Palas de turbina eólica con elementos vorticiales aerodinámicos.

Una pala (16) de turbina eólica, comprendiendo dicha pala:

una superficie (20) del lado de succión y una superficie

(22) del lado de presión;

una pluralidad de elementos vorticiales (32) configurados en al menos una de dichas superficies del lado de succión o del lado de presión; y

teniendo dichos elementos vorticiales una cara (40) al viento inclinada hacia arriba y una cara (44) de deslizamiento inclinada hacia abajo, encontrándose dicha cara al viento y dicha cara de deslizamiento en una arista de extremos generalmente abiertos (42) con forma de U que define unos cuernos laterales (46), reduciéndose la altura de dichos cuernos laterales desde una porción más adelantada de dicha arista orientada en la dirección del flujo de viento hasta dicha superficie del lado de succión o dicha superficie del lado de presión, y en la que dichos elementos vorticiales (32) tienen una forma de duna de arena creciente con una cara convexa (58) al viento y una cara cóncava (60) de deslizamiento, comprendiendo dicha arista (42) con forma de U una forma de arco curvado continuamente.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E11170657.

Solicitante: GENERAL ELECTRIC COMPANY.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: 1 RIVER ROAD SCHENECTADY, NY 12345 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.

Inventor/es: FANG,BIAO, HERR,STEFAN, LIU,XIAOYUE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > Motores de viento con el eje de rotación dispuesto... > F03D1/06 (Rotores)

PDF original: ES-2546485_T3.pdf

 

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Ilustración 1 de Palas de turbina eólica con elementos vorticiales aerodinámicos.
Ilustración 2 de Palas de turbina eólica con elementos vorticiales aerodinámicos.
Ilustración 3 de Palas de turbina eólica con elementos vorticiales aerodinámicos.
Ilustración 4 de Palas de turbina eólica con elementos vorticiales aerodinámicos.
Palas de turbina eólica con elementos vorticiales aerodinámicos.

Fragmento de la descripción:

Palas de turbina eólica con elementos vorticiales aerodinámicos

La presente invención versa, en general, acerca del campo de las turbinas eólicas y, más en particular, acerca de palas de turbina que tienen un elemento vorticial aerodinámico en las superficies de flujo de las mismas.

Las palas de turbina son los elementos primarios de las turbinas eólicas para convertir energía eólica en energía eléctrica. El principio operativo de las palas se asemeja al de un ala de avión. Las palas tienen el perfil en corte transversal de una superficie aerodinámica de forma que, durante su operación, el aire fluye sobre la pala produciendo una diferencia de presión entre los lados. Por consiguiente, una fuerza de sustentación, que está dirigida desde un lado de presión hacia un lado de succión, actúa sobre la pala. La fuerza de sustentación genera par sobre el eje del rotor principal, que está engranado a un generador para producir electricidad.

La fuerza de sustentación se genera cuando el flujo desde el borde de ataque hasta el borde de salida crea una diferencia de presión entre las superficies superior e inferior de la pala. Idealmente, se fija el flujo a la superficie superior desde el borde de ataque hasta el borde de salida. Sin embargo, cuando el ángulo de ataque del flujo supera un cierto ángulo crítico, el flujo no alcanza el borde de salida, sino que se aleja de la superficie en una línea de separación del flujo. Más allá de esta línea, se invierte en general la dirección del flujo, es decir, fluye desde el borde de salida hacia atrás hasta la línea de separación. Una sección de pala extrae mucha menos energía del flujo cuando se separa.

La separación del flujo depende de un número de factores, tales como las características del flujo de aire entrante (por ejemplo, el número de Reynolds, la velocidad del viento, la turbulencia atmosférica en un flujo) y las características de la pala (por ejemplo, las secciones de la superficie aerodinámica, la cuerda y el grosor de la pala, la distribución de la torsión, el ángulo de paso, etc.). La región de flujo separado también da lugar a un aumento en la fuerza de resistencia aerodinámica, principalmente debido a una diferencia de presión entre la región corriente arriba de flujo adherido y la región comente abajo de flujo separado. La separación del flujo tiende a ser más predominante más cerca de la raíz de la pala debido al ángulo relativamente grande de ataque de las superficies de flujo de la pala en esta reglón en comparación con la punta de la pala.

Por lo tanto, para aumentar la eficacia de la conversión de energía durante una operación normal de la turbina eólica, se desea aumentar la fuerza de sustentación de las palas mientras que se reduce la fuerza de resistencia aerodinámica. Con este fin, es ventajoso aumentar la región de flujo adherido y reducir la región de flujo separado moviendo la separación del flujo más cerca al borde de salida de la pala. Esto es particularmente deseable más cerca de la raíz de la pala para aumentar la sustentación total generada por la pala.

Se conoce en la técnica el cambio de las características aerodinámicas de las palas de turbina eólica añadiendo depresiones, proyecciones u otras estructuras en la superficie de la pala. Estas estructuras son denominadas a menudo "generadores de vórtices" y sirven para crear regiones locales de flujo de aire turbulento sobre la superficie de la pala como un medio para prolongar la separación del flujo y, por lo tanto, optimizar el flujo de aire aerodinámico en torno al contorno de la pala. Los generadores de vórtices convencionales son normalmente una chapa metálica y son definidos como "aletas" o estructuras conformadas en el lado de succión de la pala de la turbina. Sin embargo, los generadores de vórtices convencionales no están exentos de inconvenientes. Los generadores de vórtices crean una resistencia aerodinámica y tienden a ser muy ruidosos. Se pueden encontrar ejemplos de generadores de vórtices en los documentos DE 20105595 y WO 2007/090146.

En consecuencia, la industria se beneficiaría de un diseño de generador de vórtices aerodinámico que cree menos resistencia y ruido y sea, por lo tanto, particularmente útil más cerca de la raíz de la pala para aumentar la sustentación generada por esta región de la pala.

Se definirán diversos aspectos y ventajas de la invención en parte en la siguiente descripción, o puede resultar claros a partir de la descripción, o pueden ser aprendidos mediante la práctica de la invención.

Según diversos aspectos de la invención, se proporciona una pala de turbina eólica según la reivindicación 1 adjunta. Tenga una pared frontal plana y paredes laterales planas opuestas, y la cara de deslizamiento puede tener una pared frontal plana y paredes laterales planas opuestas.

Se pueden colocar los elementos vorticiales en cualquier ubicación en cualquiera de las superficies de flujo de la pala, o en ambas, en las que se desea modificar las características aerodinámicas de la superficie. En una realización particular, los elementos vorticiales están definidos en la superficie del lado de succión a una longitud de cuerda desde entre aproximadamente un 15% hasta aproximadamente un 65%. Los elementos vorticiales pueden estar dispuestos más cercanos a una porción de raíz de la pala en comparación con una porción de punta, o más cercanos a la porción de punta en comparación con la porción de raíz.

La pala puede incorporar los elementos vorticiales individuales con generadores de vórtices convencionales, tales como generadores de vórtices de tipo cuña o aleta. Por ejemplo, se pueden proporcionar los elementos vorticiales

en una región definida de la pala mientras que se pueden proporcionar generadores de vórtices en una región distinta de la pala, o se pueden entremezclar los generadores de vórtices y los elementos vorticiales.

Las realizaciones de la invención también abarcan una turbina eólica que tiene una o más palas de turbina configuradas con los elementos vorticiales individuales, según se describe en la presente memoria.

Se comprenderán mejor diversos aspectos, características y ventajas de la presente invención con referencia a la siguiente descripción y a las reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que están Incorporados y constituyen una parte de la presente memoria, ilustran realizaciones de la Invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. En los dibujos:

la Fig. 1 es una vista en perspectiva de una turbina eólica convencional;

la Fig. 2 es una vista en perspectiva de una realización de una pala de turbina eólica según aspectos de la invención;

la Fig. 3 es una vista ampliada en perspectiva de un elemento vortlclal ejemplar según aspectos de la invención;

la Fig. 4 es una vista lateral recortada de una superficie de pala y de un elemento vortlclal;

la Fig. 5 es una imagen generada por ordenador del flujo de aire sobre un elemento vortlclal según la

invención que ilustra en particular el flujo turbulento Inducido corriente abajo;

la Fig. 6 es una vista en perspectiva de un ejemplo de un elemento vortlclal; y

la Fig. 7 es una vista lateral recortada del elemento vortlclal de la Fig. 6.

Se hará ahora referencia con detalle a realizaciones de la Invención, uno o más ejemplos de las cuales se ilustran en los dibujos. Se proporciona cada ejemplo a modo de explicación de la Invención, no de limitación de la invención. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin alejarse del alcance o del espíritu de la Invención.... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Una pala (16) de turbina eólica, comprendiendo dicha pala:

una superficie (20) del lado de succión y una superficie (22) del lado de presión;

una pluralidad de elementos vorticiales (32) configurados en al menos una de dichas superficies del lado de succión o del lado de presión; y

teniendo dichos elementos vorticiales una cara (40) al viento inclinada hacia arriba y una cara (44) de deslizamiento inclinada hacia abajo, encontrándose dicha cara al viento y dicha cara de deslizamiento en una arista de extremos generalmente abiertos (42) con forma de U que define unos cuernos laterales (46), reduciéndose la altura de dichos cuernos laterales desde una porción más adelantada de dicha arista orientada en la dirección del flujo de viento hasta dicha superficie del lado de succión o dicha superficie del lado de presión, y en la que dichos elementos vorticiales (32) tienen una forma de duna de arena creciente con una cara convexa (58) al viento y una cara cóncava (60) de deslizamiento, comprendiendo dicha arista (42) con forma de U una forma de arco curvado continuamente.

2. La pala (16) de turbina eólica según la reivindicación 1, en la que dichos elementos vorticiales (32) están definidos en dicha superficie (20) del lado de succión a una longitud de cuerda desde entre aproximadamente un 15% hasta aproximadamente un 65%.

3. La pala (16) de turbina eólica según la reivindicación 1 o 2, en la que dichos elementos vorticiales (32) están más cerca de una porción (28) de raíz de dicha pala en comparación con una porción (30) de punta.

4. La pala (16) de turbina eólica según cualquier reivindicación precedente, en la que dichos elementos vorticiales (32) están más cerca de una porción (30) de punta de dicha pala en comparación con una porción (28) de raíz.

5. La pala (16) de turbina eólica según cualquier reivindicación precedente, que comprende, además, una pluralidad de generadores de vórtices (34) configurados en al menos una de dicha superficie (22) del lado de presión o de dicha superficie (20) del lado de succión en combinación con dichos elementos vorticiales (32).

6. La pala (16) de turbina eólica según cualquier reivindicación precedente, en el que dichos elementos vorticiales (32) están formados en dicha superficie (20) del lado de succión y en dicha superficie (22) del lado de presión.

7. Una turbina eólica (10), comprendiendo dicha turbina eólica una pluralidad de palas (16) de turbina, siendo al menos una de dichas palas de turbina según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.

8. La turbina eólica (10) según la reivindicación 7, en la que cada una de dichas palas (16) de turbina es según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.