Turbina eólica con palas del rotor provistas de aletas.

Una turbina eólica que comprende un rotor con palas de turbina eólica,

cada una de las cuales tiene un extremode raíz conectado a un buje de la turbina eólica y un extremo de punta, estando provisto el extremo de punta decada una de las cuales de una aleta que se extiende una distancia (Xaltura) en una dirección perpendicular a unadirección longitudinal de la pala, en la que la solidez específica del radio combinado (Solr) de rotor en el extremo depunta de las palas inmediatamente contiguo a la aleta es 0,085 veces la extensión de la aleta (Xaltura) dividida entreel radio (R) del rotor, más un valor dentro de un intervalo de 0,0012 a 0,0048, más 0,085 veces la extensión de laaleta (Xaltura) dividida entre el radio (R) del rotor, estando definida la solidez específica del radio combinado (Solr) delrotor como **Fórmula**

siendo n el número de palas del rotor, cr la longitud de cuerda a la distancia r del buje y R el radio del rotor,dicha solidez específica del radio combinado (Solr) del rotor en el extremo de punta de la pala está preferentementeen el intervalo de 0,0016 a 0,0042, lo más preferentemente en el intervalo de 0,0024 a 0,0040, más 0,085 veces laextensión de la aleta (Xaltura) dividida entre el radio (R) del rotor.

Turbina eólica con palas del rotor provistas de aletas Campo de la invención La presente invención se refiere a una turbina eólica que tiene un rotor con palas de turbina eólica provistas de aletas y que tiene un diseño aerodinámico particular para mejorar el rendimiento de la turbina eólica.

Antecedentes de la invención Durante años ha sido una práctica común en el diseño de alas de aviones disponer distintos tipos de aletas u otros medios en la punta del ala para reducir o evitar el flujo de aire en envergadura desde el lado de presión (inferior) del perfil del ala hacia el lado de succión (superior) del perfil alrededor de la punta, lo que da como resultado la creación de vórtices en la punta y un coeficiente de sustentación menor en la sección de punta del ala, principalmente debido a la succión reducida en el lado de succión. Los rotores de turbina eólica con palas provistas de aletas son conocidos asimismo en la técnica, principalmente a los efectos de reducir la emisión de ruido de la turbina eólica debido a la presencia de vórtices en la punta, aunque igualmente para mejorar el rendimiento global de la turbina eólica.

El documento WO 2004/061298 A2 divulga tal pala para una turbina eólica, donde se divulga un diseño en particular de la propia aleta.

El documento EP 1 500 814 A1 muestra una pala de turbina eólica con una proyección terminal que tiene un perfil transversal aerodinámico, que descansa en un plano que se extiende con un ángulo con respecto al plano de la pala de rotor. La proyección terminal es asimétrica con respecto al eje longitudinal central de la pala del rotor, con una reducción progresiva o escalonada del grosor de la pala en la transición entre la proyección terminal y el resto de la pala de rotor.

El documento WO 2005/078277 A2 se refiere a una pala de rotor para una turbina eólica con una razón de resistencia, en particular en la región de tablero central o principal de dicho rotor, cuyo valor supera el 80 %, y preferentemente el 90 %, del valor máximo de dicha razón en el intervalo de +/-2° del paso óptimo de dicho rotor.

Una de las consecuencias de producir sustentación en un ala finita es la generación de flujo en envergadura alrededor de la punta, lo que influye en el patrón de flujo en toda la región de la punta. En particular, los gradientes de presión provocados por las presiones menores en la superficie superior con relación a las presiones mayores en la superficie inferior conducen a un flujo en envergadura hacia dentro (hacia el buje) en la superficie superior y a un flujo en envergadura hacia fuera (hacia la punta) en la superficie inferior. En el borde de salida, la confluencia de estos dos flujos con direcciones diferentes genera la vorticidad que se desprende de un ala finita y es el origen de una resistencia inducida así como de ruido aerodinámico.

Una placa terminal en la punta de un ala finita puede reducir el flujo en envergadura y por lo tanto reducir la resistencia inducida. Desafortunadamente, para ser efectiva, la placa terminal debe ser tan grande que el aumento de resistencia por superficie mojada sobrepase con mucho cualquier reducción de resistencia. Una aleta, en lugar de ser una simple barrera que limita el flujo en envergadura, transporta una carga aerodinámica que produce un campo de flujo, esto es, una fuerza lateral hacia dentro que permite que su propio campo de velocidad inducida cancele parcialmente el del ala principal, reduciendo así la cantidad de flujo en envergadura. En esencia, la aleta difunde o dispersa la influencia del vórtice de punta de tal modo que la deflexión hacia abajo y, a su vez, la resistencia inducida se reducen. De este modo, la aleta actúa como una placa terminal para reducir el flujo en envergadura pero, al transportar la carga aerodinámica adecuada, consigue esto con mucha menos superficie mojada.

El desplazamiento de la punta del ala hacia fuera y alejándose de la forma en planta principal del ala reduce el efecto de la vorticidad desprendida en el ala desplazando la vorticidad concentrada lejos del ala. De este modo, la aleta emula el efecto de una extensión de envergadura plana y de un aumento de la longitud del perímetro de carga.

El proceso de difusión se manifiesta asimismo como una expansión de la estela en el campo lejano debido a velocidades inducidas por los componentes no planos de la aleta. El vórtice ligado fuera de plano sobre una aleta dirigida hacia arriba induce velocidades horizontales en la estela libre que provocan una dispersión en envergadura del campo de estela. Esto emula asimismo el efecto de un aumento de envergadura.

Otro beneficio de las aletas, que no se consigue mediante una mera extensión de envergadura, es el efecto en la distribución de sustentación en envergadura, en particular en la región de la punta del ala. La influencia de la aleta carga efectivamente la forma en planta en la región de punta, aumentando los coeficientes locales de sustentación y rellenando la distribución de sustentación en envergadura. Son posibles eficiencias de forma en planta superiores a las de un ala elíptica. Esto ocurre porque, como se evidencia por la extensión de los coeficientes de sustentación aproximadamente constantes más allá de la ubicación real de la punta, la distribución de sustentación en envergadura cargada en la punta se comporta, de hecho, como la de una forma en planta cargada casi elípticamente de una mayor envergadura. Cuando se referencia a la envergadura real, la eficiencia resultante es

superior a la de una carga elíptica.

En resumen, los beneficios globales de una aleta frente a una extensión de punta son:

1. Se encuentra que la instalación de aletas provoca un mayor aumento en el coeficiente de potencia y un menor aumento en el momento de flexión de flap que en palas de rotor extendidas radialmente.

2. El menor diámetro de la turbina para la misma velocidad de punta da como resultado una relación de desmultiplicación menor.

3. En algunos emplazamientos, la normativa local impone una altura de turbina eólica máxima (torre más punta de la pala en la posición más elevada) .

4. Disminución de ruido de vórtices de punta.

Breve descripción de la invención Las ventajas analizadas anteriormente de aplicar aletas en palas de turbina eólica han conducido a una tendencia de diseño donde la parte de la pala que se extiende desde el buje y hacia el extremo de punta de las palas inmediatamente contiguo a la aleta, esto es, en la raíz de la aleta, está diseñada como la parte interna de una pala de turbina eólica más larga, ya que la presencia de la aleta reduce los efectos de punta adversos en el coeficiente de sustentación en la parte externa de la pala próxima a la punta, y se puede conseguir un mayor rendimiento de esa parte de la pala, lo que es particularmente interesante ya que esta parte barre una sección grande del área total barrida por el rotor. Este diseño conduce a longitudes de cuerda relativamente grandes en la parte externa de la pala, esto es, aproximadamente el 5 % externo del radio completo del rotor.

Es un objetivo de la presente invención proporcionar un diseño mejorado de una pala de turbina eólica con una aleta que da como resultado un rendimiento mejorado de la turbina eólica con respecto a la producción anual y, preferentemente, también una reducción en la emisión de ruido.

Se ha encontrado mediante la presente invención que una optimización del rendimiento de la turbina eólica se puede conseguir diseñando la parte externa de la pala para que sea mucho más fina, esto es, con una longitud de cuerda más corta diseñada dentro de una banda estrecha de valores definidos con respecto a la longitud de la aleta, esto es, la extensión en la dirección transversal a la dirección longitudinal de la pala. Se ha demostrado que la reducción de la longitud de cuerda reduce la resistencia real más que la reducción en sustentación y da como resultado un rendimiento mejorado. Así pues, la presente invención se refiere a una turbina eólica que comprende un rotor con palas de turbina eólica, cada una de las cuales tiene un extremo de raíz conectado a un buje de la turbina eólica y un extremo de punta, el extremo de punta de cada una de las cuales está provisto de una aleta que se extiende una distancia en una dirección perpendicular a una dirección longitudinal de la pala, en la que la solidez específica del radio combinado (Solr) del rotor en el extremo de punta de las palas inmediatamente contiguo a la aleta es 0, 085 veces la extensión de la aleta dividida entre el radio del rotor, más un valor dentro del intervalo de 0, 0012 a 0, 0048. Sin embargo, para un efecto óptimo de la aleta, los estudios del inventor... [Seguir leyendo]

1. Una turbina eólica que comprende un rotor con palas de turbina eólica, cada una de las cuales tiene un extremo de raíz conectado a un buje de la turbina eólica y un extremo de punta, estando provisto el extremo de punta de cada una de las cuales de una aleta que se extiende una distancia (Xaltura) en una dirección perpendicular a una dirección longitudinal de la pala, en la que la solidez específica del radio combinado (Solr) de rotor en el extremo de punta de las palas inmediatamente contiguo a la aleta es 0, 085 veces la extensión de la aleta (Xaltura) dividida entre el radio (R) del rotor, más un valor dentro de un intervalo de 0, 0012 a 0, 0048, más 0, 085 veces la extensión de la aleta (Xaltura) dividida entre el radio (R) del rotor, estando definida la solidez específica del radio combinado (Solr) del rotor como Sol

r

#

n cr 2!R

∀

) ∗

siendo n el número de palas del rotor, cr la longitud de cuerda a la distancia r del buje y R el radio del rotor,

dicha solidez específica del radio combinado (Solr) del rotor en el extremo de punta de la pala está preferentemente en el intervalo de 0, 0016 a 0, 0042, lo más preferentemente en el intervalo de 0, 0024 a 0, 0040, más 0, 085 veces la extensión de la aleta (Xaltura) dividida entre el radio (R) del rotor.

) ∗

2. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la solidez específica del radio combinado (Solr) del rotor aumenta continuamente desde el extremo de punta de la pala y hasta un valor en el intervalo de 0, 0065 a 0, 013 en una posición en el 5 % del radio del rotor R desde la punta en la dirección del buje, preferentemente en el intervalo de 0, 008 a 0, 011 y lo más preferentemente en el intervalo de 0, 0085 a 0, 01.

3.Una turbina eólica de acuerdo con lareivindicación 2, en laque la solidezespecífica del radio combinado (Sol) r) ∗

del rotor aumenta de modo sustancialmente lineal desde el extremo de punta de la pala y hasta una posición en el 5 % del radio del rotor (R) desde la punta en la dirección del buje.

4. Una turbina eólica que comprende un rotor con palas de turbina eólica, cada una de las cuales tiene un extremo de raíz conectado a un buje de la turbina eólica y un extremo de punta, estando provisto el extremo de punta de cada una de las cuales de una aleta que se extiende una distancia (Xaltura) en una dirección perpendicular a una dirección longitudinal de la pala, en la que la solidez específica del radio combinado (Solr) del rotor en la parte de

) ∗

extremo de punta de las palas se diseña sustancialmente de acuerdo con la fórmula

∀+ ∀+∀+ X ∀+ X

altura altura 2 2

(&∋

(&∋

(&∋

(&∋

r

r

Sol

#%0, 34087

∃ 0, 6004

%1, 236

∃ 0, 12548

% 0, 25276

∃

C

r

R

R

R

R

siendo r la distancia al buje y R el radio de rotor, en el que C se define como una constante para la totalidad del diseño del rotor y se elige dentro del intervalo de -0, 006 a 0, 006, estando definida la solidez específica del radio combinado (Solr) como Sol

r

#

∀

n cr 2!R

siendo n el número de palas del rotor, cr la longitud de cuerda a la distancia r del buje, y

preferentemente en el intervalo de -0, 004 a 0, 004, preferentemente en el intervalo de -0, 003 a 0, 003.

5. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 4, en la que dicha parte de punta que está diseñada de acuerdo con dicha fórmula constituye al menos el 5 % externo de la longitud de la pala de cada una de las palas del rotor.

6. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, en la que la solidez específica del radio combinado (Solr) de dicha parte de punta se desvía menos del 12 % respecto a la solidez específica del radio combinado (Solr) definida por dicha fórmula, preferentemente menos del 8 % y lo más preferentemente menos del 6 %.

7. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la extensión de la aleta (Xaltura) se constituye en el intervalo del 0, 5 % al 5 % del radio (R) del rotor, preferentemente en el intervalo del 2 % al 4 % del radio (R) .

8. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la solidez específica del radio combinado de la cuerda de punta de la aleta (Solr) está en el intervalo de 0, 0 a 0, 02 para un radio de pala r tomado como el radio del rotor R, y el coeficiente de sustentación máximo (Cl, máx) para la cuerda de punta de la aleta está en el intervalo de 0, 0 a 0, 4.

9. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 8, en la que la solidez específica del radio combinado (Solr) del rotor en el extremo de punta de las palas inmediatamente contiguo a la aleta es sustancialmente igual a la solidez específica del radio combinado en la cuerda de raíz de la aleta, y la solidez específica del radio combinado disminuye de modo sustancialmente continuo desde la cuerda de raíz de la aleta hacia la cuerda de punta de la

aleta.

10. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 9, en la que la solidez específica del radio combinado disminuye de modo sustancialmente lineal entre la cuerda de raíz de la aleta y la cuerda de punta de la aleta.

11. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las aletas se extienden dicha distancia (Xaltura) hacia el lado de succión de las palas del rotor.

12. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el ángulo de ataque αAoA de flujo de entrada de la aleta está en el intervalo de -5 a 10°, preferentemente en el intervalo de -2 a 8° y lo más preferentemente en el intervalo de 0 a 5°.

13. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el ángulo de ataque de inclinación de la aleta respecto a la pala está en el intervalo de 70 a 150°, preferentemente en el intervalo de 80 a 15 120° y lo más preferentemente en el intervalo de 90 a 100°.

14. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el desplazamiento del borde de ataque de la aleta XLED es menor que la cuerda de raíz de la aleta, preferentemente en el intervalo del 5 % al 75 % de la misma y lo más preferentemente en el intervalo del 10 % al 50 % de la misma.

15. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el desplazamiento del

borde de salida de la aleta XTED es menor que +/-30 % de la cuerda de raíz de la aleta, preferentemente en el intervalo de +/-2 % a +/-20 % del mismo y lo más preferentemente en el intervalo de +/-5 % a +/-10 % del mismo.