ES2955331T3 - Pala de rotor de un aerogenerador y aerogenerador - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una pala de rotor (2) de una turbina eólica que tiene una extensión longitudinal que se extiende desde una raíz de pala de rotor (4) hasta una punta de pala de rotor (6), presentando la pala de rotor (2) un perfil en sección transversal. (5, 8, 9) que varía en la dirección longitudinal, que comprende un borde de ataque (10) del perfil y un borde de salida (12) del perfil, que están conectados a través de un lado de succión (14) y un lado de presión (16) del perfil de sección transversal (5, 8, 9), en el que la pala de rotor (2) comprende un perfil redondo u ovalado (5) en una región cercana a la raíz de la pala de rotor, cuyo perfil hace una transición en la dirección hacia la punta de la pala de rotor (6) inicialmente, en una región de transición (18), en un perfil de sección transversal aerodinámico tronco de árbol (9) que tiene un borde de salida tronco de árbol (13) y luego más adelante en la dirección de la punta de la pala del rotor (6) posteriormente pasa a un perfil aerodinámico perfil macizo (8), en el que los perfiles del lado de succión y del lado de presión se encuentran en el borde de salida (12) en un ángulo agudo, y una turbina eólica y su uso. Para la pala de rotor (2) según la invención, en la zona cilíndrica u ovalada cerca de la raíz de la pala de rotor en el lado de presión (12) de la pala de rotor (2) está dispuesto un dispositivo de inducción de pérdida (20) que se extiende sustancialmente en la dirección longitudinal de la pala del rotor (2) al menos en secciones, cuyo dispositivo de inducción de entrada en pérdida continúa en la región de transición (18) al menos en secciones en o en la región del borde posterior frustum (13) del lado de presión de la Perfil transversal aerodinámico del tronco (9). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Pala de rotor de un aerogenerador y aerogenerador
La invención se refiere a una pala de rotor de un aerogenerador con una extensión longitudinal que se extiende desde una raíz de pala de rotor hasta una punta de pala de rotor, en donde la pala de rotor presenta un perfil de sección transversal variable en la dirección longitudinal, que presenta un borde delantero de perfil y un borde trasero de perfil, que están conectados a través de un lado de succión y un lado de presión del perfil de sección transversal, así como a un aerogenerador y a un uso.
Los aerogeneradores modernos con dos o más palas de rotor funcionan con ángulos de paso de pala variables, también llamados ángulos de inclinación, para limitar la carga en el contexto de velocidades de viento altas. Mediante el aumento de la magnitud operativa del ángulo de paso de la pala, el ángulo de ataque aerodinámico se reduce a velocidades de viento más altas para reducir la sustentación y la potencia extraída. A este respecto, el ángulo de ataque es el ángulo entre la dirección de entrada de flujo del viento y la cuerda, es decir la línea de unión entre el borde delantero y el borde trasero del perfil aerodinámico de la pala de rotor. En el marco de la presente enseñanza técnica, la relación entre ángulo de paso de pala de rotor y ángulo de ataque se define de la manera habitual como que un aumento del ángulo de paso de la pala conduce a una reducción del ángulo de ataque. El ángulo de ataque también puede ser negativo.
Las palas del rotor de los aerogeneradores también presentan la denominada torsión (twist), es decir, están torsionadas a lo largo de su extensión longitudinal de tal forma que la cuerda, es decir, la línea de unión entre el borde delantero del perfil y el borde trasero del perfil, rota en el curso de la extensión longitudinal de la pala desde la raíz de la pala hasta la punta de la pala. La superficie abarcada por la cuerda a lo largo de la extensión longitudinal de la pala de rotor forma, por tanto, una especie de superficie helicoidal distorsionada de tal manera que el ángulo de ataque aerodinámico en la punta de la pala es menor que en la raíz de la pala. De este modo se consigue que la pala del rotor funcione en promedio con un ángulo de ataque óptimo a velocidades del viento bajas y medias, a las que no se produce ajuste de la pala, y que, en este caso, se extraiga la máxima potencia. Las partes de la pala de rotor internas con respecto a la superficie del rotor, es decir las áreas próximas a la raíz de la pala, contribuyen menos a esto. En este modo de funcionamiento, el ángulo de paso de la pala en el presente documento es, por definición, de 0°. Además, en este caso la pala de rotor puede pivotar a una posición de reposo orientada en sentido contrario al viento, la denominada posición de bandera, que corresponde aproximadamente a una posición a 90° del ángulo de paso de la pala según la presente definición.
Para incrementar el rendimiento energético anual de los aerogeneradores, las palas de rotor modernas se dimensionan cada vez más grandes. Para el funcionamiento en alta mar resulta lógico para ello desde el punto de vista económico una velocidad de parada todavía más alta. Esta combinación hace que, sobre todo para una carga superficial reducida del rotor, el aerogenerador tenga que funcionar a altas velocidades de viento y con ángulos de paso positivos muy altos, por ejemplo superiores a 30°. Para ángulos de paso positivos así de altos, el ángulo de ataque en el área de la punta de pala de rotor es ya amplio en el rango negativo, por lo que cada vez se extrae más energía del viento solamente en el área interior del rotor. Los ángulos de ataque cada vez más negativos en el área de la punta de la pala pueden llegar a ser inferiores al ángulo de entrada en pérdida negativo asn. Tiene lugar entonces una separación de la corriente de aire en el lado de presión del perfil y el coeficiente de resistencia Cd se incrementa bruscamente. El alto gradiente negativo dCD/da conlleva una súbita reducción de la amortiguación en dirección al borde y puede ser una carga extrema negativa del borde dimensionadora, es decir limitativa. El aumento adicional del tamaño de las palas de rotor conduce, por tanto, en casos extremos, a áreas aerodinámicamente inestables, que pueden cargar mucho las palas de rotor. Esto ha de tenerse en cuenta en el diseño de palas de rotor. Algunas soluciones del estado de la técnica pueden encontrarse en los documentos EP 2 141 358 A1 y DE 102006017897.
Por el documento EP 2514961 A1 se conoce un alerón (spoiler) para una pala de rotor de un aerogenerador que se coloca en el área de transición desde la parte de raíz de la pala cilíndrica hasta el área con perfil de pala de rotor completo en el área del borde trasero de perfil en el lado de presión. De este modo se reducen la cantidad de turbulencias y la generación de ruido en el área de transición.
En el artículo de T.K. Barlas y G.A.M. van Kuik, “ Review state of the art in smart rotor control research for wind turbines” , Progress in Aerospace Sciences 46 (2010) 1 - 27, también se ofrece una visión general de las modificaciones conocidas de las palas del rotor.
Partiendo de ello, la presente invención se basa en el objetivo de aumentar adicionalmente el rendimiento energético de las palas de rotor de los aerogeneradores, debiendo mantenerse bajas las cargas adicionales, especialmente en situaciones extremas de la pala de rotor.
Este objetivo en el que se basa la invención se consigue mediante una pala de rotor de un aerogenerador según la reivindicación 1.
La invención se basa en la idea de optimizar el rendimiento energético en el área próxima a la raíz de la pala. En la raíz de la pala tiene lugar, como es sabido, una transición entre un cuerpo cilíndrico u ovalado y el primer perfil romo de la raíz de la pala. Esta área de transición con perfiles convencionales casi no contribuye hasta la fecha en nada a la potencia del rotor, ya que debido a la geometría circular u ovalada solo puede producirse una sustentación irrelevante. Esta geometría es más bien una resistencia para el aire que fluye a su alrededor.
El hecho de que, según la invención, ahora está previsto ya, preferiblemente a partir de la conexión de la pala, en el área con sección transversal cilíndrica u ovalada en el lado de presión, un dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo, confiere al perfil, que por lo demás es simétrico en la dirección de entrada de flujo, una asimetría que garantiza que el aire que fluye a su alrededor se desvíe aguas abajo del perfil en dirección al lado de presión. Esto lleva asociado un impulso del perfil en dirección al lado de succión, de modo que se induce una sustentación. El dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo se extiende hacia el área de transición con el perfil romo y se apoya allí contra el borde en el lado de presión del borde trasero romo. De este modo se prolonga el efecto generador de sustentación también hacia el área de transición.
El dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo contribuye poco a la carga estructural de la pala de rotor. En el funcionamiento a carga completa, el ángulo de la pala de rotor se ajusta de tal modo que el dispositivo de desprendimiento de flujo se gira fuera del viento y contribuye poco ya a la aerodinámica. La regulación del ángulo de la pala se realiza más bien con respecto a las condiciones actuales que imperan más en dirección a la punta de la pala de rotor. En el rango de carga completa, la sustentación adicional también se superpone a la sustentación generada por el perfil completo aerodinámico propiamente dicho. El dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo puede aplicarse, por tanto, a las geometrías de pala de rotor existentes sin tener que adaptarlas especialmente a ello.
Preferiblemente, el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo está configurado como un cuerpo de superficie extendido longitudinalmente, en particular dividido una o varias veces en la dirección longitudinal de la pala de rotor, que esencialmente sobresale radialmente del perfil, cuya altura sobresaliente es de entre un 1 % y un 5 % de la longitud de cuerda del perfil de sección transversal, en particular entre un 1 % y un 3 % de la longitud de cuerda, en particular hasta un 2 % de la longitud de cuerda. Por lo tanto se obtiene un elemento alargado longitudinalmente, aerodinámicamente eficaz y de altura muy reducida. Tal dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo también se denomina “ tab” (lengüeta).
El dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo está dispuesto en la parte de la pala de rotor cilíndrica u ovalada del lado de la raíz de pala de rotor en el punto más grueso del perfil redondo u ovalado, con respecto a una dirección de entrada de flujo de un campo de viento durante el funcionamiento de un aerogenerador en el rango de carga parcial un poco por debajo de su potencia nominal, en particular a entre un 90 % y un 100 % de su potencia nominal. En el rango de carga parcial por debajo de la carga nominal todavía no tiene lugar ningún ajuste del ángulo de la pala de rotor. La pala de rotor se encuentra en la posición 0°. A medida que aumenta la velocidad del viento va cambiando la dirección de entrada de flujo del campo de viento entrante sobre el área próxima a la raíz de pala de rotor de la pala de rotor. El dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo despliega, por tanto, su máximo efecto poco antes de alcanzarse la potencia nominal, es decir, poco antes de que comience el ajuste del ángulo de pala a velocidades del viento elevadas. Si se conoce el número de revoluciones teórico del rotor, se conocerá el ángulo de ataque o la dirección de ataque del campo de viento para ese rango.
Ventajosamente, el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo está dividido en la dirección longitudinal de la pala de rotor en dos o más cuerpos de superficie parcial con junturas de flexión dispuestas entremedias, en donde en particular los cuerpos de superficie parcial presentan en cada caso una longitud de entre 30 y 100 cm y las junturas de flexión presentan una dimensión de intersticio de entre 1 y 5 mm, en particular entre 1 y 3 mm. Con esta división, el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo se somete a una carga nula o escasa por las flexiones de la pala de rotor bajo carga. La unión del dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo con la pala de rotor también se carga poco de este modo. Los cuerpos de superficie parcial terminan ventajosamente delgados en los extremos. Por tanto, ventajosamente no tienen un grosor constante.
En una realización ventajosa, el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo está pegado a la pala de rotor y/o laminado sobre la misma y, en particular, se fabrica usando un material PRFV o un material de moldeo por inyección.
En un perfeccionamiento ventajoso, el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo termina en dirección a la punta de pala de rotor en el área de transición en una posición en la que la pala de rotor presenta un perfil de sección transversal aerodinámico romo. Esto significa también que, en el presente contexto, el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo puede terminar ya antes del extremo del área de transición, es decir, no tiene que llegar hasta el área en la que está formado un perfil completo con borde trasero de perfil “ puntiagudo” .
De este modo se consigue que el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo no confiera a la pala de rotor una resistencia mayor en un área en la que esto sería desventajoso, tal como en el caso de perfiles con borde trasero puntiagudo. En el caso de perfiles romos esto es menos desventajoso.
En un perfeccionamiento preferido en el área de transición en el lado de succión de la pala de rotor está dispuesta al menos una fila de generadores de vórtice y/o bordes de turbulencia, en donde la fila de generadores de vórtice y/o bordes de turbulencia y el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo se cruzan en la dirección longitudinal de la pala de rotor en el área de transición al menos parcialmente, en particular con un grosor de perfil relativo de entre un 60 % y un 80 %, en particular entre un 65 % y un 75 %. Los generadores de vórtice y/o bordes de turbulencia en sí mismos están dispuestos en una fila que, visto desde la raíz de pala de rotor, comienza en el área de transición y se extiende hacia el área de perfil completo. En esta área, la fila de generadores de vórtice y/o bordes de turbulencia garantiza que el flujo del aire que barre la pala de rotor en el lado de succión permanezca más tiempo sobre la superficie de la pala de rotor y se separe más tarde de lo que sucedería sin generadores de vórtice y/o bordes de turbulencia. Esto es eficaz en particular en áreas de la pala de rotor con curvatura de superficie relativamente grande. Dado que la fila de generadores de vórtice y/o bordes de turbulencia se solapa por secciones en el área de transición con el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo del lado de presión, se minimizan los cambios bruscos de las condiciones de flujo y los efectos 3d , que podrían influir negativamente en el comportamiento de sustentación de la pala de rotor.
Otra ventaja de la combinación de la fila de generadores de vórtice y/o la fila de bordes de turbulencia con el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo del lado de presión es que el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo puede seguir siendo pequeño en su estructura. La combinación también permite generar sustentación esencialmente de forma continua y, por tanto, inducción continua casi hasta la conexión de la pala y mejorar así la potencia del rotor.
La fila de generadores de vórtice y/o bordes de turbulencia se extiende ventajosamente en el área en la que la pala de rotor presenta un perfil completo aerodinámico, en donde, en particular en el lado de la punta de pala, la fila de generadores de vórtice y/o bordes de turbulencia termina a entre un 30 % y un 55 %, en particular entre un 40 % y un 50 %, de la extensión de pala de rotor desde la raíz de pala de rotor hasta la punta de pala de rotor.
Mediante el uso propuesto en el presente documento de un dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo, que puede estar configurado como borde de desprendimiento, se genera un empuje significativo en el área de la raíz con una estructura relativamente pequeña de normalmente solo un 2 % de la longitud de cuerda de un perfil. Sobre todo para la conexión de pala cilíndrica permite altos coeficientes de sustentación de más de 1,5 para un índice de deslizamiento de hasta 3 en el área de la sección de perfil cilíndrica.
Preferiblemente, los bordes de turbulencia están configurados como cuerpos moldeados de bode afilado o redondeados y/o presentan un núcleo de espuma sobrelaminado con un material compuesto reforzado con fibra y/o están laminados por medio de una capa de un material compuesto reforzado con fibra sobre la pala de rotor.
Según la invención, adicional o alternativamente a los generadores de vórtice se usan, por tanto, bordes de turbulencia configurados como cuerpos moldeados. Los generadores de vórtice se utilizan en palas de rotor en general como cuerpos planos triangulares, generalmente moldeados a partir de un plástico. En la fila de generadores de vórtice pueden colocarse generadores de vórtice individuales oblicuamente de manera alterna. En casos particulares, tras varios años se produce desgaste de material y un fallo de los generadores de vórtice individuales de la fila.
Alternativa o adicionalmente a esto, están previstos por tanto ventajosamente bordes de turbulencia configurados como cuerpos moldeados. Estos son más sólidos que los generadores de vórtice configurados como cuerpos planos y, por tanto, también más duraderos. Debido a la formación de bordes afilados pueden lograrse efectos de turbulencia similares a los de los generadores de vórtice. Formas ventajosas de los cuerpos moldeados son, por ejemplo, cuerpos moldeados en forma de cuña con superficie de base triangular, cuyas puntas están orientadas hacia el borde delantero de perfil, es decir hacia el viento entrante. Se puede utilizar igualmente de forma ventajosa una forma de sección de disco circular con bordes laterales afilados. Alternativamente, los cuerpos moldeados también pueden ser redondeados, por ejemplo en forma de montaña. Las elevaciones provocan igualmente de una turbulencia, ya el aire debe fluir más rápidamente sobre las elevaciones que entre las elevaciones y se obtiene así una diferencia de velocidades.
La altura de los bordes de turbulencia corresponde preferiblemente al grosor de la capa límite local. Esta se conoce habitualmente en el diseño de una pala de rotor o puede calcularse.
Ventajosamente está previsto que los bordes de turbulencia estén dispuestos por parejas radialmente escalonados sobre la pala de rotor. Esto significa que en cada caso dos cuerpos moldeados o bordes de turbulencia adyacentes en la dirección de entrada de flujo de aire están dispuestos desplazados unos respecto a otros en diferente medida hacia delante o hacia atrás. De este modo se obtiene una componente lateral más intensa del flujo de aire, que favorece adicionalmente la turbulencia.
El objetivo en el que se basa la invención se logra también mediante un aerogenerador con una pala de rotor según la invención, anteriormente descrita, así como mediante un uso de un dispositivo de inducción de desprendimiento de
flujo para generar sustentación en un área de raíz de pala de una pala de rotor según la invención, anteriormente descrita.
Las características, propiedades y ventajas mencionados en relación con la pala de rotor según la invención y sus formas de realización y perfeccionamientos también son válidas del mismo modo para el aerogenerador con la correspondiente pala de rotor, así como para el correspondiente uso.
Otras características de la invención se desprenden de la descripción de formas de realización según la invención junto con las reivindicaciones y los dibujos adjuntos. Formas de realización según la invención pueden cumplir características individuales o una combinación de varias características.
La invención se describe a continuación, sin limitar la idea general de la invención, mediante ejemplos de realización con referencia a los dibujos, en donde se remite expresamente a los dibujos con respecto a todos los detalles según la invención no explicados con más detalle en el texto. Muestran:
la Fig. 1 una representación en perspectiva de una pala de rotor,
las Fig. 2 a), b) diagramas del coeficiente de sustentación y del coeficiente de resistencia de un perfil de pala de rotor en función del ángulo de ataque,
la Figura 3 una vista en planta, no a escala, de una pala de rotor según la invención,
la Fig. 4 representaciones en sección transversal a través de diferentes áreas de perfil de la pala de rotor según la Fig. 3,
las Fig. 5 a), b) ilustraciones del flujo alrededor de un perfil cilíndrico sin y con dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo según la invención,
la Fig. 6 una vista de detalle esquemática de un dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo según la invención,
las Fig. 7 a), b) representaciones en sección transversal a través de un área de perfil de una pala de rotor y
las Fig. 8 a) a c) representaciones en perspectiva esquemáticas de bordes de turbulencia a modo de ejemplo.
En los dibujos, en cada caso elementos y/o partes iguales o equivalentes están provistos de las mismas referencias, de modo que se prescinde en cada caso de una nueva presentación.
En la figura 1 se muestra esquemáticamente una pala de rotor 2 de un aerogenerador en una vista en perspectiva. La pala de rotor 2 presenta una extensión longitudinal desde una raíz de pala de rotor 4 con sección transversal redonda hasta una punta de pala de rotor 6. Su perfil presenta en su extensión longitudinal una pluralidad de perfiles de sección transversal aerodinámicos 8, 9, de los cuales algunos están representados como formas de sección transversal. Así, en el área central, la denominada área de perfil completo 19 en este contexto, está dibujado un perfil de sección transversal aerodinámico 8 en forma de un perfil completo, que se extiende desde un borde delantero de perfil 10 hasta un borde trasero de perfil 12 y que presenta un lado de succión 14 y un lado de presión 16.
En un área de transición 18 próxima a la raíz, el borde trasero de perfil 12 está acortado y confluye en un borde trasero romo 13, que se ensancha adicionalmente hacia la raíz de pala 4 y, finalmente, confluye en el área cilíndrica 17 en la sección transversal redonda 5 de la raíz de pala de rotor 4. En el área de transición 18 con el borde trasero romo 13 se muestra un perfil de sección transversal aerodinámico romo 9, que presenta un grosor relativo mayor que el perfil de sección transversal aerodinámico 8 en el área central de la pala de rotor, en donde el grosor relativo se define como relación de grosor respecto a longitud de cuerda desde el borde delantero de perfil 10 hasta el borde trasero de perfil 12. Además, las cuerdas, no representadas, es decir, las líneas de unión entre el borde delantero de perfil 10 y el borde trasero de perfil 12 en el área próxima a la raíz de la pala están dispuestas en un plano que está girado con respecto al plano de las cuerdas en el área próxima a la punta de la pala.
En la figura 2a) se muestra la función del coeficiente de sustentación Cl en forma de curva 40 en función del ángulo de ataque a. Para un ángulo de ataque de 0° se obtiene un coeficiente de sustentación ligeramente positivo.
La pendiente de la curva 40 es positiva, de modo que al aumentar el ángulo de ataque a también se incrementa el valor de sustentación Cl y para ángulos de ataque a negativos el coeficiente de sustentación Cl cae y se vuelve negativo.
Para un valor asp, el denominado ángulo de entrada en pérdida positivo, el flujo se rompe en el lado de succión y el coeficiente de sustentación Cl se reduce adicionalmente. En el funcionamiento nominal, la pala de rotor funciona con un ángulo de ataque a positivo por debajo del ángulo de entrada en pérdida positivo. Con ángulos de ataque negativos
por debajo de un ángulo de entrada en pérdida negativo asn, el flujo de aire se rompe en el lado de presión (la denominada entrada en pérdida negativa) y el coeficiente de sustentación Cl cae de nuevo en valor absoluto. Por tanto, se obtiene un rango útil 54 entre el ángulo de entrada en pérdida negativo asn y el ángulo de entrada en pérdida positivo asp, en la que la pala de rotor 2 puede funcionar. En este rango funcionan preferiblemente los respectivos perfiles.
En la figura 2b) se muestra igualmente con respecto al ángulo de ataque a el curso del coeficiente de resistencia Cd en forma de curva 50. Este es de valor absoluto pequeño en un intervalo amplio del rango útil 54 del ángulo de ataque a, y se incrementa mucho más allá del ángulo de entrada en pérdida asp y asn. Al caer por debajo del ángulo de entrada en pérdida negativo asn se obtiene un gradiente negativo extremo (dCD/da). En particular esta caída ha de tenerse en cuenta en el dimensionamiento de palas de rotor.
En la figura 3 se muestra una vista en planta esquemática, no a escala, de una pala de rotor 2 según la invención, cuya área próxima a la raíz de la pala es de interés en el presente caso. En esta área, en el borde trasero de perfil 12 está dibujado un dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20, que se extiende esencialmente desde la conexión de pala (no representada) hasta un área que presenta un perfil aerodinámico romo. Además están dibujadas las secciones transversales A-A, B-B, C-C y D-D, que abarcan el área cilindrica y el área de transición.
El dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20 representado en la figura 3 está dispuesto en el lado de presión de la pala de rotor 2. La fila 22 de generadores de vórtice mostrada igualmente en la figura 3, que no están representados individualmente, sino que están en fila sobre la línea representada, se encuentra en el lado de succión de la pala de rotor 2. En un área pequeña a lo largo del eje longitudinal de la pala de rotor 2 se solapan la fila 22 de generadores de vórtice y el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20. La fila 22 de generadores de vórtice se extiende en este ejemplo de realización en el área con un perfil completo. Sin embargo, dado el caso también puede terminar antes.
El borde delantero de perfil 10 es el borde por el que entra el flujo de viento. La configuración esencialmente en forma de “ V” de la fila 22 de generadores de vórtice se obtiene a partir del curso de perfil, no representado, de la pala de rotor 2. A este respecto, cabe observar que los generadores de vórtice han de estar dispuestos en la dirección de la cuerda en un área en la que el aire que fluye a su alrededor todavía no experimenta en el lado de succión 14 un desprendimiento de flujo, pero tampoco han de estar dispuestos demasiado hacia adelante, es decir en el borde delantero de perfil, porque el efecto de los generadores de vórtice se limita, es decir el área en la que adicionalmente el flujo se pega más al lado de succión de la pala de rotor. La forma en “V” corresponde, por tanto, esencialmente a una línea que se sitúa poco antes del desprendimiento de flujo calculado del viento que fluye a su alrededor, que se produciría sin generadores de vórtice.
La forma de la fila 22 se obtiene a partir de varios factores. Un factor de gran influencia para la posición de los generadores de vórtice es el respectivo perfil de pala de rotor, que cambia a lo largo de la extensión longitudinal. Los generadores de vórtice deberían posicionarse al comienzo de la difusión que se correlaciona con la respectiva región de grosor máximo.
Otro factor en la forma de la fila 22 de generadores de vórtice es la velocidad del viento que fluye a su alrededor creciente en dirección a la punta de pala de rotor 6. Esto significa que, en primer lugar, los generadores de vórtice deben disponerse con distancia creciente respecto a la conexión de pala de rotor más cerca del borde delantero de perfil 10, porque el desprendimiento de flujo también se produciría antes. No obstante, se solapa cada vez más por el curso del perfil de la pala de rotor. Más en dirección a la punta de pala de rotor 6, el perfil se aplana adicionalmente, de modo que el desprendimiento de flujo tiene lugar a su vez más hacia atrás y los generadores de vórtice se disponen, por tanto, a su vez, más alejados del borde delantero de perfil 10.
En la figura 4 se muestran las secciones transversales a lo largo de las secciones A-A, B-B, C-C y D-D de la figura 3. También estos perfiles se muestran, no a escala, sino tan solo esquemáticamente.
La sección A-A se encuentra en el área cilíndrica, de modo que está presente un perfil redondo 5, que se extiende desde el borde delantero de perfil 10 hasta el borde trasero de perfil 12. También están indicados el lado de succión 14 y el lado de presión 16. Esta nomenclatura en el perfil redondo 5 se obtiene a partir del curso adicional de la pala, en el que realmente están presentes un borde delantero de perfil 10, un borde trasero de perfil 12, un lado de succión 14 y un lado de presión 16. Con respecto a estas direcciones, en el lado de presión 16 se muestra el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20 sobresaliente, esencialmente en forma de “ L” . El efecto que presenta este dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20 se explicará en la figura 5.
En la figura 4 se muestra en la sección B-B un perfil de sección transversal aerodinámico romo 9, cuyo borde trasero es un borde trasero romo 13. En el lado de presión 16 está dispuesto, en el área de o muy cerca del borde trasero romo 13, una parte adicional del dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20, que se encarga de un desprendimiento de flujo más intenso en este punto. En esta sección todavía no hay ninguna fila de generadores de vórtice.
Algo más en dirección a la punta de pala de rotor 6 se encuentra la sección C-C, en donde el perfil de sección transversal aerodinámico romo 9 presenta de nuevo en el borde trasero del lado de presión el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20. Adicionalmente, en el lado de succión 14 está representado un generador de vórtice 24 de la fila 22 de generadores de vórtice. En esta área se solapan ambos equipos. Así se obtiene una transición suave, en la que la influencia decreciente del dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo y la influencia creciente de los generadores de vórtice 24 se complementan con una elevada velocidad de flujo a su alrededor del campo de viento circundante.
Finalmente, en la sección D-D en la figura 4 se muestra un perfil aerodinámico romo 9, en el que solamente está representado todavía un generador de vórtice 24 en el lado de succión 14. El dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20 no llega hasta esta posición.
En la figura 5 se muestra esquemáticamente el flujo alrededor de un perfil cilíndrico 5 de un campo de viento 30 entrante. La figura 5a) muestra el caso en el que el perfil cilíndrico o redondo 5 es simétrico. En este caso se obtiene una estela de turbulencia 32, que circula adicionalmente en la misma dirección que el viento entrante. Este es el típico caso en el que el perfil redondo 5 solamente representa una resistencia para el campo de viento 30.
En la figura 5b), en el lado inferior, llamado en este caso lado de presión, está dispuesto un dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20 según la invención, en este caso en forma de borde de desprendimiento. Este está dispuesto en una posición de 90° con respecto a la dirección de entrada de flujo, es decir, en el punto más grueso del perfil redondo 5.
En el lado de entrada de flujo, esto tiene como consecuencia que, debido a la resistencia del aire algo mayor en el lado de presión 16, el aire se estanca en el lado de presión 16 y el flujo de aire central, que teóricamente incide perpendicularmente sobre el perfil, y por tanto constituye la división entre el aire que fluye por el lado de succión 14 y el aire que fluye por el lado de presión 16, se desplaza en dirección al lado de presión 16. Al mismo tiempo el aire debe discurrir ampliamente por el lado de succión 14 y se vuelve así más rápido. Esto provoca ya una sustentación. También aguas arriba del perfil 5 se obtiene una estela de turbulencia que, en este caso, sin embargo, debido a la menor velocidad del aire en el lado de presión, se desvía en una dirección dirigida hacia el lado de presión 16, lo cual está representado por un vector de desviación 34. La sustentación así lograda está representada por un vector de sustentación 36 en el perfil 5.
La figura 6 muestra esquemáticamente un fragmento de un dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20 según la invención, que consta de varios cuerpos de superficie parcial 26, entre los cuales está dispuesta en cada caso una juntura de flexión 28. Este está pegado en el lado de presión 16 sobre la pala de rotor 2 o laminado sobre la misma. Las junturas de flexión 28 permiten que la pala de rotor 2 pueda flexionarse bajo carga, sin que el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo 20 resulte dañado. Longitudes típicas de los cuerpos de superficie parcial 26 son normalmente de 50 cm. Las junturas de flexión 28 tienen una medida interna o dimensión de intersticio de aprox. uno a varios milímetros.
En la figura 7 a) se muestra un área de perfil de una pala de rotor 2 en sección transversal, que corresponde esencialmente a la sección transversal C-C de la figura 4. En el lado de succión se muestra, al igual que en la figura 4, un generador de vórtice 24. En la figura 7 b), este se ha sustituido por un borde de turbulencia 60 que presenta una sección transversal en forma de cuña, en donde la forma de cuña, sin embargo, está configurada con altura decreciente a diferencia del generador de vórtice 24.
La figura 8 muestra tres ejemplos de cuerpos moldeados según la invención de bordes de turbulencia. Los cuerpos moldeados 62 en la figura 8 a) presentan en cada caso una forma de cuña con superficie de base triangular, por los que entra en su punta el flujo del campo de viento 30. Los cuerpos moldeados presentan en cada caso un núcleo de espuma 66, que está sobrelaminado con una capa de material compuesto de fibra 68 o están laminados sobre la pala de rotor 2. Esto da lugar a una unión muy duradera y a una protección muy buena del núcleo de espuma. La altura S corresponde aproximadamente al grosor de la capa límite local. El ancho W de los cuerpos moldeados 62 en su extremo aguas abajo puede corresponder, ventajosamente, también aproximadamente a la distancia entre dos cuerpos moldeados 62 en forma de cuña en su extremo aguas abajo.
Los cuerpos moldeados 72 según la figura 8 b) están configurados en forma de sección de disco circular, es decir, las paredes laterales son rectas y la superficie es una parte de un círculo. Estas superficies están separadas entre sí por bordes afilados 74. La superficie también puede tener una forma más compleja y elevarse sin borde de la superficie de la pala de rotor 2. Los bordes de turbulencia o cuerpos moldeados 72 están dispuestos escalonados uno tras otro en la dirección del flujo de aire. También estos cuerpos moldeados 72 presentan un núcleo de espuma 76, que está sobrelaminado con una capa de material compuesto de fibra 68, o estrato de material compuesto de fibra, o están laminados sobre la pala de rotor 2.
En la figura 8 c) se muestran cuerpos moldeados 82 como bordes de turbulencia, que tienen una forma en forma de montaña. También están escalonados uno tras otro en la dirección de flujo de aire y presentan un núcleo de espuma
86 sobrelaminado con una capa de material compuesto de fibra 88. Esta forma y disposición también da lugar sin bordes afilados a una turbulencia eficaz de la capa límite.
Todas las características mencionadas, incluidas las que se desprenden únicamente de los dibujos y también las características individuales divulgadas en combinación con otras características, se consideran esenciales para la invención, tanto solas como en combinación. Formas de realización según la invención pueden cumplirse a través de características individuales o una combinación de varias características. En el marco de la invención las características señaladas con “ en particular” o “ preferiblemente” han de entenderse como facultativas.
Lista de referencias
2 Pala de rotor
4 raíz de pala de rotor
5 perfil redondo
6 punta de pala de rotor
8 perfil completo aerodinámico
9 perfil de sección transversal aerodinámico romo
10 borde delantero de perfil
12 borde trasero de perfil
13 borde trasero romo
14 lado de succión
16 lado de presión
17 área cilíndrica
18 área de transición
19 área de perfil completo
20 dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo
22 fila de generadores de vórtice
24 generador de vórtice
26 cuerpo de superficie parcial
28 juntura de flexión
30 campo de viento entrante
32 estela de turbulencia
34 vector de desviación
36 vector de sustentación
40 curso del coeficiente de sustentación Cl
50 curso del coeficiente de resistencia cd
52 gradiente negativo alto
54 rango útil del ángulo de ataque a
60 borde de turbulencia
62 cuerpo moldeado en forma de cuña
64 borde afilado
66 núcleo de espuma
68 capa de material compuesto de fibra
72 cuerpo moldeado en forma de sección de disco
74 borde afilado
76 núcleo de espuma
78 capa de material compuesto de fibra
82 cuerpo moldeado en forma de montaña
86 núcleo de espuma
88 capa de material compuesto de fibra
CL coeficiente de sustentación
CD coeficiente de resistencia
S altura del grosor de capa límite local
W ancho
a ángulo de ataque
asn ángulo de entrada en pérdida negativo
asp ángulo de entrada en pérdida positivo
Claims (13)
1. Pala de rotor (2) de un aerogenerador con una extensión longitudinal que se extiende desde una raíz de pala de rotor (4) hasta una punta de pala de rotor (6), en donde la pala de rotor (2) presenta un perfil de sección transversal (5, 8, 9) variable en la dirección longitudinal, que presenta un borde delantero de perfil (10) y un borde trasero de perfil (12) que están conectados a través de un lado de succión (14) y un lado de presión (16) del perfil de sección transversal (5, 8, 9), en donde la pala de rotor (2) presenta en un área próxima a la raíz de la pala de rotor un perfil redondo u ovalado (5) que confluye en dirección a la punta de pala de rotor (6), en primer lugar, con un área de transición (18) en un perfil de sección transversal aerodinámico romo (9) con un borde trasero romo (13) y adicionalmente en dirección a la punta de pala de rotor (6), a continuación, en un perfil completo aerodinámico (8), en el cual los perfiles del lado de succión y del lado de presión se juntan en el borde trasero (12) en un ángulo agudo, caracterizada por que en el área cilíndrica u ovalada próxima a la raíz de la pala en el lado de presión (12) de la pala de rotor (2) está dispuesto al menos por secciones un dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo (20) que se extiende esencialmente en la dirección longitudinal de la pala de rotor (2) y que en el área de transición (18) se prolonga al menos por secciones en o dentro del área del borde trasero romo (13) del lado de presión del perfil de sección transversal aerodinámico romo (9), en donde el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo (20) tiene forma de “ L” ; y en donde en el área de transición (18) en el lado de succión (14) de la pala de rotor (2) están dispuestos al menos una fila (22) de generadores de vórtice (24) y/o bordes de turbulencia (60).
2. Pala de rotor (2) según la reivindicación 1, caracterizada por que el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo (20) está configurado como un cuerpo de superficie extendido longitudinalmente, en particular dividido una o varias veces en la dirección longitudinal de la pala de rotor (20), que esencialmente sobresale radialmente del perfil, cuya altura sobresaliente es de entre un 1 % y un 5 % de la longitud de cuerda del perfil de sección transversal (9), en particular entre un 1 % y un 3 % de la longitud de cuerda, en particular hasta un 2 % de la longitud de cuerda.
3. Pala de rotor (2) según la reivindicación 1 o 2, caracterizada por que el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo (20) está dispuesto en la parte de la pala de rotor (2) cilíndrica u ovalada del lado de la raíz de pala de rotor en el punto más grueso del perfil redondo u ovalado (5), con respecto a una dirección de entrada de flujo de un campo de viento (30) durante el funcionamiento de un aerogenerador en el rango de carga parcial un poco por debajo de su potencia nominal, en particular a entre un 90 % y un 100 % de su potencia nominal.
4. Pala de rotor (2) según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo (20) está dividido en la dirección longitudinal de la pala de rotor (2) en dos o más cuerpos de superficie parcial (26) con junturas de flexión (28) dispuestas entremedias, en donde en particular los cuerpos de superficie parcial (26) presentan en cada caso una longitud de entre 30 y 100 cm y las junturas de flexión (28) presentan una dimensión de intersticio de entre 1 y 5 mm, en particular entre 1 y 3 mm.
5. Pala de rotor (2) según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo (20) está pegado a la pala de rotor (2) y/o laminado sobre la misma y, en particular, se fabrica usando un material de PRFV o un material de moldeo por inyección.
6. Pala de rotor (2) según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por que la altura del dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo (20) sobresaliente de la pala de rotor (2) es constante en la dirección longitudinal de la pala de rotor (2) o disminuye hacia la punta de pala de rotor (6).
7. Pala de rotor (2) según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo (20) termina, en dirección a la punta de pala de rotor (6), en el área de transición (18) en una posición en la que la pala de rotor (2) presenta un perfil de sección transversal aerodinámico romo (9).
8. Pala de rotor (2) según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que la fila (22) de generadores de vórtice (24) y/o bordes de turbulencia (60) y el dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo (20) se cruzan al menos parcialmente en la dirección longitudinal de la pala de rotor (2) en el área de transición (18), en particular con un grosor de perfil relativo de entre un 60 % y un 80 %, en particular entre un 65 % y un 75 %.
9. Pala de rotor (2) según la reivindicación 8, caracterizada por que la fila (22) de generadores de vórtice (24) y/o bordes de turbulencia (60) se extiende en el área en la que la pala de rotor (2) presenta un perfil completo aerodinámico, en donde, en particular en el lado de la punta de pala, la fila (22) de generadores de vórtice (24) y/o bordes de turbulencia (60) termina a entre un 30 % y un 55 %, en particular entre un 40 % y un 50 %, de la extensión de pala de rotor desde la raíz de pala de rotor (4) hasta la punta de pala de rotor (6).
10. Pala de rotor (2) según la reivindicación 8 o 9, caracterizada por que los bordes de turbulencia (60) están configurados como cuerpos moldeados de borde afilado o redondeados (62, 72, 82) y/o presentan un núcleo de espuma (66, 76, 86) sobrelaminado con un material compuesto reforzado con fibra (68, 78, 88) y/o están laminados por medio de una capa de un material compuesto reforzado con fibra (68, 78, 88) sobre la pala de rotor (2).
11. Pala de rotor (2) según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizada por que los bordes de turbulencia (60) están dispuestos por parejas radialmente escalonados sobre la pala de rotor (2).
12. Aerogenerador con una pala de rotor (2) según una de las reivindicaciones 1 a 11.
13. Uso de un dispositivo de inducción de desprendimiento de flujo (20) para generar sustentación en un área de raíz de pala de una pala de rotor (2) según una de las reivindicaciones 1 a 11.
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