PALA PARA AEROGENERADORES

Campo de Ia invención

La invención se refiere a palas con eje no recto empleadas en aerogeneradores.

Antecedentes de Ia invención

Son conocidas distintas propuestas para mejorar el comportamiento de los aerogeneradores mediante Ia utilización de un eje no recto de Ia pala. Como ejemplos se pueden citar los siguientes documentos:

EP 1 019 631 , donde se curvan las palas hacia el viento, sin aplicar conicidad. Dicho documento describe un aerogenerador del tipo de rodete frontal y que tiene una torre que sirve para soportar rotativamente un alojamiento del aerogenerador con un árbol principal sustancialmente horizontal que porta un rotor de viento, que comprende un cubo y tres aspas que se extienden desde el cubo y construidas como elementos de perfil de estructura aerodinámica, teniendo el aerogenerador uno de tales rotores de viento, siendo dicho rotor de viento del tipo en donde las aspas se extienden desde un área de seguridad o transición en el cubo del rotor a un área de Ia punta que reside a una distancia frente al plano normal del cubo del rotor a través de los puntos de intersección de los ejes de las aspas con Ia circunferencia del cubo, caracterizado porque las aspas, que pueden ser flexionadas por Ia presión del viento, se extienden hacia el exterior desde el cubo en dicho plano normal y a una distancia respecto del cubo, extendiéndose entonces, según una curvatura hacia el exterior y hacia delante, al menos a Io largo del tercio exterior de Ia aspa. EP 1 596 063 donde se curvan las palas hacia el viento y se aplica además cierta conicidad.

US 2006/0067828 donde se curvan las palas en el plano del rotor, de manera que se retrasa Ia punta de Ia pala y se adelanta Ia zona intermedia con el objeto de mejorar el comportamiento aeroelástico de Ia pala. Todas estas invenciones definen ejes de pala no rectos que introducen mejoras en el comportamiento aerodinámico del aerogenerador. Sin embargo en las grandes máquinas actuales (rotores de más de 50 metros de diámetro) las cargas másicas debidas al peso de Ia pala tienen una gran importancia. En particular las palas con ejes no rectos generan unos momentos importantes sobre el sistema de actuación de giro de Ia pala, debidas al peso de Ia propia pala.

Descripción de Ia invención

Se incluyen a continuación unas definiciones de características de las palas de Ia presente invención:

- eje geométrico o eje de Ia pala: curva definida por los puntos situados al 50% de Ia cuerda de cada perfil aerodinámico; Ia cuerda es Ia línea imaginaria que corta por el borde de salida y el borde de ataque al perfil y tiene Ia máxima longitud;

- eje de paso o eje de giro de Ia pala: eje alrededor del cual gira Ia pala cuando se modifica el ángulo de ataque de Ia pala;

- momento del sistema de giro de Ia pala debido al peso: momento que genera el peso de toda Ia pala respecto al eje de giro de pala; este momento puede variar en función del ángulo de azimut de Ia pala y de Ia deformación del eje de Ia pala causada por las fuerzas exteriores (fuerzas inerciales y fuerzas aerodinámicas);

- momento medio del sistema de giro: valor medio del momento a Io largo de Ia vida de Ia pala; mediante Ia reducción de este momento medio, se reduce Ia fatiga sobre el sistema de actuación de giro.

La deflexión por el empuje del viento aumenta en las palas de rotores grandes (en torno a 5Om de diámetro). Las palas curvas conocidas en el estado de Ia técnica se han ido desarrollando para evitar el choque de Ia punta de Ia pala contra Ia torre. Dicha geometría de una pala curva conlleva que el centro de masas CDM en un apilado de perfiles como el conocido en el estado de Ia técnica se distancia del eje de paso. Además, un incrementa el tamaño de Ia pala implica una mayor relevancia del peso. Por ello, Ia situación de centro de masas CDM respecto al eje de paso llega a ser un criterio dimensionante a Ia hora de calcular el sistema de paso, dado que el momento provocado por el peso de Ia pala al orientarse M _P gι _ro , crece a medida que se agudiza el coning o el prebending y aumenta el peso de Ia pala.

La presente invención define una pala que tiene una forma que mejora las prestaciones aerodinámicas una vez las cargas que afectan durante su funcionamiento en condiciones estándares deforman dicha estructura. La presente invención también se refiere a un método para diseñar Ia pala situando el centro de masas CDM en una zona seleccionada, aumentando así tanto Ia vida útil de Ia pala como Ia del sistema de paso, al disminuir el momento generado por el peso de Ia pala cuando Ia pala está siendo orientada Mp _gιro .

Un primer aspecto de Ia invención se refiere a un procedimiento para constituir una pala para aeogeneradores para disminuir un momento torsor en una en una unión de raíz entre Ia pala y un rotor caracterizado porque comprende:

a) un pre-proceso para definir una pala por una pluralidad de parámetros de entrada seleccionados entre longitud, materiales, masa, distribución de masa a Io largo de Ia pala, parámetros de deformación admisible y solicitaciones admisibles para obtener una pala inicial; b) una primera iteración apilando perfiles aerodinámicos que tienen Ia pala inicial sin carga, para localizar un centro de masas CDM de Ia pala in a posición seleccionada y para obtener una geometría de pala sin carga; c) una definición de carga standard para definir las condiciones de funcionamiento por una pluralidad de factores externos seleccionados entre velocidades de viento más frecuentes y velocidad angular ω para estimar un desplazamiento del centro de masas CDM de Ia pala y para obtener una pala de carga standard; d) a segunda iteración apilando perfiles aerodinámicos que tienen Ia pala de carga standard girando a una velocidad de funcionamiento para aproximar el centro de masas CDM de Ia pala a un eje de paso para obtener una pala operativa. Un segundo aspecto de Ia invención se refiere a una pala para aerogeneradores que tienen: un sistema de referencia formado por tres ejes ortogonales x, y, z donde: un primer eje x de rotor es paralelo a Ia velocidad angular ω del rotor, siendo un sentido positivo según dicho primer eje x, el definido por una resultante V que el viento ejerce sobre el rotor; un segundo eje y de torre define un eje de giro del aerogenerador para orientar el rotor respecto a un sentido de incidencia del viento, comúnmente denominado eje yaw, siendo el segundo eje y perpendicular al primer eje x, siendo un sentido positivo según dicho segundo eje y, el definido desde una base de Ia torre a una góndola; un tercer eje z de tierra perpendicular al primer eje x y al segundo eje y; el primer eje x, el segundo eje y y el tercer eje z, forman un sistema de referencia directo que tiene un origen de coordenadas en Ia góndola. La pala de Ia invención: se extiende a Io largo de un eje geométrico: desde una raíz donde Ia pala está unida a un rotor; hasta una punta; tiene un eje de paso para orientar Ia pala respecto a un sentido de incidencia del viento y modificar un ángulo de paso de Ia pala;

y está caracterizada porque en una proyección en un plano lateral XY Ia pala comprende: un tramo de raíz lateral que se extiende: desde Ia raíz lateral; hasta un primer punto intermedio lateral; un tramo de punta lateral que se extiende: desde un segundo punto intermedio lateral; hasta Ia punta lateral; donde: el tramo de raíz lateral forma un ángulo agudo α1 con el eje y en Ia raíz lateral, 0°< α1 < 10°; el tramo de punta lateral (12XV) forma un ángulo agudo α2 con el eje y en el segundo punto intermedio lateral (121 XY), 0°< α2< 10°; para aproximar un centro de masa CDM de Ia pala al: eje de paso para disminuir un momento de giro de Ia pala M _pgιro en torno al eje de paso; eje z para disminuir un momento de cabeceo de Ia góndola M _zgondO ι _a y para disminuir un momento de empotramiento de Ia pala M _zraιz .

Breve descripción de los dibujos A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor Ia invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1 es un diagrama de flujo que muestra el procedimiento de Ia invención.

Las Figuras 2A y 2B son vistas laterales de un aerogenerador que muestra palas de Ia invención.

La Figura 3 es una vista frontal de un aerogenerador que muestra una pala de Ia invención.

Descripción de una realización preferida de Ia invención Como puede verse en Ia figura 1 , Ia invención se refiere a un procedimiento para constituir una pala para aeogeneradores para disminuir un momento torsor en una en una unión de raíz entre Ia pala (1 ) y un rotor (2) caracterizado porque comprende:

a) un pre-proceso (10) para definir una pala por una pluralidad de parámetros de entrada seleccionados entre longitud, materiales, masa, distribución de masa a Io largo de Ia pala, parámetros de deformación admisible y solicitaciones admisibles para obtener una pala inicial (10A); b) una primera iteración (20) apilando perfiles aerodinámicos que tienen Ia pala inicial (10A) sin carga, para localizar un centro de masas CDM de Ia pala (1 ) in a posición seleccionada y para obtener una geometría de pala sin carga (20A); c) una definición de carga standard (30) para definir las condiciones de funcionamiento por una pluralidad de factores externos seleccionados entre velocidades de viento más frecuentes y velocidad angular ω para estimar un desplazamiento del centro de masas CDM de Ia pala (1 ) y para obtener una pala de carga standard (30A); d) a segunda iteración (40) apilando perfiles aerodinámicos que tienen Ia pala de carga standard (30A) girando a una velocidad de funcionamiento para aproximar el centro de masas CDM de Ia pala (1 ) a un eje de paso (1 pXV71 pVZ) para obtener una pala operativa (40A).

Como se muestra en las figuras 2 y 3, Ia invención también se refiere a una pala (1 ) para aerogeneradores que tienen: un sistema de referencia formado por tres ejes ortogonales x, y, z donde: un primer eje x de rotor (2) es paralelo a Ia velocidad angular ω del rotor (2), siendo un sentido positivo según dicho primer eje x, el definido por una resultante V que el viento ejerce sobre el rotor (2); un segundo eje y de torre (3) define un eje de giro del aerogenerador para orientar el rotor (2) respecto a un sentido de incidencia del viento, siendo el segundo eje y perpendicular al primer eje x, siendo un sentido positivo según dicho segundo eje y, el definido desde una base (30) de Ia torre (3) a una góndola (4); un tercer eje z de tierra perpendicular al primer eje x y al segundo eje y; el primer eje x, el segundo eje y y el tercer eje z, forman un sistema de referencia directo que tiene un origen de coordenadas en Ia góndola (4);

La pala (1 ): se extiende a Io largo de un eje geométrico (1gXV71g YZ): desde una raíz (11 1XV, 11 1 YZ) donde Ia pala (1 ) está unida a un rotor (2); hasta una punta (122XK 122YZ);

tiene un eje de paso (1 pXY/1 p YZ) para orientar Ia pala (1 ) respecto a un sentido de incidencia del viento y modificar un ángulo de paso de Ia pala (1 ); y está caracterizada porque en una proyección en un plano lateral XY Ia pala (1 ) comprende: un tramo de raíz lateral (11 XY) que se extiende: desde Ia raíz lateral (11 1XY); hasta un primer punto intermedio lateral (112XY); un tramo de punta lateral (12XV) que se extiende: desde un segundo punto intermedio lateral (121XY); hasta Ia punta lateral (122XY); donde: el tramo de raíz lateral (1 1XY) forma un ángulo agudo α1 con el eje y en Ia raíz lateral (11 1 XY), 0°< α1 < 10°; el tramo de punta lateral (12XY) forma un ángulo agudo α2 con el eje y en el segundo punto intermedio lateral (121 XY), 0°< α2< 10°; para aproximar un centro de masa CDM de Ia pala (1 ) al: eje de paso (1 pXY/1 p YZ) para disminuir un momento de giro de Ia pala (1 ) M _pgιro en torno al eje de paso (1 pXY/1 pYZ); eje z para disminuir un momento de cabeceo de Ia góndola (4) M _Z gondoia y para disminuir un momento de empotramiento de Ia pala (1 ) M _zra ι _Z . En Ia pala de Ia invención, el primer punto intermedio lateral (112XY) y el segundo punto intermedio lateral (121XY) pueden ser coincidentes.

Por otro lado, una porción seleccionada entre un tramo de raíz lateral (11XY), un tramo de punta lateral (12XY) y combinaciones de las mismas puede estar seleccionada entre recta y curva. Asimismo, Ia pala (1 ) de Ia invención, en una proyección en un plano frontal YZ, puede comprender: un tramo de raíz frontal (1 1 YZ) que se extiende: desde Ia raíz frontal (1 11 YZ); hasta un primer punto intermedio frontal (1 12 YZ); un tramo de punta frontal (12 YZ) que se extiende: desde un segundo punto intermedio frontal (121 YZ); hasta Ia punta frontal (122 YZ); donde: el tramo de raíz frontal (11 YZ) forma un ángulo agudo β1 con el eje de paso frontal (1 p YZ) en Ia raíz frontal (1 11 YZ), -10°< β1 < 10°;

el tramo de punta frontal (12VZ) forma un ángulo agudo β2 con el eje de paso frontal (1 pVZ) en el segundo punto intermedio frontal (121 VZ), 0°< β2< 10°; para aproximar un centro de masa CDM de Ia pala (1 ) al: eje de paso (1 pXY71 pVZ) para disminuir un momento de giro de Ia pala (1 ) M _pgιro en torno al eje de paso (1 pXY71 pVZ); eje x para disminuir un momento de cabeceo de Ia góndola (4) M _zgondO ι _a y para disminuir un momento de empotramiento de Ia pala (1 ) M _xra ι _Z -

Igualmente, en Ia pala de Ia invención, el primer punto intermedio frontal (112VZ) y el segundo punto intermedio frontal (121 VZ) pueden ser coincidentes.

Adicionalmente, una porción seleccionada entre un tramo de raíz frontal (11 VZ), un tramo de punta frontal (12 VZ) y combinaciones de las mismas puede estar seleccionada entre recta y curva.