. Un ejemplo de tal dispositivo regulador de flujo es un generador de vórtice (VG) instalado en el lado de succión de la pala de rotor de la turbina eólica. En general, puede considerarse que un dispositivo regulador de flujo comprende un dispositivo que sea 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.
Otros dispositivos aerodinámicos pueden actuar en sintonía con el generador de vórtices y pueden influir en el efecto del generador de vórtices dependiendo del estado del alerón. Ejemplos de este último dispositivo aerodinámico son de forma típica alerones, instalados en el lado de succión de la pala, entre el borde posterior y el generador de vórtices. De forma alternativa, los alerones pueden estar presentes solos, es decir, no combinados con generadores de vórtices u otros dispositivos reguladores de flujo. Los alerones pueden configurarse de forma que su forma y/u orientación pueda regularse, por ejemplo, mediante un accionador neumático o hidráulico o mecánico.
El alerón puede actuar en sintonía con el generador de vórtices y puede influir en el efecto del generador de vórtices dependiendo del estado del alerón, es decir, una altura de saliente y/o ángulo de inclinación por el cual el alerón se extiende desde, o está inclinado con respecto a, otras partes de superficie de la pala de rotor.
El documento EP 1 623 111 B1 describe una pala de turbina eólica que incluye medios de regulación de sustentación ajustables dispuestos sobre, o en, la superficie de la pala de turbina eólica y que se extiende en la dirección longitudinal de la pala y unos medios de activación por los que los medios de regulación de sustentación pueden ajustarse y alterar por tanto las propiedades aerodinámicas de la pala. Los medios de regulación de sustentación comprenden uno o más flaps flexibles.
US 8 851 840 B2 describe una pala de turbina eólica que comprende un cuerpo de pala y un dispositivo para modificar la superficie aerodinámica o forma de la pala, en el que un accionador neumático controla la posición y/o el movimiento del dispositivo, en donde hay presente una cámara de presión situada dentro del cuerpo de pala. La cámara de presión puede presurizarse, cambiando de este modo el estado del dispositivo, modificando de este modo la superficie aerodinámica o la forma de la pala.
US 5 106 265 A describe un ala de turbina eólica que comprende un alerón accionado neumáticamente que puede moverse perpendicular a una corriente de aire.
WO 2018/041420 describe una pala de rotor que comprende un dispositivo aerodinámico para influir en el flujo de aire que fluye desde la sección de borde anterior de la pala de rotor a la sección de borde posterior de la pala de rotor, en donde el dispositivo aerodinámico está montado en una superficie de la pala de rotor y comprende un accionador neumático o hidráulico, tal como una manguera o una cavidad cuyo volumen depende de la presión del fluido que está presente dentro del accionador neumático o hidráulico.
C.E. PLUMLEY YCOL.: “ Supplementing wind turbine pitch control with a trailing edge flap smart rotor” , [3RD RENEWABLE POWER GENERATION CONFERENCE (RPG 2014), 1 Enero 2014 (2014-01-01), páginas 8.34­ 8.34, XP055343775, DOI: 10.1049/cp.2014.0919 ISBN: 978-1 -84919-917-9] describe un método de control para amortiguar las vibraciones en una torre de una turbina eólica que integra la inclinación de las palas con el uso de flaps (dispositivos aerodinámicos para influir en el flujo de aire).
WO 2010/084131 A2 describe un método de amortiguación de vibraciones en la torre de una turbina eólica inducida por una parada de emergencia que integra el cabeceo de las palas con el uso de flaps.
Cuando un dispositivo aerodinámico está completamente activado, la pala queda retenida y, en consecuencia, la amortiguación aerodinámica de la pala se reduce. Si otras partes de la pala también quedan retenidas debido a, por ejemplo, la suciedad, existe el riesgo de que la amortiguación sea demasiado baja y que las oscilaciones de la pala comiencen, dando lugar a cargas de pala excesivas.
Es deseable monitorizar las vibraciones inducidas en la estructura de una turbina eólica mediante alerones u otros dispositivos aerodinámicos reguladores de flujo y regular tales dispositivos aerodinámicos para amortiguar las vibraciones inducidas.
Sumario de la invención
Esta necesidad puede ser satisfecha por el objeto según las reivindicaciones independientes. Las realizaciones ventajosas de la presente invención se describen en las reivindicaciones dependientes.
Según la presente invención, se proporciona un método para amortiguar la vibración en una turbina eólica que incluye una pluralidad de dispositivos aerodinámicos para influir en el flujo de aire que fluye desde el borde delantero de una pala de rotor de la turbina eólica al borde posterior de la pala de rotor, pudiendo moverse cada dispositivo aerodinámico mediante un accionador entre una primera configuración saliente y una segunda configuración retraída. El método comprende las etapas de:
- medir vibraciones en la turbina eólica,
- si las vibraciones medidas son mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, mover una parte de los dispositivos aerodinámicos a la segunda configuración retraída y continuar midiendo las vibraciones en la turbina eólica,
- si las vibraciones medidas son aún mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, reducir el intervalo de ángulo de cabeceo de la pala de rotor y continuar midiendo las vibraciones en la turbina eólica,
- si las vibraciones medidas son aún mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, mover todos los dispositivos aerodinámicos a la segunda configuración retraída.
El método de la presente invención permite que la activación de los dispositivos aerodinámicos en la primera configuración saliente no cause problemas de inestabilidad en la pala.
Según realizaciones de la presente invención, los dispositivos aerodinámicos son flaps, es decir, unos dispositivos aerodinámicos instalados en el borde de salida de la pala de rotor. De forma alternativa, los dispositivos aerodinámicos son alerones, es decir, un dispositivo aerodinámico instalado en una posición intermedia entre el borde delantero y el borde posterior de la pala de rotor.
Según las realizaciones de la presente invención, los flaps y los alerones se proporcionan juntos en la pala de rotor. El intervalo de ángulo de cabeceo de la pala de rotor se extiende entre un ángulo de cabeceo mínimo y un ángulo de cabeceo máximo. Según realizaciones de la presente invención, el intervalo de ángulo de cabeceo se reduce aumentando el ángulo mínimo de cabeceo de la pala de rotor.
Según realizaciones de la presente invención, el método de la presente invención amortigua las vibraciones alrededor del primer modo de flap de pala. El primer modo de flap de pala es el primer modo de oscilaciones de la pala de rotor en una dirección ortogonal a la cuerda de una sección de perfil aerodinámico de la pala de rotor. Según realizaciones de la presente invención, las vibraciones se pueden medir mediante:
- un sensor de aceleración instalado en la torre o en la góndola o en la pala de rotor,
- un sensor de carga instalado en la torre o en la góndola o en la pala de rotor.
Los aspectos definidos anteriormente y otros aspectos de la presente invención se infieren de los ejemplos de realización que se describirán a continuación y se explican con referencia a los ejemplos de realización. La invención se describirá con más detalle a continuación en la memoria haciendo referencia a ejemplos de realización, no estando la invención limitada a los mismos.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 muestra una turbina eólica;
La Figura 2 muestra una pala de rotor de una turbina eólica con un dispositivo aerodinámico, que funciona según la presente invención;
La Figura 3 muestra una primera sección radial de la pala de rotor de la Figura 2;
La Figura 4 muestra una segunda sección radial de la pala de rotor de la Figura 2.
Descripción detallada
Los dibujos están en forma esquemática. Elementos similares o idénticos se indican mediante los mismos o diferentes signos de referencia.
La Figura 1 muestra una turbina eólica 10 convencional para generar electricidad. La turbina eólica 10 comprende una torre 11 que está montada sobre el terreno 16 en un extremo. En el extremo opuesto de la torre 11 hay montada una góndola 12. La góndola 12 está montada generalmente de forma giratoria con respecto a la torre 11, que se indica como comprendiendo un eje de guiñada sustancialmente perpendicular al suelo 16. La góndola 12 normalmente aloja el generador de la turbina eólica y el engranaje (si la turbina eólica es una turbina con engranaje). Además, la turbina eólica 10 comprende un cubo 13 que gira alrededor de un eje Y de rotor. Cuando no se especifican de otro modo, los términos axial, radial y circunferencial más adelante hacen referencia al eje Y de rotor.
El cubo 13 a menudo se describe como parte de un rotor de turbina eólica, en donde el rotor de turbina eólica es capaz de girar alrededor del eje Y de rotor y transferir la energía de giro a un generador eléctrico (no mostrado).
La turbina eólica 1 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 cubo 13. Las palas 4 se extienden sustancialmente de forma radial con respecto al eje Y de giro.
Cada pala 20 de rotor está montada de forma general pivotable respecto al cubo 13, para inclinarse alrededor de los ejes de cabeceo X respectivos. 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 golpee las palas 20 de rotor. Cada pala 20 de rotor está montada en el cubo 13 en su sección 21 de raíz. La sección 21 de raíz es opuesta a la sección 22 de punta de la pala de rotor.
Un sistema de accionamiento de cabeceo (eléctrico o hidráulico) está asociado a las palas 20 de rotor proximales a las respectivas secciones 21 de raíz para regular el ángulo de cabeceo de cada pala. Según las distintas realizaciones posibles de la presente invención, puede proporcionarse un único sistema de accionamiento de cabeceo para todas las palas 20 de rotor o puede proporcionarse una pluralidad de sistemas de accionamiento de cabeceo, cada uno de los cuales sirve a una pala 20 respectiva.
El ángulo de cabeceo de cada pala 20 de rotor se extiende entre un ángulo de cabeceo mínimo y un ángulo de cabeceo máximo.
La Figura 2 ilustra la pala 20 de rotor que comprende un dispositivo aerodinámico 30 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 del perfil aerodinámico de la parte de perfil aerodinámico se simboliza mediante 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 en dirección transversal. Señalar también que el lado 25 de succión está dividido o separado con respecto al lado 26 de presión por una línea 27 de cuerda que conecta un borde anterior 41 con un borde posterior 31 de la pala 20 de rotor.
El dispositivo aerodinámico 30 en la Figura 2 es móvil mediante una línea 53 de presión conectada a un accionador neumático 34. Según la realización de las figuras adjuntas, el accionador neumático 34 se realiza como una manguera. La manguera 34 comprende una piel exterior elástica, de modo que puede inflarse y desinflarse reversiblemente y durante muchos ciclos cuando se acciona mediante la línea 53 de presión.
La línea 53 de presión está comprendida en un sistema 52 de suministro de presión y está controlada por una unidad 51 de control. El sistema 52 de suministro de presión proporciona aire presurizado u otro gas presurizado, al accionador neumático 34. En este contexto, el término “fluido presurizado” no solo implica presión positiva, sino también presión negativa, en la que el fluido es aspirado (o “extraído” ) del accionador neumático 34. La línea 53 de presión podría realizarse en la práctica en forma de tubos o tuberías que no cambian significativamente su volumen. La unidad 51 de control es responsable de establecer una presión específica en el sistema 52 de suministro de presión, que posteriormente proporcione una cierta presión predeterminada en el accionador neumático 34. Al controlar la presión del aire presurizado, el accionador neumático 34 funciona entre una configuración inflada y una desinflada.
Según diferentes realizaciones de la presente invención, cualquiera de la unidad 51 de control y el sistema 52 de suministro de presión pueden estar ubicados en la sección de raíz 21 de la pala 20 de rotor o colocarse en otra parte de la turbina eólica, tal como, por ejemplo, en el cubo 13 de la turbina eólica 10 o en la góndola 12 o en la torre 11.
La pala 20 de rotor comprende adicionalmente una unidad 40 de regulación de flujo, que no cae dentro del ámbito de las reivindicaciones, 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 aerodinámico 30 y el borde posterior 31.
Según otras realizaciones no revindicadas de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), la unidad 40 de regulación de flujo está dispuesta en el lado de succión 25 de la pala 20 entre el borde anterior 41 y el dispositivo aerodinámico 30.
Según otras realizaciones no reivindicadas de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), la unidad 40 de regulación de flujo no está presente y solo se utiliza el dispositivo aerodinámico 30 para regular el flujo en la superficie de la pala 20.
Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), la pala 20 comprende una pluralidad de dispositivos aerodinámicos 30.
Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), el dispositivo aerodinámico 30 está configurado como un flap de borde de salida.
Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), la pala 20 puede comprender una pluralidad de dispositivos aerodinámicos 30, incluidos flaps y alerones.
La pala 20 de rotor comprende adicionalmente un sensor 54 para medir vibraciones o cargas en la pala 20 de rotor. El sensor 54 está conectado a la unidad 51 de control para transmitir una señal de vibración o carga.
Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas en las figuras adjuntas), la pala 20 puede comprender una pluralidad de sensores 54 de vibración o carga, distribuidos a lo largo de la pala 20 de rotor.
La Figura 3 muestra el dispositivo aerodinámico 30 en una primera configuración saliente, correspondiente a una configuración inflada del accionador neumático 34.
En la primera configuración, el dispositivo aerodinámico 30 desvía el flujo de aire 71 que fluye desde el borde delantero 41 hasta el borde posterior 31 de la pala del rotor.
El dispositivo aerodinámico 30 en la primera configuración saliente induce la retención. Esto se visualiza con vórtices 63 relativamente grandes aguas abajo del dispositivo aerodinámico 30. Una consecuencia de la retención inducida es una disminución en la elevación de la pala del rotor y, en consecuencia, una carga reducida de la pala del rotor y componentes relacionados de la turbina eólica.
La Figura 4 muestra el dispositivo aerodinámico 30 en una segunda configuración retraída, es decir, movido hacia abajo hacia la superficie de la pala 20 de rotor, correspondiente a una configuración desinflada del accionador neumático 34.
En esta segunda configuración, el flujo 71 de aire que fluye a través del dispositivo aerodinámico 30 permanece unido a la superficie de la pala 20 de rotor, por lo tanto, no se produce ninguna separación de flujo, es decir, retención. Como consecuencia de ello, la sustentación de la pala del rotor aumenta. Los vórtices 64 de reenergización se generan en la capa límite mediante los generadores 40 de vórtices, lo que tiene el efecto de ayudar a aumentar la sustentación. Como resultado, pueden obtenerse los valores más altos de sustentación.
Al operar el accionador neumático 34 del dispositivo aerodinámico 30 a través de la línea 53 de presión, el dispositivo aerodinámico 30 puede moverse entre la primera configuración saliente y la segunda configuración retraída para variar las propiedades aerodinámicas de la pala según se desee y solicitar al accionar la turbina eólica 10.
Según el método de la presente invención, cuando se detecta una vibración, que es mayor que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, dicha vibración puede amortiguarse haciendo funcionar los dispositivos aerodinámicos 30 solos o en combinación con el ángulo de cabeceo de la pala.
Una vibración de la turbina eólica 10 puede detectarse a través de los sensores 54 o a través de otros sensores (no mostrados en las figuras adjuntas). Por ejemplo, las vibraciones pueden medirse también mediante un sensor de aceleración instalado en la torre o góndola.
Especialmente, pero no exclusivamente, la presente invención permite amortiguar las vibraciones alrededor del primer modo de flap de pala.
El método comprende las etapas de:
- medir vibraciones en la turbina eólica,
- si las vibraciones medidas son mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, mover una parte de los dispositivos aerodinámicos a la segunda configuración retraída y continuar midiendo las vibraciones en la turbina eólica,
- si las vibraciones medidas son aún mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, reducir el intervalo de ángulo de cabeceo de la pala de rotor y continuar midiendo las vibraciones en la turbina eólica,
- si las vibraciones medidas son aún mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, mover todos los dispositivos aerodinámicos a la segunda configuración retraída.
El intervalo de ángulo de cabeceo de la pala de rotor se reduce aumentando el ángulo de cabeceo mínimo de la pala de rotor.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Método para amortiguar vibraciones en una turbina eólica (10) que incluye una pluralidad de dispositivos aerodinámicos (30) para influir en el flujo de aire (61) que fluye del borde delantero (41) de una pala (20) de rotor de la turbina eólica (10) al borde posterior (31) de la pala (20) de rotor, siendo cada dispositivo aerodinámico (30) móvil mediante un accionador entre una primera configuración saliente y una segunda configuración retraída, comprendiendo el método las etapas de:
- medir vibraciones en la turbina eólica (10),
- si las vibraciones medidas son mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, mover una parte de los dispositivos aerodinámicos (30) a la segunda configuración retraída y continuar midiendo las vibraciones en la turbina eólica (10),
- si las vibraciones medidas son aún mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, reducir el intervalo de ángulo de cabeceo de la pala (20) de rotor y continuar midiendo las vibraciones en la turbina eólica (10),
- si las vibraciones medidas son aún mayores que un umbral predefinido dentro de una banda de frecuencia predefinida, mover todos los dispositivos aerodinámicos (30) a la segunda configuración retraída.
2. Método según la reivindicación 1, en donde el intervalo de ángulo de cabeceo de la pala (20) de rotor se reduce aumentando el ángulo de cabeceo mínimo de la pala (20) de rotor.
3. Método según la reivindicación 1 o 2, en donde la banda de frecuencia predefinida incluye el primer modo de flap de pala.
4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las vibraciones se miden mediante un sensor de aceleración instalado en la torre (11) o en la góndola (12) de la turbina eólica (10) o en la pala (20) de rotor.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las vibraciones se miden por medio de un sensor de carga instalado en la torre (11) o en la góndola (12) de la turbina eólica (10) o en la pala (20) de rotor.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los dispositivos aerodinámicos (30) son flaps.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los dispositivos aerodinámicos (30) son alerones.
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