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ES2398005B1 - Aerogenerador con un dispositivo amortiguador de banda ancha en cada pala - Google Patents

Aerogenerador con un dispositivo amortiguador de banda ancha en cada pala Download PDF

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ES2398005B1
ES2398005B1 ES201100358A ES201100358A ES2398005B1 ES 2398005 B1 ES2398005 B1 ES 2398005B1 ES 201100358 A ES201100358 A ES 201100358A ES 201100358 A ES201100358 A ES 201100358A ES 2398005 B1 ES2398005 B1 ES 2398005B1
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Javier Caso Prieto
Alejandro Saez Moreno
Juan Carlos Garcia Andujar
Aitor Sancet Ezpelta
Jesús LÓPEZ DIEZ
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Abstract

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 {og}{sub,o} y K elementos adicionales de amortiguación sintonizados a frecuencias {og}{sub,1}, {og}{sub,2},…{og}{sub,k} 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 {og}{sub,o} en una banda extendida por encima y por debajo de la frecuencia de resonancia principal de la pala {og}{sub,o} en un porcentaje X de {og}{sub,o} estando comprendidas dichas frecuencias {og}{sub,1}, {og}{sub,2},…{og}{sub,k} dentro de dicha banda.

Description

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 INVENCIÓN
Es 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 elementos
adicionales 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 del aerogenerador en energía eléctrica. El rotor del
aerogenerador comprende un buje de rotor 5 y, típicamente, tres palas 17. El
buje del rotor 5 está conectado bien directamente o a través de una
multiplicadora al generador 9 del aerogenerador para transferir el par generado
por el rotor 5 al generador 9 incrementando la velocidad del eje a fin de alcanzar
15
una velocidad rotacional apropiada del rotor del generador.
La respuesta de una estructura como la pala de un aerogenerador a una
excitación es una vibración con las características mostradas en la curva 31 de
la Figura 3 con una amplitud máxima en la frecuencia natural de la estructura 0 0
que depende de las características de la estructura.
20
Si la estructura tiene un elemento amortiguador debidamente ajustado a
dicha frecuencia natural 0 0, la respuesta del sistema es la indicada por la curva
33 en la Figura 3 con una atenuación de la amplitud en dicha frecuencia natural
0 0 (la reducción depende de la capacidad de amortiguación de dicho elemento
amortiguador), pero con un aumento de la amplitud en frecuencias 01 y 02
2 5
cercanas a Oo.
Por lo tanto, la idea básica de la presente invención es la adición de más
elementos amortiguadores sintonizados en frecuencias cercanas a la
frecuencia natural 0 0 para disminuir la amplitud de la respuesta hasta que no se
supere un máximo para un determinado rango de frecuencias, como se muestra
30
en las curvas 41 y 43 de la Figura 4 con, respectivamente, amplitudes máximas
de A 1 y A2 correspondientes a dispositivos amortiguadores con varios
elementos. El efecto de la combinación de cierto número de elementos
amortiguadores no produce exclusivamente una superposición lineal de los efectos de cada uno de ellos, sino también un efecto sinérgico de atenuación de la amplitud en un determinado rango de frecuencias en torno a la frecuencia natural 0 0 y una reducción de cargas de la pala.
5 La determinación del número y propiedades, es decir, la masa m, la rigidez k y el coeficiente de amortiguamiento e de dichos elementos amortiguadores, necesarias para lograr una atenuación adecuada en un amplio rango de frecuencias se realiza en un proceso de optimización dirigido a:
-
hacer un ajuste preciso de la frecuencia de resonancia del sistema; 1o -disipar la energía necesaria para lograr la reducción requerida de la carga.
Sigue una explicación teórica de cómo se transfiere la energía desde la pala al amortiguador para el logro de una reducción de la oscilación de la pala (y las cargas).
15 La Figura 5 muestra todas las posibles interacciones entre una pala B y los elementos amortiguadores 01, 02 ... Ok que son considerados en dicho proceso de optimización cuando la pala está sometida a una entrada de Energía
Pa: -Energía Disipada en la pala Pd,a. 2 o -Energía Transmitida entre la pala B y los elementos amortiguadores 01, 02 ... Ok: Pat, Pa2, Pak· -Energía Recibida en la pala B desde los elementos amortiguadores 01, 02 .. . Ok: Pta, P2a, Pka-Energía Transmitida y Recibida entre los elementos amortiguadores 01, 2 5 02 .. . Ok: P12, Ptk, P2k; P21, Pkt, Pk2· -Energía Disipada en los elementos amortiguadores 01, 02 .. .Ok: Pd, 1, Pd,2, Pd,k·
Considerando diferentes subsistemas genéricos i y j (i#j) donde i o j corresponde a B para la pala y 1...k para los diferentes elementos 30 amortiguadores, los parámetros clave son:
•
Energía disipada por el subsistema i: P¡,d = mr¡¡E¡
•
Energía intercambiada entre los subsistemas i y j: P¡1 =mr¡uE; -mr¡1¡E1
• Relación de reciprocidad: n¡T¡iJ = nl/1;
k • Balance de energía para cada subsistema: P¡ = P;,d + ¿pij
J=Vt<J
donde:
P¡ es la energía introducida en cada subsistema por una excitación externa. En
5
este caso este parámetro representa la energía que entra en la pala por la
carga aerodinámica Ps.
donde Tw es el período de oscilación relacionado con la frecuencia propia w,
Fa es el vector de las fuerzas aerodinámicas actuando sobre la pala y 1& es
1 o
el vector de los desplazamientos modales.
17; es el factor de pérdidas internas del subsistema i. Representa el porcentaje
de pérdidas producido cuando la energía entrante se convierte en energía en
la pala o en los elementos amortiguadores. Este factor representa el nivel de
amortiguación en cada subsistema, así que puede ser expresado como
17iJ es el factor de acoplamiento entre los subsistemas i y j. La energía
transmitida entre sistemas interconectados puede ser considerada
proporcional a la energía en cada subsistema (pala o elemento
amortiguador). Los 77iJ parámetros dependen de las características
2 o
estructurales de la pala y de los elementos amortiguadores y pueden ser
obtenidos analíticamente o por medio de modelos matemáticos
computacionales (como FEM).
n; es la densidad modal el subsistema i, que representa el número promedio de
los modos propios de resonancia en un subsistema de i por unidad de
2 5
frecuencia de banda. En general, es de alrededor de 2 para una pala en la
banda de interés (modos de menor frecuencia) y 1 para los dispositivos
amortiguadores.
Los parámetros que se optimizan para obtener el dispositivo
amortiguador adecuado para una pala específica son por lo tanto los factores de
interacción entre la pala y los elementos amortiguadores y los factores de la
interacción entre los elementos amortiguadores y sus factores de pérdidas
internas, que están directamente relacionados con sus correspondientes
factores de amortiguación Y; .
5
El dispositivo amortiguador de acuerdo con esta invención comprende
por tanto varios elementos amortiguadores, cuyos parámetros de masa m,
rigidez k y coeficiente de amortiguación e se establecen de acuerdo con las
características de la pala, con el fin de disminuir los principales modos de
vibración. Cuando el movimiento de la pala tiene una contribución relevante en
1o
una banda de frecuencia específica y el dispositivo amortiguador se ha ajustado
correctamente para esa banda, parte de la energía de la pala se transfiere al
dispositivo amortiguador, de manera que el movimiento de la pala se atenúa.
Esto sucede porque el amortiguador disipa energía del movimiento, lo que
reduce la amplitud de las oscilaciones de la pala.
15
En una pala de aerogenerador tienen lugar dos modos principales de
vibración: vibración de batimiento 25 y vibración de arrastre 26 como se muestra
en la Figura 6. Los movimientos de arrastre se mantienen en la dirección borde
de salida -donde el viento llega a la pala -a borde de ataque -donde el viento
se aleja. Las vibraciones de batimiento 25 son perpendiculares a las de arrastre
2 o
26. Este apuntamiento es considerado teniendo en cuenta la línea principal de
sustentación cero 27 de la pala completa y no la línea de sustentación cero 29
del perfil en una sección determinada (hay un cierto "twist" en los perfiles según
se van moviendo hacia la punta).
El dispositivo amortiguador de acuerdo con esta invención tiene el
2 5
propósito de actuar sobre la amplitud de la vibración de la pala en una amplia
banda de frecuencias en torno a los modos principales de vibración principal, es
decir, los primeros modos de vibración de batimiento y arrastre, que tienen la
mayor amplitud, para reducir la carga de fatiga.
En cuanto a la posición del dispositivo amortiguador de acuerdo con esta
3 o
invención pueden tenerse en cuenta varios criterios, tales como las limitaciones
de espacio dentro de la pala, las cargas de inercia añadidas a la pala en función
de la masa y la posición del dispositivo amortiguador, los efectos deseados
sobre los modos de vibración y los efectos secundarios debidos a la instalación
del dispositivo amortiguador.
Posiciones adecuadas del dispositivo amortiguador pueden ser las
siguientes:
5
-Una sección de la pala en la que el "twist", es decir, el ángulo entre la
de sustentación cero 29 del perfil y la línea principal de sustentación cero 27, es
de 0° con el fin de atenuar las vibraciones de arrastre.
-Una sección de la pala con un "twist" predefinido con el fin de atenuar
las vibraciones de batimiento y arrastre, o solo las de arrastre, en función de las
1 o
necesidades de cada pala.
-Una sección de la pala en la ubicación de la segunda forma modal de
vibración de arrastre para evitar la excitación de los modos de vibración
híbridos. Esta sección se encuentra normalmente en el segundo tercio de la
pala.
15
En una realización preferida de la presente invención, el dispositivo de
amortiguamiento comprende un primer elemento amortiguador sintonizado en la
frecuencia de resonancia principal de la pala .00 y 2 elementos amortiguadores
adicionales sintonizados a frecuencias .01, .02.
La respuesta de la pala cerca de las principales frecuencias de vibración
2 o
con y sin un dispositivo amortiguador de acuerdo con esta realización preferente
es la que se representa, respectivamente, en las curvas 53 y 51 en la Figura 7.
Por lo tanto el dispositivo amortiguador permite una reducción de la amplitud por
debajo de un límite predeterminado Amax en la banda de frecuencia deseada .Oa
Qb, donde .Oa=.Oo-X%* .Oo Y.Ob=.Oo +X%* .Oo.
2 5
Preferiblemente, dicho porcentaje X% es menor del 15% o incluso del
11% y las bandas así definidas cubren una banda de frecuencia lo
suficientemente amplia como para hacer frente a las desviaciones de
fabricación y dar al dispositivo amortiguador un margen suficiente para actuar
correctamente en diferentes condiciones ambientales. Dentro de dichas bandas
30
las frecuencias .01, .02. de los elementos amortiguadores adicionales deberán
estar debidamente seleccionadas para lograr el efecto sinérgico mencionado
más arriba, es decir, actuar como un dispositivo amortiguador de banda ancha
en lugar de la suma de tres elementos amortiguadores individuales.
Preferiblemente dicho límite predeterminado de Amax es menor que el
40% o incluso el 25% de la amplitud Ao en la frecuencia de resonancia principal
5
de la pala Do sin ningún elemento amortiguador.
La reducción lograda en la amplitud de la vibración evita, por un lado,
riesgos estructurales a la pala y, por otro lado, permite que la pala pueda hacer
frente a mayores cargas. Esto se basa en el hecho de que como las palas son
componentes flexibles, las cargas deben tener siempre un componente cuasi
lO
estacionario (relacionado con la velocidad del viento entre otros parámetros) y
un componente dinámico (procedente, por ejemplo, procedente de ráfagas de
viento) que está directamente relacionado con el amortiguamiento total
(estructural y aerodinámico). Si se aumenta la amortiguación, la carga dinámica
puede ser reducida, lo que permite aumentar la carga cuasi-estacionaria (a la
15
máxima velocidad permitida del viento) sin exceder las cargas totales en la pala.
Alternativamente el simple incremento de la amortiguación manteniendo el
dimensionamiento de las condiciones de viento permite la optimización de la
estructura de la pala (peso y costo) como ya se ha mencionado anteriormente.
El efecto del dispositivo amortiguador de acuerdo con esta invención no
2 o
es sólo la reducción de deflexiones de la pala en ciertas frecuencias. También
disminuyen las cargas sobre la pala, por lo que la adición de amortiguadores es
una clara mejora. La Figura 8 muestra la reducción de las cargas L sobre una
pala para diferentes simulaciones S, con casos 63, 65, 67 de coeficiente de
amortiguación creciente en relación con el caso 61 de una pala sin un
2 5
dispositivo amortiguador.
La información cuantitativa mencionada con respecto a las realizaciones
preferentes del dispositivo amortiguador con tres elementos amortiguadores
sintonizados en las frecuencias, D0, D1, D2 se ha obtenido en un estudio
paramétrico detallado y ha sido verificada en pruebas experimentales.
3o
Un dispositivo amortiguador de acuerdo con esta invención es un
dispositivo adecuado de amortiguación para aerogeneradores regulados por
pérdida durante su funcionamiento normal y para aerogeneradores regulados por
el ángulo de paso de las palas cuando están aparcados o en situaciones de marcha en vacío con altos ángulos de incidencia.
Aunque la presente invención ha sido descrita completamente en relación con realizaciones preferentes, es evidente que se pueden introducir en ella modificaciones dentro de su alcance, entendiendo que no está limitado a esas realizaciones sino por el contenido de las siguientes reivindicaciones.

Claims (4)

  1. 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.
  2. 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%.
  3. 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%.
  4. 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.
ES201100358A 2011-03-29 2011-03-29 Aerogenerador con un dispositivo amortiguador de banda ancha en cada pala Expired - Fee Related ES2398005B1 (es)

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