Sistema y procedimiento de manipulación de una capa límite en una pala de rotor de una turbina eólica.
Un sistema (30) de distribución de aire para manipular una capa límite (76) de aire en una pala (28) de rotor de turbina eólica,
teniendo la pala de rotor de turbina eólica al menos una pared lateral (54) que define una cavidad (60) en la misma, extendiéndose la pared lateral entre un borde (66) de ataque y un borde de (68) salida separado axialmente y que define un eje (44) a lo largo de la cuerda entre el borde de ataque y el borde de salida, comprendiendo dicho sistema de distribución de aire:
una pluralidad de conjuntos (84) de flujo de purga colocados en el interior de la pala de rotor y configurados para descargar aire a la capa límite para reducir una separación de la capa límite de la pala de rotor, comprendiendo cada conjunto de flujo de purga de dicha pluralidad de conjuntos de flujo de purga: un conducto (90) de flujo de purga acoplado a una superficie interna (92) de la pared lateral y orientado con respecto al eje a lo largo de la cuerda entre el borde de ataque y el borde de salida, configurado dicho conducto de flujo de purga para canalizar aire a través de la pala de rotor;
una abertura (86) de entrada definida a través de dicho conducto (90) de flujo de purga a través de una sección (64) de la pala del lado de presión próxima al borde (66) de ataque y a través de la pared lateral (54) para canalizar aire al interior del conducto de flujo de purga;
una abertura (88) de salida definida a través de dicho conducto (90) de flujo de purga a través de una sección (62) de la pala del lado de succión próxima al borde (68) de salida y a través de la pared lateral para descargar aire desde dicho conducto de flujo de purga y a la capa límite;
un conjunto (146) de flujo de derivación definido a través de la pala (28) de rotor de la turbina eólica para canalizar de forma selectiva aire a través de la pala de rotor durante una ráfaga de viento para reducir una sustentación en la pala de rotor, comprendiendo dicho conjunto de flujo de derivación: una pluralidad de aberturas (148) de entrada de derivación definidas a través de la segunda sección de la pala para canalizar aire ambiente a la cavidad (60) de la pala de rotor;
una pluralidad de aberturas (150) de salida de derivación definidas a través de la primera sección de la pala para descargar aire desde la cavidad de la pala de rotor a la capa límite (76);
una pluralidad de trampillas (158) de salida acopladas a la primera sección de la pala y colocadas con respecto a una abertura respectiva (150) de salida de derivación, amovible cada trampilla de salida de dicha pluralidad de trampillas de salida para cubrir una abertura respectiva de salida de derivación en una primera posición (160) y para permitir que se descargue aire de la cavidad (60) de la pala de rotor en una segunda posición (162); y
una pluralidad de trampillas (164) de entrada acopladas a la segunda sección de la pala y colocadas con respecto a una abertura respectiva (148) de entrada de derivación, amovible cada trampilla de entrada entre la primera posición y la segunda posición para cubrir dicha abertura de entrada de derivación en la primera posición y para permitir que se canalice aire a la cavidad de la pala de rotor en la segunda posición.
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E11194546.
Solicitante: GENERAL ELECTRIC COMPANY.
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: 1 RIVER ROAD SCHENECTADY, NY 12345 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.
Inventor/es: GUPTA,ANURAG, BHAISORA,SHAILESH SINGH, SHASTRI,NARASIMHA.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F03D1/06 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR. › F03D MOTORES DE VIENTO. › F03D 1/00 Motores de viento con el eje de rotación dispuesto sustancialmente paralelo al flujo de aire que entra al rotor (su control F03D 7/02). › Rotores.
- F03D7/02 F03D […] › F03D 7/00 Control de los motores de viento (alimentación o distribución de energía eléctrica H02J, p. ej. disposiciones para ajustar, eliminar o compensar la potencia reactiva en las redes H02J 3/18; control de generadores eléctricos H02P, p. ej. disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida H02P 9/00). › teniendo los motores de viento el eje de rotación dispuesto sustancialmente paralelo al flujo de aire que entra al rotor.
- F03D7/04 F03D 7/00 […] › Control automático; Regulación.
- F15D1/12 F […] › F15 DISPOSITIVOS ACCIONADORES POR PRESION DE UN FLUIDO; HIDRAULICA O NEUMATICA EN GENERAL. › F15D DINAMICA DE LOS FLUIDOS, ES DECIR, PROCEDIMIENTOS O MEDIOS PARA ACTUAR SOBRE EL FLUJO DE GASES O LIQUIDOS (elementos de circuitos de fluido F15C). › F15D 1/00 Acción sobre el flujo de los fluidos. › actuando sobre la capa límite.
PDF original: ES-2516092_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Sistema y procedimiento de manipulación de una capa límite en una pala de rotor de una turbina eólica
La materia descrita en el presente documento versa, en general, acerca de turbinas eólicas y, más en particular, acerca de procedimientos y sistemas de manipulación de una capa límite en una pala de rotor de una turbina eólica.
Al menos algunas turbinas eólicas conocidas incluyen una góndola fijada encima de una torre, en las que la góndola incluye un rotor acoplado a un generador a través de un eje. En los conjuntos conocidos de rotor, una pluralidad de palas se extienden desde el rotor. Las palas están orientadas de forma que el viento que pasa sobre las palas haga girar el rotor y gire el eje, accionando, de ese modo, el generador para generar electricidad. Según fluye el viento sobre una superficie externa de la pala del rotor, se forma una capa límite sobre la superficie externa que facilita la generación de sustentación en la pala del rotor.
El documento US 2010/0028149 da a conocer un sistema de pala de turbina que tiene un dispositivo de punta para controlar un flujo de aire para reducir el ruido y aumentar la eficacia aerodinámica.
Al menos algunas de las palas conocidas de rotor de turbina eólica incluyen un sistema de control activo del flujo. Control activo del flujo (AFC) es una expresión general para tecnologías y/o sistemas que intentan influir activamente sobre una respuesta aerodinámica de un objeto en reacción a las condiciones dadas en el flujo. Más específicamente, se utilizan al menos algunos sistemas conocidos de AFC para manipular la capa límite en una pala de rotor de turbina eólica. Al menos algunos sistemas conocidos de AFC utilizan sistemas de suministro de aire para proporcionar aire que va a ser descargado desde la pala del rotor y a la capa límite. Los sistemas conocidos de AFC requieren que se canalice el aire desde la góndola y/o el cubo hasta la pala del rotor. Al canalizar el aire desde la góndola y/o el cubo, los sistemas conocidos de AFC aumentan los requerimientos de energía de componentes de la turbina eólica, lo que tiene como resultado una reducción en la producción anual de energía de la turbina eólica.
Las reivindicaciones adjuntas definen diversos aspectos y realizaciones de la presente invención.
Se describirán ahora diversos aspectos y realizaciones de la presente invención en conexión con los dibujos
adjuntos, en los que:
La FIG. 1 es una vista en perspectiva de una porción de una turbina eólica ejemplar.
La FIG. 2 es una vista en perspectiva de una pala ejemplar de rotor adecuada para ser utilizada con la turbina eólica mostrada en la FIG. 1 que incluye un sistema ejemplar de distribución de aire.
La FIG. 3 es una vista en corte transversal de la pala ejemplar de rotor que incluye el sistema de distribución de aire mostrado en la FIG. 2 a lo largo de la línea 3-3 de sección.
La FIG. 4 es otra vista en corte transversal de la pala ejemplar de rotor que incluye el sistema de distribución de aire mostrado en la FIG. 2 a lo largo de la línea 4-4 de sección.
La FIG. 5 es un diagrama de bloques de un sistema ejemplar de control adecuado para ser utilizado con la turbina eólica mostrada en la Fig. 1.
La FIG. 6 es un diagrama de flujo que ilustra un procedimiento ejemplar para manipular una capa límite en la pala de rotor mostrada en la FIG. 2.
Las realizaciones descritas en el presente documento facilitan el montaje de una pala de rotor que aumenta una producción anual de energía de una turbina eólica. Según se utiliza en el presente documento, la expresión "producción anular de energía" hace referencia a la energía eléctrica acumulativa producida por una turbina eólica durante un periodo de un año. Además, la pala de rotor descrita en el presente documento incluye un sistema de distribución de aire que descarga aire a una capa límite que fluye a través de una superficie externa de la pala de rotor. Más específicamente, el sistema de distribución de aire descrito en el presente documento está configurado para aspirar aire ambiente al interior de la cavidad de la pala de rotor y para descargar el aire a la capa límite. Al descargar aire a la capa límite, el sistema de distribución de aire facilita el aumento de la eficacia aerodinámica de la pala de rotor durante la operación de la turbina eólica, y reduce los requerimientos de potencia de los componentes de la turbina eólica en comparación con las turbinas eólicas conocidas. Al aspirar aire ambiente al interior de la cavidad de la pala de rotor, y al descargar aire a la capa límite, el sistema de distribución de aire reduce un requerimiento de potencia para manipular la capa límite para permitir la unión renovada de la capa límite y el desarrollo de un flujo laminar adyacente a la superficie externa de la pala de rotor. Como tal, las realizaciones descritas en el presente documento facilitan la mejora de la operación de la turbina eólica para aumentar la producción anual de energía de la turbina eólica. Además, el sistema de distribución de aire canaliza el aire a través de la cavidad de la pala de rotor durante una ráfaga de aire para reducir la sustentación de la pala de rotor para evitar un exceso de velocidad de la turbina eólica. Al evitar un exceso de velocidad de la turbina eólica, se facilita la reducción del coste de operación del sistema de turbina eólica. Según se utiliza en el presente documento, la expresión "exceso de velocidad" hace referencia a una velocidad rotacional de un eje del rotor a la que puede producirse un daño potencial al eje del rotor, incluyendo daños a la turbina.
La FIG. 1 es una vista en perspectiva de una turbina eólica ejemplar 10. En la realización ejemplar, la turbina eólica 10 es una turbina eólica de eje horizontal. De forma alternativa, la turbina eólica 10 puede ser una turbina eólica de
eje vertical. En la realización ejemplar, la turbina eólica 10 incluye una torre 12 que se extiende desde una superficie 14 de soporte, una góndola 16 que está montada en la torre 12, un generador 18 que está colocado en el interior de la góndola 16, y una caja 20 de engranajes que está acoplada al generador 18. Un rotor 22 está acoplado de forma giratoria con la caja 20 de engranajes con un eje 24 del rotor. De forma alternativa, la turbina eólica 10 no incluye una caja 20 de engranajes, de forma que el rotor 22 está acoplado de forma giratoria al generador 18 con el eje 24 del rotor. En la realización ejemplar, el rotor 22 incluye un cubo giratorio 26 y al menos una pala 28 de rotor que se extiende hacia fuera desde el cubo 26. Un sistema 30 de distribución de aire está acoplado a una o más palas 28 de rotor para facilitar el aumento de la producción de energía de la turbina eólica 10. En una realización, un sistema 32 de control está acoplado al sistema 30 de distribución de aire y se encuentra en comunicación operativa de control con el sistema 30 de distribución de aire.
Según se utiliza en el presente documento, "comunicación operativa de control" hace referencia a un enlace, tal como un conductor, un cable y/o un enlace de datos, entre dos o más componentes de la turbina eólica 10 que permite que se comuniquen señales, corrientes eléctricas y/o instrucciones entre los dos o más componentes. El enlace está configurado para habilitar un componente para que controle una operación de otro componente de la turbina eólica 10 utilizando las señales, corrientes eléctricas y/o instrucciones comunicadas.
En la realización ejemplar, el rotor 22 incluye tres palas 28 de rotor. En una realización alternativa, el rotor 22 incluye más o menos de tres palas 28 de rotor. Las palas 28 de rotor están separadas en torno al cubo 26 para facilitar la rotación del rotor 22 para permitir que la energía cinética sea transformada, a partir del viento en energía mecánica utilizable y, subsiguientemente, en energía eléctrica. En la realización ejemplar, las palas 28 de rotor tienen una longitud que varía desde aproximadamente 30 metros (m) hasta aproximadamente 120 m. De forma alternativa, las palas 28 de rotor pueden tener cualquier longitud adecuada que permita que la turbina eólica 10 funcione como se describe en el presente documento. Por ejemplo, otros ejemplos no limitantes de longitudes de las palas incluyen 10 m o menos, 20 m y 37 m o una longitud que es mayor de 120 m. Según incide el viento contra las palas 28 de rotor desde una dirección 34, se gira el rotor 22 en torno a un eje de rotación 36. Según giran las palas 28 de rotor y son sometidas a fuerzas centrífugas, las palas 28 de rotor también son sometidas a diversos momentos y fuerzas. Como tal, las palas 28 de rotor pueden flexionarse y/o girar desde una posición... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Un sistema (30) de distribución de aire para manipular una capa límite (76) de aire en una pala (28) de rotor de turbina eólica, teniendo la pala de rotor de turbina eólica al menos una pared lateral (54) que define una cavidad (60) en la misma, extendiéndose la pared lateral entre un borde (66) de ataque y un borde de (68) salida separado axialmente y que define un eje (44) a lo largo de la cuerda entre el borde de ataque y el borde de salida, comprendiendo dicho sistema de distribución de aire:
una pluralidad de conjuntos (84) de flujo de purga colocados en el interior de la pala de rotor y configurados para descargar aire a la capa límite para reducir una separación de la capa límite de la pala de rotor, comprendiendo cada conjunto de flujo de purga de dicha pluralidad de conjuntos de flujo de purga:
un conducto (90) de flujo de purga acoplado a una superficie interna (92) de la pared lateral y orientado con respecto al eje a lo largo de la cuerda entre el borde de ataque y el borde de salida, configurado dicho conducto de flujo de purga para canalizar aire a través de la pala de rotor;
una abertura (86) de entrada definida a través de dicho conducto (90) de flujo de purga a través de una sección (64) de la pala del lado de presión próxima al borde (66) de ataque y a través de la pared lateral (54) para canalizar aire al interior del conducto de flujo de purga;
una abertura (88) de salida definida a través de dicho conducto (90) de flujo de purga a través de una sección (62) de la pala del lado de succión próxima al borde (68) de salida y a través de la pared lateral para descargar aire desde dicho conducto de flujo de purga y a la capa límite;
un conjunto (146) de flujo de derivación definido a través de la pala (28) de rotor de la turbina eólica para canalizar de forma selectiva aire a través de la pala de rotor durante una ráfaga de viento para reducir una sustentación en la pala de rotor, comprendiendo dicho conjunto de flujo de derivación:
una pluralidad de aberturas (148) de entrada de derivación definidas a través de la segunda sección de la pala para canalizar aire ambiente a la cavidad (60) de la pala de rotor;
una pluralidad de aberturas (150) de salida de derivación definidas a través de la primera sección de la pala para descargar aire desde la cavidad de la pala de rotor a la capa límite (76); una pluralidad de trampillas (158) de salida acopladas a la primera sección de la pala y colocadas con respecto a una abertura respectiva (150) de salida de derivación, amovible cada trampilla de salida de dicha pluralidad de trampillas de salida para cubrir una abertura respectiva de salida de derivación en una primera posición (160) y para permitir que se descargue aire de la cavidad (60) de la pala de rotor en una segunda posición (162); y
una pluralidad de trampillas (164) de entrada acopladas a la segunda sección de la pala y colocadas con respecto a una abertura respectiva (148) de entrada de derivación, amovible cada trampilla de entrada entre la primera posición y la segunda posición para cubrir dicha abertura de entrada de derivación en la primera posición y para permitir que se canalice aire a la cavidad de la pala de rotor en la segunda posición.
2. Un sistema (30) de distribución de aire según la reivindicación 1, en el que la pared lateral (54) de la pala incluye una primera sección de la pala y una segunda sección opuesta de la pala acoplada a la primera sección de la pala para formar la pala (28) de rotor, definida dicha abertura (88) de salida a través de la primera sección de la pala próxima al borde (68) de salida, definida dicha abertura (86) de entrada través de la segunda sección de la pala próxima al borde de ataque.
3. Un sistema (30) de distribución de aire según cualquier reivindicación precedente, en el que la pala (28) de rotor de la turbina eólica tiene un grosor (22) definido perpendicularmente desde el eje (44) a lo largo de la cuerda, colocada dicha abertura (88) de salida entre el borde (68) de salida y una ubicación de grosor máximo de la pala de rotor de la turbina eólica con respecto al eje a lo largo de la cuerda.
4. Un sistema (30) de distribución de aire según cualquier reivindicación precedente, en el que dicha abertura (86) de entrada está colocada entre el borde (66) de ataque y la ubicación de un grosor máximo (72) con respecto al eje (44) a lo largo de la cuerda.
5. Un sistema (30) de distribución de aire según cualquier reivindicación precedente, en el que dicho conjunto (146) de flujo de derivación comprende, además:
una pluralidad de accionadores (166), acoplado cada accionador de forma operativa a una trampilla respectiva (164) de entrada para colocar dicha trampilla de entrada en dicha primera posición (160), en dicha segunda posición, y en cualquier posición entre las mismas; y
un sistema (32) de control acoplado de forma operativa a dicha trampilla de entrada para facilitar el movimiento de dicha trampilla de entrada en dicha primera posición, en dicha segunda posición (162) y en cualquier posición entre las mismas.
6. Un sistema (30) de distribución de aire según cualquier reivindicación precedente, en el que la pala de rotor se extiende entre una porción (50) de base y una porción (52) de punta, comprendiendo, además, dicho sistema de distribución de aire:
al menos una abertura (174) de entrada definida a través de la pared lateral (54);
al menos una abertura (176) de descarga definida a través de la pared lateral y colocada adyacente a la
porción (52) de punta; y
un colector (172) de descarga acoplado entre dicha abertura de entrada y dicha abertura de descarga para descargar aire a través de la porción de punta de la pala de rotor.
7. Una turbina eólica (10), que comprende:
una torre (12);
una góndola (16) acoplada a dicha torre;
un cubo (26) acoplado de forma giratoria a dicha góndola;
al menos una pala (28) de rotor acoplada a dicho cubo, comprendiendo dicha pala de rotor al menos una pared lateral (54) que tiene una superficie interna (92) que define una cavidad (60) y una superficie externa 15 (74) que se extiende entre un borde (66) de ataque y un borde (68) de salida separado axialmente; y
un sistema (30) de distribución de aire según se define en cualquier reivindicación precedente.
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