MX2009000552A - Estructura retractil para palas de rotor. - Google Patents

Abstract

Un sistema generador de energía en donde se instala una turbina (5) sobre la parte superior de una torre (4) o se sujeta bajo el agua. La turbina (5) incluye un rotor (6) que tiene una pala principal (7) conectada a una cabeza de rotor (9) y una sección extensible (2). Un dispositivo de ajuste coloca la pala extensora entre una posición retraída dentro de la pala principal y en una posición extendida para exponer en mayor o menos grado el rotor al flujo de fluido. Una estructura de pala de rotor extendible proporciona soporte para un forro exterior aerodinámico al extender una viga estructural de una porción de la pala base (8) de dicha pala de rotor a través de un módulo telescópico de dicha pala, cuando una porción de la pala extensora (2) de dicha pala de rotor se retrae como se extiende.

Description

ESTRUCTURA RETRÁCTIL PARA PALAS DE ROTOR ANTECEDENTES DE LA INVENCION Campo de la Invención Esta invención se refiere a dispositivos generadores de energía eléctrica, tales como turbinas eólicas y turbinas de corriente oceánica, y más particularmente a un soporte estructural para una pala de turbina eólica que tiene un módulo aerodinámico exterior separable con una característica telescópica que cuando se extiende hacia el exterior, incrementa el diámetro del rotor y captura más energía eólica durante períodos de vientos menores, y se contrae (retrae) para reducir la exposición de energía eólica en vientos mayores. Descripción de la Técnica Anterior La patente 3,606,571 de Wood titulada "Rotor Estibado" (Stowed Rotor) otorgada el 20 de septiembre de 1971, describe un rotor estibado instalado en la parte superior del fuselaje de un aeroplano. El rotor incluye una unidad de alojamiento giratoria instalada en un eje vertical y provista con un par de unidades de palas de rotor que se contraen dentro de la unidad de alojamiento. Se proporciona un mecanismo para extender y retraer las unidades de palas de rotor desde la unidad de alojamiento, para el propósito de proporcionar la elevación vertical durante el despegue y el aterrizaje vertical. Las palas de rotor se acoplan mecánicamente entre si de manera que la operación de una pala de rotor necesariamente se acompaña por una operación duplicada e idéntica de la otra unidad de pala de rotor para evitar asi la aplicación desbalanceada de las fuerzas de elevación y de inercia. Para oponerse a la reacción de la instalación de palas del rotor (oscilación) , se proporciona una hélice en la cola de la aeronave como en los helicópteros convencionales . La patente de ood se refiere a una instalación de rotor estibado para producir la elevación vertical de un vehículo aeronáutico. La unidad de alojamiento se instala en el vehículo y puede girar alrededor de un eje, el cual, se encuentra en general, en alineamiento con la dirección del elevación, utilizando un par de palas de rotor instaladas de forma telescópica en la unidad de alojamiento y dispuestas en general, en relación transversal al eje de rotación de la unidad de alojamiento. Las aplicaciones eólicas y de corriente acuática no tienen relación con producir la elevación vertical de un vehículo aeronáutico. Por el contrario, en los sistemas eólicos y de corriente, los rotores se instalan sobre una estructura fija y pueden girar alrededor de un eje, el cual se encuentra alineado en general, con la dirección del viento o de la corriente acuática. En Wood, la unidad de alojamiento se encuentra instalada en el vehículo y puede girar alrededor de un eje, el cual se encuentra en general, alineado con la dirección de elevación, no en alineación con el viento o la corriente acuática. En las aplicaciones eólicas o de corriente acuática, los rotores se emplean fundamentalmente en una forma diferente para lograr un resultado fundamentalmente diferente. Es decir, los rotores se encuentran alineados con el viento o el agua, con el resultado de que los rotores se mueven por la corriente para producir electricidad. En ood, los rotores se encuentran en alineación con la dirección de elevación con el resultado de que los rotores se mueven por un motor para producir una elevación vertical. Wood describe un mecanismo para un rotor de diámetro variable para aplicaciones aeroespaciales, en donde el rotor se acciona un motor y se mueve perpendicularmente con respecto al medio fluyente. Wood no trata los requerimientos de una aplicación eólica o de corriente oceánica, en donde los rotores se encuentran en alineación y se accionan por un medio fluyente y no se mueven con respecto al medio fluyente. La patente 3,814,351 de Bielawa titulada "Control de la oscilación del Rotor Coaxial" (Coaxial Rotor Yaw Control) otorgada el 4 de junio de 1974, describe rotores coaxiales de contra-rotación que tienen porciones telescópicas de la punta de pala, las cuales se extienden normalmente de manera parcial. Las palas de los rotores superiores e inferiores pueden extenderse y retraerse diferencialmente para crear un torque neto resultante entre los rotores. El propósito es proporcionar el control de oscilación al proveer porciones telescópicas de las puntas de pala, que se operan diferencialmente por medio de un sistema de cable operado por el piloto que extiende las porciones de punta de un rotor mientras retrae las porciones de punta del otro rotor. Cada pala comprende un larguero hueco, que forma el borde delantero y es el principal miembro de resistencia de la pala y una porción de borde cónica posterior, que completa el contorno aerodinámico de la pala. Cada pala tiene una porción de punta de cuerda reducida que tiene un extremo insertado en una cavidad en el extremo exterior del larguero de la pala en la cual se desliza libremente. La porción de la punta se soporta por dos rodillos sobre el larguero, instalados en puntos separados a lo largo de sus borde delantero sobre pivotes y por rodillos instalados sobre pivotes transportados por el larguero en posición para embragar las superficies cónicas superior e inferior de la porción de la punta, adyacente a su borde posterior. La extensión y retracción de cada porción de punta del rotor superior se controla por un cable o una cinta flexible que se une al extremo interior de la porción de punta y pasa a través del larguero hueco hacia un polea instalada en el cabeza del rotor mediante lo cual el cable se dirige descendentemente a través del eje portador hueco.

Dentro del eje portador tres cables provenientes de las tres palas del rotor superior se combinan en un solo cable. Las porciones de punta del rotor inferior se controlan por cables, de manera similar. Para obtener el control de oscilación se presiona un pedal de timón que extiende uno de los cables y retrae el otro, haciendo que el cable gire para rotar en direcciones opuestas, uno para enrollar el (los) cable (s) en un carrete para cable y el otro para aflojar su (s) cable (s) . Los cables se mantienen tensos todo el tiempo por la rotación de las porciones de punta que se impulsan constantemente hacia el exterior independientemente de su posición axial por las fuerzas centrifugas generadas por las palas giratorias que se accionan por el motor del helicóptero. La patente Bielawa no trata los problemas que surgen con respecto a un sistema de palas de rotor extendible que se encuentran fijas, con respecto al medio fluyente, ya sea que el medio sea aire o agua o algún otro medio de flujo de fluido. Las referencias previamente mencionadas de la técnica anterior describen mecanismos para aplicaciones aeroespaciales en donde el rotor se acciona por un motor y se mueve con respecto al medio fluyente. Estas referencias no tratan los requerimientos de las aplicaciones eólicas o de corrientes oceánicas, en donde el rotor se acciona por un medio fluyente y no se mueve con respecto al medio fluyente y en donde la durabilidad y la resistencia a la fatiga son importantes para el éxito de tal sistema, y en donde las fuerzas que actúan sobre el rotor varían significativamente durante cada revolución. Los mecanismos sugeridos en la técnica anterior para controlar los rotores de diámetro variable para inclinar los rotores y la aeronave son susceptibles de fallas por fatiga y requieren extenso mantenimiento. Las turbinas eólicas y las turbinas de corriente oceánica operan en condiciones ambientales que pueden degradar rápidamente las propiedades de un mecanismo de extensión. El alto requerimiento de mantenimiento se traduce en un mayor costo energético, lo cual da como resultado un sistema de energía renovable menos competitivo. La patente de Estados Unidos 4,710,101 de Jamieson titulada "Turbina Eólica" (Wind Turbine) otorgada el 1° de Diciembre de 1987, describe una turbina eólica en la cual las porciones movibles de la saliente se localizan en o están adyacentes al borde delantero de la pala y en o adyacentes a la punta de la pala. Las porciones de saliente son longitudinalmente desplazables de la pala, i.e., radialmente hacia el exterior de la pala, desde una posición retraída normal. Esta porción móvil contribuye a la elevación de la sección de superficie aerodinámica y se mueve a una posición avanzada en la cual se produce la resistencia aerodinámica, para evitar el incremento no deseado en la velocidad de la rotación del rotor. Cuando se encuentra en la posición normal, retraída, la porción móvil tendrá un pequeño efecto perjudicial sobre la forma aerodinámica de la sección de superficie aerodinámica, las líneas de flujo del aire que pasan desde la porción móvil extremadamente suave sobre el resto de la sección de superficie aerodinámica. La superficie delantera del resto de la sección de superficie aerodinámica tiene una superficie plana o cóncava para incrementar el efecto de resistencia aerodinámica cuando la porción móvil se encuentra en la posición avanzada. Además de incrementar el efecto de resistencia aerodinámica, los pasajes de purga pueden conducir desde las superficies delanteras del resto de las secciones de superficie aerodinámica, las cuales se exponen cuando las porciones móviles se mueven a la posición avanzada. Estos pasajes de purga pueden extenderse a una superficie mayor del resto de la sección de superficie aerodinámica respectiva, para hacer que el aire fluya desde la superficie delantera hasta dicha superficie mayor para hacer la separación del flujo e incrementar la resistencia aerodinámica. La porción expuesta puede, de hecho, incluir parte del mecanismo de operación de la porción móvil, lo cual incrementaría aún más el efecto de resistencia aerodinámica. Cuando la velocidad de rotación del rotor alcanza un valor, que es el valor máximo que se puede tolerar, las porciones de saliente se mueven de forma radial hacia el exterior. Las porciones de saliente se mueven ya sea bajo la acción de la fuerza centrífuga contra la fuerza de retorno de las muelles, o junto con la ayuda de accionadores y se exponen las superficies delanteras. El movimiento hacia el exterior de las porciones de saliente causarán por si mismas una reformación efectiva de la sección transversal de las palas, de tal manera que no se asemejen en nada a la sección de superficie aerodinámica, en la punta de la pala. Esto destruye la elevación en una sección de la pala en donde se produce la mayor parte de la energía. Esto creará mucho más resistencia aerodinámica sobre la sección expuesta, es decir, la superficie delantera, la cual puede contornearse o corrugarse para producir una resistencia máxima aerodinámica. Las secciones desplazadas de la saliente crean resistencia aerodinámica en un radio más allá de la posición normal de la punta, en donde la velocidad es mayor y la efectividad es mayor .

La presente invención se refiere al efecto opuesto; incrementar la longitud de la pala del rotor para mejorar el flujo de aire eficiente sobre la extremidad exterior de la pala para incrementar su efectividad para accionar el rotor sin introducir resistencia aerodinámica o de frenado. La Patente 5,630,705 de Eikelenbloom titulada "Rotor Construction of indmill" (Construcción de Rotor de Aeromotor) otorgada el 20 de mayo de 1997 describe un dispositivo para convertir la energía del flujo eólico en energía mecánica. El dispositivo tiene una construcción base y un rotor con un eje horizontal instalado en la base. El rotor tiene varias palas de rotor alargadas, las cuales se encuentran conectadas a un soporte giratorio y se extienden de forma radial desde el mismo. Cada pala de rotor o una parte de esta se conecta al soporte de rotor mediante una conexión articulada para inclinar el eje longitudinal de la pala de rotor o parte de ésta a una orientación predeterminada con respecto al eje de rotación del soporte. Un eje articulado de la conexión articulada entre la pala del rotor y el soporte giratorio se dirige en un ángulo agudo tanto hacia el eje longitudinal de la pala de rotor como hacia el eje de rotación del soporte. El área máxima de enfrenado eólico, a utilizarse a velocidades del viento relativamente bajas, se logra cuando las palas de rotor se encuentran en ángulos rectos respecto a la dirección del viento, mientras girar las palas de rotor lejos en la dirección del viento y girar las palas de rotor alrededor de sus ejes longitudinales da como resultado una menor área de enfrenado eólico a utilizarse a velocidades eólicas relativamente altas. A fin de incrementar la aj ustabilidad del área de enfrenado eólico a la velocidad real del viento, las palas de rotor se forman por varias partes de palas de rotor alargadas, las cuales se adaptan para colocarse en una posición total o parcialmente sobrepuestas entre si en la dirección longitudinal o, esencialmente, en linea entre si. Por una longitud mínima de tal pala de rotor, las partes componentes de la pala de rotor se sobreponen completamente entre si. La longitud máxima de tal pala de rotor se logra si todas las partes componentes de la pala de rotor se colocan en línea entre si. La Figura 5 de Eikelenboom ilustra una primera parte de la pala de rotor hueca, alargada, que se conecta de manera articulada a un brazo. La primera parte de la pala de rotor contiene una segunda parte de la pala de rotor hueca, alargada. La segunda parte de la pala de rotor puede contener a su vez una tercera parte de la pala de rotor alargada. Las partes de la pala de rotor pueden desplazarse en relación entre si en dirección longitudinal por mecanismos separados que incluyen un accionamiento por motor, un pivote y un cable de alambre para cada parte móvil adaptado en la primera parte de la pala de rotor. El alambre se enrolla en el perno. Los alambres pueden sujetarse tanto por resistencia a la tracción como por presión y se conecta una instalación separada de alambre, perno y motor a la primera y segunda partes de la pala de rotor, respectivamente, para el propósito de desplazar las partes de la pala de rotor dentro y fuera en relación entre si. Una desventaja del dispositivo que se muestra en la Figura 5 de Eikelenboom es que la primera pala de rotor dentro de la cual se desliza la segunda parte de la pala debe ser completamente hueca a fin de acomodar la forma de la segunda pala. En turbinas modernas a gran escala, las palas son de un tamaño tal que los soportes de los rebordes de refuerzo son necesarios para obtener resistencia en aplicaciones de corrientes eólicas y acuáticas a gran escala. El mecanismo de cable por si mismo no es apropiado para turbinas a gran escala debido a que los alambres deben ser capaces de someterse tanto a resistencia a la tracción como a presión y tales cables no se encuentran disponibles para mover objetos pesados. Como se puede observar a partir de las descripciones anteriores, en la técnica anterior se conoce que la longitud de una pala se puede ajusfar de tal manera que el área de frenado eólico es variable. Una desventaja de los dispositivos de la técnica anterior es el número de partes componentes, lo cual hace que la construcción, el servicio y el reparación de los dispositivos sean complejos. La patente de E.U. 6,726,439 de Geoffrey F. Deane y Amir S. Mikhail, otorgada el 27 de abril del 2004, titulada "Extendable Rotor Blades For Power Generating Wind And Ocean Current Turbines And Means For Operating Below Set Rotor Torque Limits" (Palas de Rotor Extendibles para Turbinas Generadoras de Energía con Corriente Eólica y Oceánica y Medios para Operar Bajo Límites Establecidos de Torque de Rotor), describe un control para palas de rotor extendibles, pero no describe en detalle un mecanismo para extender y retraer un pala de rotor en una turbina accionada por corriente eólica o acuática. Los mecanismos anteriores para mover las palas de extensión de las palas de rotor con diámetros variables han utilizado bandas sinfín, cables de alambre y mecanismos de tornillo de avance unidos a la pala extensora. Las bandas sinfín tienen la desventaja de que tienen que extenderse al extremo distal de la pala principal a fin de efectuar el máximo del movimiento longitudinal deseado, su elaboración es compleja y agregan peso adicional indeseable a los tramos exteriores de la pala principal. Los cables de alambre tienen la desventaja de que requieren dos cables, uno para mover la pala extensora hacia el exterior y uno para jalar la pala extensora hacia adentro. También, los cables son pesados para la resistencia requerida, tienen que extenderse hasta el extremo distal de la pala principal a fin de efectuar el grado deseado de movimiento longitudinal, su elaboración es compleja y agregan peso adicional indeseable a los tramos exteriores de la pala principal . Los mecanismos de tornillo de avance incorporan una tuerca de deslizamiento accionada por un tornillo roscado de avance. Los mecanismos de tornillo de avance son pesados para la resistencia requerida, requieren un pesado motor reversible cuyo torque necesita ser suficiente, con un buen margen de seguridad para girar el tornillo de avance bajo la carga máxima; tienen que extenderse hasta el extremo distal de la pala principal a fin de efectuar el movimiento longitudinal deseado; su fabricación es compleja; agregan peso adicional indeseable a los tramos exteriores de la pala principal y tienden a trabarse durante la operación, con lo que se incrementan los costos de mantenimiento. Lo que se necesita es un mecanismo para turbinas de corriente eólica u oceánica que faciliten la extensión y retracción de las palas de rotor extendibles y que sean de peso ligero, de fácil mantenimiento y durables. Lo que también se necesita es una estructura de palas de rotor extendibles para turbinas de corriente eólica u oceánica, que sea modular y separable para facilitar el acceso para servicio y mantenimiento. SUMARIO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema generador de energía por flujo de fluidos (eólica o acuática) , el cual incluye una pala de rotor capaz de extenderse y retraerse de un radio de giro de la pala de rotor para incrementar y disminuir el área en sección transversal del recorrido del flujo de fluido por la pala de rotor. De acuerdo con un aspecto de la invención, se instala una turbina en una estructura (tal como una torre eólica elevada o una caseta subacuática sujeta) que se mantiene fija en el eje horizontal con referencia al flujo de fluido. La turbina incluye un rotor que tiene una pala principal conectada a una cabeza de rotor y una pala extensora. La pala extensora se mueve entre una posición retraída respecto a la pala principal y una posición más expuesta para exponer el rotor al flujo fluido en mayor o menor medida. Un dispositivo de ajuste para la pala extensora incluye varios carros de soporte lineal conectados a la pala extensora que corre a lo largo de un carril dentro de la pala principal. Un generador se conecta a la turbina para generar energía eléctrica.

De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, una estructura de la pala de rotor extendible proporciona soporte para una cubierta exterior de superficie aerodinámica al extender una viga estructural de una porción base de la pala de dicha pala de rotor a través de un módulo telescópico de dicha pala, tanto cuando una porción de la pala extensora de dicha pala de rotor se retrae como cuando se extiende. De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, se proporciona una estructura de pala de rotor extendible que comprende: un módulo de la pala base que incluye una viga base del módulo de pala base; y un módulo de la pala extensora que incluye una viga del módulo de la pala extensora, que se conecta a la viga del módulo de la pala base; comprendiendo dicho módulo de la pala extensora, una pala portadora, la cual se conecta al módulo de la pala base, y una pala extensora, que se mueve sobre la viga del módulo de la pala extensora para su extensión y retracción. De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, se proporciona una estructura de la pala de rotor extendible, la cual es modular y separable de la pala principal para facilitar el acceso para servicio y mantenimiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención se describirá en detalle con referencia a los dibujos en los cuales: La Figura 1 es una vista en perspectiva de una pala de rotor de la presente invención que comprende una sección base, un portador y extensor que conforman un módulo extensor, con una pala de rotor extendible completamente extendida ; La Figura 2 es una vista de la viga del módulo extensor dentro de la pala base, que muestra la viga de la pala base con el extremo de unión del módulo extensor unido al mismo; La Figura 3 es una vista de la viga del módulo extensor y de la viga de la pala base (larguero) de la Figura 2 con el larguero de aluminio atornillado dentro del larguero de la pala; La Figura 4 es una vista más detallada del aparato que se muestra en la Figura 2 en donde se muestra la viga del forro exterior de superficie aerodinámica del portador, el forro exterior de superficie aerodinámica del portador en si mismo, el módulo base y la junta de unión del módulo portador al módulo base; La Figura 5 es una vista más detallada del aparato que se muestra en la Figura 4, en la que se muestra la viga del forro exterior de superficie aerodinámica del portador con los carros lineales unidos a la viga portadora, los carriles guia para los soporte lineales, el forro exterior de superficie aerodinámica del portador en si mismo, la placa frontal del módulo portador y la junta de unión del módulo portador al módulo base; La Figura 6 es un diagrama separado del aparato que se muestra en la Figura 5; La Figura 7 es un diagrama en sección transversal del aparato que se muestra en la Figura 5 que muestra el forro exterior extensor corriente abajo, el forro exterior extensor corriente arriba y el espacio entre éstos, el forro exterior de superficie aerodinámica en si mismo, la viga portadora y los soportes unidos a las vigas de soporte extensoras de cada forro exterior extensor; La Figura 8 es un diagrama en sección transversal similar a la Figura 7 que muestra una modalidad alternativa; La Figura 9 es un diagrama de la ranura en la parte superior de la pala extensora que se llena con una cinta metálica, cierre de cremallera o tapón de hule; La Figura 10 es un diagrama de una torre para turbina eólica que ilustra cómo se eleva el módulo de la pala extendida mediante un elevador en la caseta; y La Figura 11 es un diagrama del mecanismo de unión de liberación rápida para el módulo de pala extensora.

En estas figuras, los numerales similares se refieren a elementos similares en los dibujos. Se deberá entender que los tamaños de los diferentes componentes en las figuras pueden no ser a escala o en proporción exacta, y se muestran con propósitos explicativos y de claridad visual. DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Refiriéndose a la Figura 10, que es un diagrama de una torre de turbina eólica 1 que ilustra cómo el módulo de la pala extendida 2 se eleva por un elevador en la caseta 3. Un dispositivo generador de energía eólica incluye un generador eléctrico alojado en una caseta de turbina 3, que se instala arriba de una estructura de torre alta 4 anclada al suelo. La turbina 5 gira libremente en el plano horizontal de tal manera que tiende a permanecer en la trayectoria de la corriente eólica prevaleciente. La turbina tiene un rotor 6 con palas de inclinación variable 7, las cuales giran en respuesta a la corriente eólica. Cada una de las palas tiene una sección base de pala 8 referida como pala de encastre unida a la cabeza 9 del rotor y una extensión de pala referida como la pala extensora 2 que es de longitud variable para proporcionar un rotor de diámetro variable. El diámetro del rotor se controla para extender completamente el rotor 6 a baja velocidad de flujo y para retraer el rotor conforme se incrementa la velocidad de flujo de tal manera que las cargas suministradas o ejercidas en el rotor no excedan los limites establecidos. El dispositivo generador de energía eólica se sostiene por la estructura de torre 4 en la trayectoria de la corriente eólica, de tal manera que el dispositivo generador de energía se coloca horizontalmente, en alineación con la corriente eólica. Un generador eléctrico se acciona por la turbina para producir electricidad y se conecta a cables portadores de energía que interconectan el generador a otras unidades y/o a una rejilla de energía. La captura de energía proveniente de turbinas eólicas y de corriente oceánica es directamente proporcional al área transversal recorrida por las palas de rotor de la turbina. Los rotores convencionales utilizan palas de longitud fija, unidas en una cabeza giratoria. Estas palas pueden ser de inclinación variable (giratorias selectivamente alrededor de sus ejes longitudinales) a fin de modificar el ángulo de ataque en relación al flujo de fluido entrante, principalmente para la emisión de energía a altas velocidades de flujo. Alternativamente, estas palas pueden ser de inclinación fija o regularse por interrupción del flujo, en donde la elevación de la pala y, por lo tanto la captura de energía desciende dramáticamente a medida que las velocidades eólica exceden algún valor nominal. Tanto las palas de rotor de inclinación variable como las reguladas por interrupción de flujo con diámetros fijos son muy conocidas en la técnica.

La Patente de E.U. que se identificó arriba 6,726,439 B2 describe un convertidor de energía de flujo eólico o acuático que comprende una instalación de rotor accionado por el flujo de viento o agua. El rotor comprende una pluralidad de palas, en donde las palas son de longitud variable para proporcionar un rotor de diámetro variable. El diámetro del rotor se controla para extender completamente el rotor a una baja velocidad de flujo y para retraer el rotor a medida que se incrementan las velocidades de flujo, de tal manera que las cargas suministradas o ejercidas sobre el rotor no excedan los límites establecidos. Refiriéndose a la Figura 1, que es una vista en perspectiva de una pala de rotor 7 de la presente invención, que comprende una sección base 8, un portador 10 y un extensor 11 que componen un módulo extensor 2, con una pala de rotor extendible 7 completamente extendida. El rotor tiene una pala de encastre (sección base 8 de la pala) y una pala extensora 11. Se proporciona un freno de fricción opcional para asegurar la viga del módulo extensor cuando la pala extensora 11 se encuentra en la posición deseada. Por seguridad, el freno se encuentra aplicado cuando no se activa y se libera cuando se activa por un sistema hidráulico u otro sistema de activación. Por lo tanto, el freno se encuentra siempre en una condición libre de fallas.

Esta invención se refiere a un método y aparato para proporcionar soporte estructural para una pala de turbina eólica 7 la cual tiene un módulo aerodinámico exterior separable 2 con una característica telescópica, que, cuando se extiende, incrementa el diámetro del rotor y captura más energía eólica durante períodos de vientos más bajo y se contrae (retrae) para reducir la exposición a la energía eólica en vientos mayores. Refiriéndose a la Figura 11, que es un diagrama de un mecanismo de unión de liberación rápida 13 para el módulo de la pala extensora 2. La porción de la pala telescópica 2 se diseña como un módulo (Figura 1) que puede unirse o separarse de la pala base 8 para dar servicio, como se muestra en la Figura 11. Esta es una característica importante debido a que un sistema de pala telescópica 2, que no se separa de la pala base 8 sería problemático para servicio y reemplazo. La base para desarrollar el sistema estructural de la presente invención es que el forro exterior de superficie aerodinámica tiene una forma transversal, la cual no es apropiada para su adaptación estructural a una acción telescópica como sería la forma perfectamente tubular, particularmente dadas las fuerzas que actúan sobre la pala, provenientes del impulso del viento, la gravedad y la fuerza centrífuga. Por lo tanto, el sistema estructural está diseñado para proporcionar soporte para el forro exterior de superficie aerodinámica al extender la viga estructural (o larguero) de la pala base 8 a través del módulo telescópico 2 de la pala, tanto cuando se retrae como se extiende. Refiriéndose a las Figuras 2-4, las cuales ilustran la viga del módulo extensor 12 dentro de la pala base, mostrando la viga de la pala base 14 con el extremo de unión del módulo extensor unido a ésta, la viga 12 del forro exterior de superficie aerodinámica portadora 10, el forro exterior de superficie aerodinámica portadora en si mismo, el módulo base 8, 14 y la junta de unión 13 del módulo portador 10, 12 al módulo base. Los elementos estructurales pueden ser cualquiera de las modalidades a, b, o c que se describen abaj o : a. una viga de módulo de la pala extensora 12 (Figura 2) que se extiende desde el extremo de unión del módulo, se ensambla a la placa frontal de unión 15 (Figura 3) , y se extiende a través del forro exterior de superficie aerodinámica portadora 10 (Figura 4). Este diseño no tiene la viga 12 unida ya sea a la parte superior interior o inferior interior del forro exterior de superficie aerodinámica portadora 10. Refiriéndose a la Figura 5, la cual es una vista más detallada del aparato mostrado en la Figura 4 que muestra la viga 12 del forro exterior de superficie aerodinámica portadora 10 con los carros lineales 16 unidos a la viga portadora 12, los carriles guia 17 para los soportes lineales 16, el forro exterior de superficie aerodinámica portadora 10 en si mismo, la placa frontal del módulo portador 19 y la junta de unión 13 del módulo portador 10, 12 al módulo base 8, 14 y a la Figura 6, la cual es un diagrama recortado del aparato mostrado en la Figura 5. El único soporte estructural que tiene el ala portadora 10 se encuentra en la placa frontal del extremo de unión del módulo 19 (Figura 5) y en el extremo en donde el módulo portador 10, 12 se sobrepone con la pala extensora 11, y ahí, se mueve sobre el forro exterior de superficie aerodinámica de la pala extensora, la cual contiene la viga extensora que se sobrepone con la viga portadora del módulo deslizándose sobre cada una, en las operaciones de extensión o retracción. b. Una estructura alterna (Figura 8) es una viga portadora 12 unida únicamente a la parte interior inferior del forro exterior de superficie aerodinámica portadora 10 del módulo y a las vías duales o "transporte" de la superficie aerodinámica del forro exterior extensor 11 que se mueve sobre la viga portadora 12 y unidas a la parte interior superior de la superficie aerodinámica extensora. Esto da como resultado una ranura 20 que corre longitudinalmente sobre la superficie inferior de la superficie aerodinámica extensora para acomodar la viga de la sección portadora del módulo . c. Refiriéndose a la Figura 7, la cual es un diagrama transversal del aparato mostrado en la Figura 5 que muestra el forro exterior extensor corriente abajo 11', el forro exterior extensor corriente arriba 11' ' y el espacio entre éstos, el forro exterior de superficie aerodinámica portadora 10, la viga portadora 12 y los soporte 17 unidos a las vigas de transporte extensoras 21 de cada forro exterior extensor. La viga portadora 12 se encuentra unida a la parte interior del forro exterior de superficie aerodinámica superior e inferior 10 de la sección "portadora" con la superficie aerodinámica extensora 11 en la forma de una superficie aerodinámica de cuerda dividida que da como resultado una superficie aerodinámica de dos piezas con secciones frontal (forro exterior extensor corriente arriba 11'') y posterior (forro exterior extensor corriente abajo 11') y cada una contiene una viga "transporte" 21, que se desliza sobre la viga portadora vertical 12. Esto también da como resultado una ranura longitudinal o espacio tanto en la parte superior como inferior de la superficie aerodinámica extensora 11 entre la sección frontal 11' ' , de la superficie aerodinámica y la sección posterior 11' de la superficie aerodinámica dividida del extensor.

Esto da como resultado una estructura en donde la viga del módulo de la pala extensora 12 se encuentra en la forma de una pared, estando conecto un borde superior y/o inferior de la pared a la pala portadora 10, estando la pala extensora 11 dividida por la pared en un forro exterior extensor corriente arriba 11' y un forro exterior extensor corriente abajo 11''. La viga portadora 12 (Figura 2) y las vigas transporte adyacentes 21 tienen carros de soporte lineal 16 (Figura 7) como una interfaz. Los carros de soporte lineal 16 se encuentran unidas a la viga interior 12 de la pala principal 10 y los carriles de carro 17 sobre los cuales se mueven los carros, se unen a la viga de transporte 21 de las palas de punta retráctil 11', 11''. Existe un traslape de 1.5m entre las dos palas. Las palas de punta consisten de una sección de borde delantero 11' ' y una sección de borde posterior 11' que se encuentran conectadas por la punta de la pala, lo que da como resultado un extensor de superficie aerodinámica dividida 11. El extensor de superficie aerodinámica dividida 11 puede tener un mecanismo para conectar mecánicamente la sección frontal de superficie aerodinámica 11' ' y la sección posterior de superficie aerodinámica 11' conforme se extiende el elemento exterior de la pala y para desunir mecánicamente conforme se retrae la pala.

En cualquiera de los casos b o c, anteriores, la pala extensora 11 (Figuras 7 y 8) tiene hendeduras longitudinales 20 que deteriorarían la efectividad de la superficie aerodinámica. Refiriéndose a la Figura 9, la cual es un diagrama de la ranura 20 sobre la parte superior de la pala extensora 11 que se llena con una cinta metálica, una cremallera o un tapón de hule 22. Una característica clave de este diseño es el uso de acero delgado o de una cinta plástica (similar a una cinta de medir) que llena las ranuras de la superficie aerodinámica 11 conforme se extiende y se retrae o enrolla, a medida que se retrae la pala exterior. Un método alternativo para mantener la eficacia aerodinámica de la superficie aerodinámica es con una cremallera, la cual se cierra para llenar la hendidura longitudinal conforme la pala externa 11 se extiende y también para abrir la cremallera conforme la pala externa se retrae. La cremallera puede ser de un material entramado tal como tela con dientes de cremallera o tiras de hule traslapadas que se retiran de la vía por la acción de la pala extensora 11. En ambos casos las vigas externas 21 se deslizan sobre la viga interna 12 y cuando se extienden completamente las vigas interior y exterior se sobreponen lo suficiente para transferir el soporte estructural a la pala externa extendida 11 mientras mantiene una forma aerodinámicamente eficiente.

Como se muestra en la Figura 11, el módulo se puede unir a la pala base a través de un sistema de acoplamiento de liberación rápida 13 que transfiere el soporte estructural de la viga de la pala base a la viga del módulo. La pala base también tiene energía eléctrica y cableado de control que se conecta al módulo para accionar el mecanismo y efectuar las funciones de control. Como se muestra en la Figura 10, el acceso al área de unión del módulo de la pala base es a través de un puerto 23 y una compuerta plegable 24 en la torre de la turbina eólica 4, la cual, cuando se abre, extiende una rampa para dar servicio y para la reposición del módulo. El retiro o unión del módulo 2 es asistido por un elevador a bordo en la caseta 3 de la turbina 5, que alimenta un cable elevador 25 a través de la cabeza del rotor de turbina 9 abajo a través de la pala principal 8 en los puntos de unión de liberación rápida 13 sobre el módulo (Figura 11) . Unidad de Control de la Turbina La patente de Estados Unidos 6,726,439 de Mikhail, et al., otorgada el 27 de abril de 2004 para "palas de rotor retráctiles para turbinas generadoras de energía de corriente eólica y oceánica y medios para operar bajo límites de torque del rotor establecidos" (Retractable Rotor Blades For Power Generating ind And Ocean Current Turbines And Means For Operating Below Set Rotor Torque Limits" describe una turbina eólica en la cual el rotor comprende una pluralidad de palas, en donde las palas tienen una longitud variable para proporcionar un rotor de diámetro variable. En la patente 6,726,439 el diámetro rotor se controla para extender completamente el rotor a baja velocidad de flujo y para retraer el rotor conforme se incrementa la velocidad de flujo, de tal manera que las cargas suministradas o ejercidas sobre el rotor no excedan los limites establecidos. La torque mecánico (o impulso) suministrado por el rotor se controla de tal manera que el torque (o impulso) se limita por debajo de un valor de umbral. Esto tiene la ventaja de permitir que una configuración de pala de rotor extendida opere dentro de limites ajustables de carga de torque e impulso. Esto permite la adaptación a una multitud de diseños de los fabricantes de trenes transmisores de potencia de turbina eólica o a una variedad de condiciones operativas a través del uso de diferentes puntos de ajuste de control, y de forma similar permite reconvertir las turbinas eólicas existentes instaladas. El sistema de control gobierna el radio variable del rotor, la inclinación de las palas de rotor y la tasa rotacional del rotor, utilizando una o más de las siguientes entradas del detector: medida de la salida de energía; medida de la velocidad rotacional del rotor; medida del torque del rotor; medida de la posición de la pala de rotor extendióle; medida del ángulo de inclinación de la pala de rotor ; medida de la carga de flexión de la pala de rotor; y. medida de las cargas de flexión sobre la estructura de soporte. La Unidad de Control de la Turbina efectúa funciones de control de acuerdo con los métodos descritos en la patente de E.U. 6,726,439. Es decir, un método de control controla el sistema de rotor para operar dentro de cuatro regiones. La primera de las regiones estando a velocidades bajo conexión automática, la segunda de las regiones estando sobre un rango de velocidades intermedias que emiten una producción variable de energía y la tercera de las regiones que se encuentra a mayores velocidades en las cuales las turbinas producen una disminución constante o ligera de energía, a fin de limitar las cargas, y la cuarta de las regiones estando a velocidades extremadamente altas, en las cuales las turbinas se desconectan. Además, el método de control controla el sistema rotor para operar dentro de una quinta región en la cual el diámetro del rotor varía al enviar señales sobre una barra de distribución hacia los carros lineales para mantener la operación dentro de un régimen específico de cargas. El régimen específico de carga puede ser tal que en todas las velocidades de flujo eólicas o acuáticas que estén por debajo de una velocidad de flujo requerida para alcanzar la energía nominal, el diámetro del rotor se extienda a un diámetro máximo permisible para permanecer dentro de los límites de carga específica del rotor. Los límites de carga del rotor pueden ser, por ejemplo, limitaciones sobre el impulso del rotor y/o el torque del eje. Para permitir el movimiento axial de la pala de rotor extendible, deben desactivarse los dos frenos por medio de señales. Aunque la invención se ha mostrado y descrito particularmente con referencia a modalidades preferidas de la misma, los expertos en la técnica entenderán que los cambios anteriores y otros en forma y detalle pueden hacerse en la misma sin apartarse del alcance de la invención.

Claims (3)

1. REIVINDICACIONES 1. Una estructura de pala de rotor extendible, que comprende : un módulo de pala base que incluye una viga del módulo de pala base; y un módulo de pala extensora que incluye una viga del módulo de pala extensora, la cual se conecta a la viga del módulo de pala base; comprendiendo dicho módulo de pala extensora una pala portadora, que se encuentra conectada al módulo de pala base y una pala extensora que se aloja en la pala portadora y se mueve sobre la viga del módulo de pala extensora para su extensión y retracción; caracterizada en que la pala extensora se conecta a la viga del módulo de la pala extensora mediante carros de soporte lineal y carriles guia respectivos, y que el módulo de la pala extensora se conecta de forma separable al módulo de la pala base para facilidad de acceso para servicio y mantenimiento, proporcionando una estructura de pala de rotor extendible modular.
2. 2. La estructura de acuerdo a la reivindicación 1 en donde los carros de soporte lineal se transportan por la viga del módulo de la pala extensora.
3. 3. La estructura de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, en donde la viga del módulo de la pala extensora se encuentra libre de contacto con la pala portadora . . La estructura de acuerdo con una de la reivindicaciones 1 o 2, en donde la viga del módulo de la pala extensora se encuentra en la forma de una pared, estando conectado un borde superior o uno inferior de dicha pared a la pala portadora. 5. La estructura de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en donde la viga del módulo de la pala extensora se encuentra en la forma de una pared, estando conectado un borde superior y uno inferior de dicha pared a la pala portadora, estando dividida la pala extensora por dicha pared en un forro exterior extensor corriente arriba y un forro exterior extensor corriente abajo. 6. La estructura de acuerdo a la reivindicación 4 o 5, que comprende un medio para cerrar el espacio o los espacios de la pala extensora en una posición extendida. 7. Un sistema generador de energía de flujo de fluido que comprende: una turbina instalada en una estructura que se mantiene fija con referencia a un flujo de fluido; comprendiendo dicha turbina un rotor y estando colocada sobre dicha estructura de tal manera que dicho rotor se encuentra en alineado con la dirección del flujo de fluido; y comprendiendo dicho rotor al menos una estructura de pala de rotor extendióle, de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6.