AEROGENERADOR CON UN DISPOSITIVO AMORTIGUADOR DE BANDA ANCHA EN CADA PALA.
Aerogenerador con un dispositivo amortiguador de banda ancha en cada pala.
El dispositivo amortiguador que comprende un primer elemento amortiguador sintonizado en la frecuencia de resonancia principal de la pala Ωo y K elementos adicionales de amortiguación sintonizados a frecuencias Ω1, Ω2,...Ωk para que en el caso de que haya vibraciones de las palas su amplitud A se reduzca en un porcentaje Y de la amplitud Ao en la frecuencia de resonancia principal de la pala Ωo en una banda extendida por encima y por debajo de la frecuencia de resonancia principal de la pala Ωo en un porcentaje X de Ωo estando comprendidas dichas frecuencias Ω1, Ω2,...Ωk dentro de dicha banda.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201100358.
Solicitante: GAMESA INNOVATION & TECHNOLOGY, S.L.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: LOPEZ DIEZ,JESUS, GARCIA ANDUJAR,JUAN CARLOS, SÁEZ MORENO,Alejandro, CASO PRIETO,Javier, SANCET EZPELTA,Aitor.
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.
Fragmento de la descripción:
AEROGENERADOR CON UN DISPOSITIVO AMORTIGUADOR DE
BANDA ANCHA EN CADA PALA
CAMPO DE LA INVENCIÓN
5
La invención se refiere a un aerogenerador con un dispositivo
amortiguador en cada pala y, más en particular, a un dispositivo amortiguador
de banda ancha en cada pala
10 ANTECEDENTES
Los aerogeneradores son dispositivos que convierten la energía
mecánica del viento en energía eléctrica. Un aerogenerador típico incluye una
góndola montada sobre una torre que alberga un tren de potencia para
15 transmitir la rotación de un rotor a un generador eléctrico y otros componentes
tal como los motores de orientación mediante los que se gira el aerogenerador,
varios controladores y un freno. El rotor soporta varias palas que se extienden
radialmente para capturar la energía cinética del viento y causan un movimiento
rotatorio del tren de potencia. Las palas del rotor tienen una forma aerodinámica
2º de manera que cuando el viento pasa a través de la superficie de la pala se crea
una fuerza ascensional que causa la rotación de un eje al que está conectado -
directamente o a través de un dispositivo de multiplicación-un generador
eléctrico ubicado en la góndola. La cantidad de energía producida por los
aerogeneradores depende de la superficie de barrido del rotor de palas que
2 5 recibe la energía del viento y, consecuentemente, el incremento de la longitud
de las palas implica normalmente un incremento de la producción de energía del
aerogenerador. Las palas están controladas para permanecer en un régimen de
autorrotación durante una fase normal y su actitud depende de la intensidad del
viento.
3º Aumentar el tamaño de la pala tiene desventajas en términos de
respuesta aeroelástica ya que la tendencia general es que el amortiguamiento
estructural se reduce con la longitud de la pala. Debido a esta disminución, la
respuesta dinámica de la pala a las frecuencias naturales aumenta en
proporción inversa al coeficiente de amortiguamiento y también depende de la
proximidad a las frecuencias de desprendimientos de torbellinos. Un diagrama
típico de Amplitud -Frecuencia Relativa de una estructura se muestra en la
5 Figura 2 destacando la amplitud A0 en la frecuencia de resonancia Fo y la
amplitud máxima A1 a la frecuencia F1.
Por lo tanto, es conveniente desde el punto de vista de la integridad
estructural y/o la optimización de costes incluir alguna forma adicional de
amortiguación en las palas de modo que las cargas dinámicas puedan
1º reducirse. Podría ser especialmente interesante cuando, por la combinación de
las condiciones aerodinámicas y las características estructurales, el
amortiguamiento total de las palas (aerodinámico más estructural) se reduce e
incluso podría entrar en un área aerodinámica de valores negativos de
amortiguamiento para los modos propios relevantes. Esto podría suceder
15 cuando los perfiles aerodinámicos de las palas están en una condición de
pérdida en la que la pendiente de sustentación es negativa. Esta condición
puede ocurrir para los aerogeneradores regulados por pérdida durante la
producción normal, pero también en aerogeneradores de ángulo de paso
variable cuando están aparcados o en situaciones de marcha en vacío con altos
2 o ángulos de incidencia.
Hay una serie de documentos de patente que divulgan dispositivos
amortiguadores para palas de aerogeneradores tales como WO 95/21327, WO
02/08114, wo 99/32789 yus 6, 626, 642.
Un inconveniente general de esos dispositivos amortiguadores es que no
2 5 se han diseñado teniendo en cuenta que, para un modelo de aerogenerador
dado, existe una gran variabilidad de las propiedades estructurales o
aerodinámicas de las palas debida a las tolerancias que implica una variabilidad
significativa de su eficiencia .
La presente invención se centra en la búsqueda de una solución para
3º esos inconvenientes.
SUMARIO DE LA INVENCIÓNEs un objeto de la presente invención proporcionar palas de
aerogenerador con un dispositivo amortiguador efectivo a pesar de la
variabilidad de las propiedades aerodinámicas o estructurales de las palas
5 debida a tolerancias.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar palas de
aerogenerador con un dispositivo amortiguador que permita la reducción de
cargas y/o la ampliación de las condiciones de viento que las palas pueden
soportar sin altos riesgos en cuanto a la integridad estructural.
10 Es otro objeto de la presente invención proporcionar palas de
aerogenerador con un dispositivo amortiguador que permite reducir el peso de
la pala.
Estos y otros objetos se cumplen por un aerogenerador que comprende
una o más palas, incorporando cada pala un dispositivo amortiguador que
15 comprende un primer elemento amortiguador sintonizado en la frecuencia de
resonancia principal de la pala Do y K elementos adicionales de amortiguación
sintonizados a frecuencias D1, D2, ... Dk para que en el caso de que haya
vibraciones de las palas su amplitud A se reduzca en un porcentaje Y de la
amplitud Ao en la frecuencia de resonancia principal de la pala Do en una banda
2 o extendida por encima y por debajo de la frecuencia de resonancia principal de la
pala Do en un porcentaje X de Do, estando comprendidas dichas frecuencias D1,
D2, ... Dk dentro de dicha banda.
En realizaciones de la invención, dicho dispositivo amortiguador se
coloca en una sección de la pala donde el "twist" es 0° con el fin de atenuar las
2 5 vibraciones de arrastre, o en una sección de la pala con un "twist" predefinido
con el fin de atenuar tanto las vibraciones de arrastre como las de batimiento, o
en la sección de la pala donde se ubica la segunda forma modal de la vibración
de arrastre para evitar la excitación de modos de vibración híbridos. Se
consiguen con ello dispositivos eficientes de amortiguación de aerogeneradores
30 sometidos a diferentes modos de vibración.
En realizaciones de la presente invención, el número de elementosadicionales de amortiguación es de dos. Se considera que dos elementos
adicionales de amortiguamiento es un número razonable de elementos para el
logro de resultados satisfactorios en las palas de aerogeneradores lo que, por
otro lado, facilita el proceso de optimización para la obtención de los parámetros
de masa modal m, rigidez modal k y coeficiente de amortiguación e de los
5 elementos amortiguadores.
En realizaciones de la presente invención dicho porcentaje X es menor
del 15% o incluso menor del 11%. Las bandas correspondientes son bandas
adecuadas para asegurar para un amplio rango de palas una reducción
suficiente de su respuesta dinámica, independientemente de las variaciones de
1 o la tolerancia de las palas del mismo modelo.
En las realizaciones de la presente invención dicho porcentaje Y es
menor del40% o incluso menor del21%. Se considera que estos límites pueden
ser alcanzados con elementos amortiguadores dimensionados apropiadamente,
y dan lugar a una reducción adecuada de la carga y las deflexiones, permitiendo
15 una mejora del rendimiento de la pala.
Otras características y ventajas de la presente invención se
desprenderán de la descripción detallada que sigue, a continuación, de una
realización ilustrativa de su objeto, en relación con las figuras que le
acompañan.
20
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 es una vista esquemática en sección lateral de un
aerogenerador.
2 5
La Figura 2 muestra la respuesta dinámica típica de una estructura.
La Figura 3 muestra la respuesta de una estructura con y sin un
elemento amortiguador sintonizado en la frecuencia natural.
La Figura 4 añade a la Figura 3 la respuesta de una estructura con dos
dispositivos amortiguadores que tienen más de un elemento amortiguador.
3 o
La Figura 5 muestra un diagrama detallado de energía de una pala con
un dispositivo amortiguador con K elementos amortiguadores.La Figura 6 muestra las direcciones de arrastre y de batimiento.
La Figura 7 muestra la respuesta en frecuencia de una pala con y sin un
dispositivo amortiguador de acuerdo con esta invención.
La Figura 8 muestra la reducción de cargas debida al incremento del
coeficiente de amortiguación.
5
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES PREFERENTES
Como se muestra en la figura 1, un aerogenerador típico comprende una
torre 3 soportando una góndola 8 que alberga un generador 9 para convertir la
1 o energía rotacional del rotor...
Reivindicaciones:
5 1 o 1.Aerogenerador que comprende una o más palas, caracterizado porque cada pala incorpora un dispositivo amortiguador que comprende un primer elemento amortiguador sintonizado en la frecuencia de resonancia principal de la pala Do y K elementos adicionales de amortiguación sintonizados a frecuencias Dt, D2, ... Dk para que en el caso de que haya vibraciones de las palas su amplitud A se reduzca en un porcentaje Y de la amplitud Ao en la frecuencia de resonancia principal de la pala Do en una banda extendida por encima y por debajo de la frecuencia de resonancia principal de la pala Do en un porcentaje X de Do estando comprendidas dichas frecuencias Dt, D2, ... Dk dentro de dicha banda.
15 2. Aerogenerador según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo amortiguador se coloca en una sección de la pala donde el "twist" es 0° con el fin de atenuar las vibraciones de arrastre.
2 o 3. Aerogenerador según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo amortiguador se coloca en una sección de la pala con un "twist" predefinido con el fin de atenuar tanto las vibraciones de arrastre como las de batimiento.
2 5 4. Aerogenerador según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo amortiguador se coloca en la sección de la pala donde se ubica la segunda forma modal de la vibración de arrastre para evitar la excitación de modos de vibración híbridos.
5. Aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que el número de dichos elementos adicionales de amortiguación es de dos.
30 6. Aerogenerador según la reivindicación 5, en el que dicho porcentaje X es menor del 15%.
7. Aerogenerador según la reivindicación 6, en el que dicho porcentaje X es menor del 11%.
5 8. Aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 5-7, en el que dicho porcentaje Y es menor del 40%.
9. Aerogenerador según la reivindicación 8, en el que Y es menor del21%. dicho porcentaje
1º 10. Aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que su sistema de regulación es un sistema de regulación por pérdida.
15 11. Aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que su sistema de regulación es un sistema de regulación por el ángulo de paso de las palas.
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