ES2607190T3

ES2607190T3 - Pala de turbina eólica que tiene un alerón con una separación efectiva del flujo de aire

Info

Publication number: ES2607190T3
Application number: ES09740331.5T
Authority: ES
Inventors: Peter Fuglsang; Kaja Lenz
Original assignee: LM WP Patent Holdings AS
Current assignee: LM WP Patent Holdings AS
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2029-10-26
Also published as: EP2141358A1; EP2368035B1; CN102245895B; PL2368035T3; CN102245895A; DK2368035T3; EP2368035A1; WO2010066501A1; US8944775B2; US20110250076A1

Abstract

1. Una pala (10) para un rotor de una turbina (2) eólica que tiene un eje de rotor sustancialmente horizontal, comprendiendo dicho rotor un buje (8), desde el cual la pala (10) se extiende sustancialmente en una dirección radial cuando está montada en el buje (8), teniendo la pala una dirección (r) longitudinal con un extremo (16) de punta y un extremo (14) de raíz y una dirección transversal, comprendiendo además la pala: - un contorno (40, 42, 50) perfilado que incluye un lado de presión y un lado de succión, así como un borde (18) de ataque y un borde (20) de fuga con una cuerda que tiene una longitud de cuerda que se extiende entre el contorno perfilado, cuando es impactado por un flujo de aire incidente, generando una sustentación, en la que el contorno perfilado se divide en: - una región (30) de raíz que tiene un perfil sustancialmente circular o elíptico más cercano al buje, - una región (34) de perfil aerodinámico que tiene un perfil de generación de la sustentación más alejado del buje, y - una región (32) de transición entre la región (30) de raíz y la región (34) de perfil aerodinámico, teniendo la región (32) de transición un perfil que cambia gradualmente en la dirección radial desde el perfil circular o elíptico de la región de raíz al perfil de generación de la sustentación de la región de perfil aerodinámico, y en la que - la pala está provista de un dispositivo (70) de guiado del flujo añadido al contorno (40, 42, 50) perfilado de la pala, en el lado (52) de presión de pala (10), teniendo el dispositivo (70) de guiado del flujo una superficie (72) de entrada del flujo con un punto (74) de inicio dirigido hacia el borde (18) de ataque de la pala (10) y un punto(76) de finalización dirigido hacia el borde (20) de fuga de la pala (10), aumentando la distancia entre la superficie (72) de entrada del flujo y el contorno (40, 42, 50) perfilado desde el punto (74) de inicio hasta el punto (76) de finalización, en la que - el dispositivo (70) de guiado del flujo se extiende a lo largo de al menos una porción longitudinal de la región (32) de transición y está dispuesto de manera que genere una separación del flujo de aire a lo largo de al menos una porción (71) longitudinal central del dispositivo (70) de guiado del flujo desde el lado (52) de presión de la pala (10) en un punto entre el dispositivo (70) de guiado del flujo y el borde (20) de fuga de la pala (10), cuando la pala (10) es impactada por el flujo de aire incidente, y en la que la superficie (72) de entrada del flujo es cóncava, caracterizado porque - la superficie (72) de entrada del flujo en al menos la porción (71) longitudinal central está configurada de modo que, para cada sección transversal, una tangente (80) de un punto de finalización en la superficie (72) de entrada del flujo en el punto (76) de finalización cruza el contorno (40, 42, 50) perfilado en un punto (82) de cruce, en la que el contorno (40, 42, 50) perfilado tiene una tangente (78) del perfil en el contorno (40, 42, 50) perfilado y el que un ángulo (a) agudo entre la tangente (78) del perfil y la tangente (80) del punto de finalización es de al menos 45 grados.

Description

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DESCRIPCION

Pala de turbina eolica que tiene un aleron con una separation efectiva del flujo de aire

La presente invention se refiere a una pala para un rotor de una turbina eolica que tiene un eje de rotor sustancialmente horizontal, comprendiendo dicho rotor un buje, a partir del cual se extiende la pala, sustancialmente en una direction radial cuando esta montada en el buje, teniendo la pala una direccion longitudinal con un extremo de punta y un extremo de ralz y una direccion transversal, en donde la pala ademas comprende: un contorno perfilado que incluye un lado de presion y un lado de suction, as! como un borde de ataque y un borde de fuga con una cuerda que tiene una longitud de cuerda que se extiende entre los mismos, el contorno perfilado, cuando esta siendo impactado por un flujo de aire incidente, genera una sustentacion, en donde el contorno perfilado esta dividido en: una region de ralz que tiene un perfil sustancialmente ellptico o circular mas cercano al buje, una region de perfil aerodinamico que tiene un perfil generador de la sustentacion mas alejado del buje, y una region de transition entre la region de ralz y la region de perfil aerodinamico, teniendo la region de transicion un perfil que cambia gradualmente en la direccion radial desde el perfil ellptico o circular de la region de ralz al perfil generador de la sustentacion de la region del perfil aerodinamico.

Idealmente, una pala de turbina eolica del tipo de perfil aerodinamico tiene la forma similar a una tlpica ala de avion, en donde la anchura del plano de la cuerda de la pala as! como la primera derivada de la misma se incrementa de forma continua con la disminucion de la distancia desde el buje. Esto resulta en que la pala, de forma ideal, es comparativamente ancha en las cercanlas del buje. Esto de nuevo resulta en problemas cuando se tiene que montar la pala en el buje, y, adicionalmente, esto provoca grandes cargas durante el funcionamiento de la pala, tal como cargas por tormenta, debido a la gran area de la superficie de la pala.

Por lo tanto, a lo largo de los anos, la constitution de palas se ha desarrollado hacia una forma, en la que la pala consta de una region de ralz mas cercana al buje, y una region de perfil aerodinamico que comprende un perfil generador de la sustentacion mas alejado del buje y una region de transicion entre la region de ralz y la region de perfil aerodinamico. La region de perfil aerodinamico tiene una forma de pala ideal o casi ideal con respecto a la generation de la sustentacion, mientras que la region de ralz tiene una section transversal sustancialmente circular, lo cual reduce las cargas por tormenta y hace mas facil y mas seguro el montaje de la pala en el buje. El diametro de la region de ralz es, de forma preferible, constante a lo largo de toda la region de ralz. Debido a la seccion transversal circular, la region de ralz no contribuye a la production de energla de la turbina eolica y, de hecho, la reduce un poco debido al arrastre. Tal y como sugiere el nombre, la region de transicion tiene una forma que cambia gradualmente desde la forma circular de la region de ralz al perfil aerodinamico de la region de perfil aerodinamico. Normalmente, la anchura de la pala en la region de transicion aumenta, de forma sustancial, linealmente con el aumento de la distancia desde el buje.

Como, por ejemplo las palas para turbinas eolicas se han hecho mas grandes y mas grandes con el transcurso del tiempo ahora mismo y pueden ser de mas de 60 m de largas, ha aumentado la demanda de un rendimiento dinamico optimizado. Las palas de la turbina eolica son disenadas para tener una vida util de funcionamiento de al menos 20 anos. Por lo tanto, incluso pequenos cambios en el rendimiento global de la pala pueden reducir la vida util de una pala acumulando un alto aumento en las ganancias financieras, lo que supera los costes de fabrication adicionales con respecto a dichos cambios. Las areas de enfoque para la investigation se han dirigido durante muchos anos hacia la mejora de la region de perfil aerodinamico de la pala, pero durante los ultimos anos, cada vez mas enfoques han sido dirigidos hacia la mejora del rendimiento aerodinamico de la region de ralz y de la region de transicion de la pala tambien.

El documento WO2007/065434 da a conocer una pala en la que la region de ralz esta provista de hendiduras y/o salientes con el fin de disminuir el arrastre de esta portion de la pala.

El documento WO2007/045244 da a conocer una pala, en la que la region de ralz y la region de transicion estan disenadas para tener al menos dos perfiles aerodinamicos separados con el fin de aumentar la sustentacion de estas regiones.

El documento WO2007/118581 da a conocer una pala, en la que la porcion interior de la pala esta provista de un dispositivo de guiado del flujo en el lado de presion de la pala con el fin de retrasar la separacion del flujo de aire y aumentar el rendimiento aerodinamico de la pala.

El documento EP 1845258 da a conocer una pala que tiene un dispositivo a modo de aleron Gurney dispuesto en la porcion de transicion de la pala. El dispositivo a modo de aleron Gurney tiene una curvatura concava y esta dispuesto en el borde de ataque del lado de presion de la pala.

Un objeto de la invencion es obtener una nueva pala, la cual supere y mejore al menos una de las desventajas del estado de la tecnica anterior o que proporcione una alternativa util.

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De acuerdo con un primer aspecto de la invencion, la pala esta provista con un dispositivo de guiado del flujo anadido al contorno perfilado de la pala en el lado de presion de la pala, el dispositivo de guiado del flujo tiene una superficie de entrada del flujo con un punto de inicio orientado hacia el borde de ataque de la pala y un punto de finalizacion orientado hacia el borde de fuga de la pala, la distancia entre la superficie de entrada del flujo y el contorno perfilado aumenta desde el punto de inicio hacia el punto de finalizacion, y en donde el dispositivo de guiado del flujo se extiende a lo largo de al menos una porcion longitudinal de la region de transicion y esta dispuesto de manera que genera una separacion del flujo de aire a lo largo de al menos una porcion longitudinal central del dispositivo de guiado del flujo, desde el lado de presion de la pala, en un punto entre el dispositivo de guiado del flujo y el borde de fuga de la pala, cuando la pala es impactada por el flujo de aire incidente, y en donde la superficie de entrada del flujo, en al menos la porcion longitudinal central, se forma de manera que, para cada seccion transversal, una tangente de un punto de finalizacion a la superficie de entrada del flujo en el punto de finalizacion cruza el contorno perfilado en un punto de cruce, en donde el contorno perfilado tiene una tangente del perfil al contorno perfilado, y en donde un angulo entre la tangente del perfil y la tangente del punto de finalizacion es al menos de 45 grados.

El dispositivo de guiado esta montado en la porcion interior de la pala, es decir, la porcion mas cercana al buje, y de forma particular en la region de transicion de la pala. La potencia producida a partir de esta porcion de la pala es muy pobre, pero cuando se une un dispositivo de guiado del flujo de acuerdo con la invencion aumenta significativamente la sustentacion en esta sesion de la pala en los angulos de entrada del flujo que gobiernan esta seccion. El dispositivo de guiado del flujo funciona como una obstruccion para el flujo en el lado de presion del perfil. Esta obstruccion resulta en una presion mas alta despues del dispositivo de guiado del flujo, es decir, entre el dispositivo de guiado del flujo y el borde de fuga de la pala de la turbina eolica, debido a la separacion del flujo. Despues del dispositivo de guiado del flujo, es decir entre el dispositivo de guiado del flujo y el borde de fuga de la pala, se da una separacion del flujo de aire. Por lo tanto, el aumento del “angulo de separacion” del flujo de aire tambien aumenta el arrastre del segmento de pala particular de forma significativa. Sin embargo, los experimentos ha mostrado, de forma sorprendente, que el dispositivo de guiado del flujo de acuerdo con la invencion, en lugar de aumentar el arrastre, mejora la relacion global sustentacion-a-arrastre en al menos un 5% dentro de la tension longitudinal del dispositivo de guiado del flujo en comparacion con dispositivos de guiado del flujo convencionales, donde dicho angulo es sustancialmente menor de 45 grados. El aumento en la relacion sustentacion-a-arrastre mejora el rendimiento global del rotor de la turbina eolica y solo el aumento en la sustentacion reduce el angulo de entrada del flujo local, por lo tanto, imitando de alguna manera el tamano de la region de flujo separada en el lado de succion. Una estimation realista de la mejora potencial en el rendimiento es de un 1 a un 1,5% de rendimiento energetico anual comparado con palas de turbinas eolicas convencionales sin dicho dispositivo de guiado del flujo. Cuando se observa a lo largo de la vida util de un rotor de una turbina eolica, esto proporciona un beneficio economico sustancial en comparacion con los costes de fabrication adicionales relacionados con la fabricacion de las palas con dichos dispositivos de guiado del flujo.

Debe observarse que la tangente del punto de finalizacion y la tangente del perfil forman mas de un angulo. A partir de la siguiente description detallada, esta claro que el angulo referido es el angulo entre la porcion exterior de la tangente del punto de finalizacion y la porcion de la tangente del perfil que se extiende hacia el borde de fuga de la pala. En otras palabras, el angulo referido esta situado en un cuadrante exterior del perfil de la pala mas cercano al borde de fuga de la pala. Las dos tangentes forman un angulo agudo y un angulo obtuso (excepto cuando son mutuamente perpendiculares). Por tanto, esta claro que es el angulo agudo el que es de al menos 45 grados.

De acuerdo con un modo de realization ventajoso, el angulo entre la tangente del perfil y la tangente del extremo de finalizacion es al menos de 50 grados, o de al menos 55 grados, o de al menos 60 grados. El angulo puede estar por encima de los 90 grados. De forma preferente, el angulo esta comprendido en un intervalo entre 60 y 90 grados, lo cual, de forma sorprendente, se ha encontrado que proporciona la mejor eficiencia a pesar del alto grado de separacion y del aumento del arrastre. La relacion sustentacion-a-arrastre se ha encontrado que es sustancialmente constante dentro de dicho intervalo.

De acuerdo con otro modo de realizacion ventajoso, una llnea media de la superficie de entrada del flujo forma un segundo angulo con la cuerda, siendo el segundo angulo de al menos 25 grados, o al menos 30 grados, o al menos 35 grados. El segundo angulo puede ser un parametro de diseno suplementario al angulo entre la tangente del punto de finalizacion y la tangente del perfil, o puede ser un parametro de diseno alternativo. De acuerdo con un modo de realizacion ventajoso, la superficie de entrada del flujo esta sustancialmente alineada lo largo de una llnea que forma un angulo con la cuerda el cual es de al menos 25 grados, o de al menos 30 grados, o de al menos 35 grados. Por consiguiente, la tangente del punto de finalizacion tambien puede formar un angulo con la cuerda que es de al menos 25 grados, o de al menos 30 grados, o de al menos 35 grados, y la superficie de entrada del flujo es recta. La llnea media corresponde a una llnea de ajuste lineal a la superficie de entrada del flujo o una tangente media de la superficie de entrada del flujo. Por tanto, se aprecia que la superficie de entrada del flujo de media forma un segundo angulo de al menos 25 grados con la cuerda. De nuevo, debe notarse que el segundo angulo se refiere al angulo agudo formado entre la llnea media y la cuerda.

De acuerdo con otro modo de realizacion ventajoso, el dispositivo de guiado del flujo se extiende a lo largo, sustancialmente, de toda la longitud longitudinal de la region de transicion. Por lo tanto, mejoran la sustentacion y la relacion sustentacion-a-arrastre para, sustancialmente, toda la region de transicion no ideal, de forma aerodinamica.

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En un modo de realizacion preferido de acuerdo con la invencion, la porcion longitudinal central es de al menos un 50%, un 60%, un 70%, un 80%, o un 90% de la extension longitudinal del dispositivo de guiado del flujo.

De acuerdo con la invencion, la superficie de entrada del flujo de la pala es concava.

De acuerdo con un modo de realizacion, una tangente de un punto de inicio de la superficie de entrada del flujo perfilada en el punto de inicio, es sustancialmente paralela a la tangente del perfil en el punto de inicio. Por lo tanto, el perfil tiene una transicion de superficie suavizada en la superficie del flujo de entrada del dispositivo de guiado del flujo.

De acuerdo con un modo de realizacion ventajoso, el dispositivo de guiado del flujo tiene una anchura, en donde la relacion entre la anchura y la longitud de la cuerda disminuye en la direccion longitudinal hacia el extremo de punta. Esto puede, por ejemplo, obtenerse haciendo que la anchura sea constante en la direccion longitudinal de la pala, dado que la longitud de la cuerda aumenta en la region de transicion. Sin embargo, la anchura puede disminuir tambien en la direccion longitudinal de la pala.

En un modo de realizacion de acuerdo con la invencion, el punto de inicio en al menos una porcion longitudinal central esta dispuesto en un area de entre un 55% y un 88% de la longitud de la cuerda, o entre un 57% y un 87%, o entre un 60 por ciento y un 85% visto desde el borde de ataque de la pala. En otro modo de realizacion de acuerdo con la invencion, el punto de finalizacion en al menos una porcion longitudinal central esta dispuesto en un area de entre un 70% y un 90% de la longitud de la cuerda, o entre un 75% y un 88%, o entre un 80% y un 87% a partir del borde de ataque de la pala.

En otro modo de realizacion mas, de acuerdo con la invencion, la distancia entre el punto de finalizacion y el borde de fuga de la pala aumenta en la direccion longitudinal, hacia el extremo de punta de la pala.

De acuerdo con modo de realizacion preferido, la pala es fabricada parcialmente como una construccion de concha hecha de un material pollmero reforzado con fibra.

En un modo de realizacion ventajoso, el dispositivo de guiado del flujo esta formado integralmente con la pala. Por consiguiente, el dispositivo de guiado del flujo puede estar fabricado junto con la pala, a traves por ejemplo el proceso de moldeo, tal como un proceso VARTM (moldeo de transferencia de resina por vaclo). En este caso, el contorno perfilado va a ser concebido como una superficie continua suavizada imaginaria que se extiende desde el punto de inicio de la superficie de entrada del flujo a un segundo punto cerca del punto de finalizacion de la superficie de entrada del flujo. En otro modo de realizacion ventajoso, el dispositivo de guiado del flujo es ajustado sobre la superficie de la pala. Por tanto, la pala y el dispositivo de guiado del flujo pueden ser fabricados de forma separada, y el dispositivo de guiado del flujo ser montado en la superficie de la pala posteriormente. Por lo tanto, la superficie de moldeo de un molde para la fabricacion de la pala puede tener una forma mas simple sin ninguna discontinuidad. Esto reduce la probabilidad de que la superficie de la pala se pegue a la superficie de moldeo y por tanto se dane, cuando la pala de retirada del molde despues del curado. De acuerdo con otro modo de realizacion ventajoso mas, el dispositivo de guiado del flujo puede emerger de forma activa a partir de o ser retraldo desde el contorno perfilado. El dispositivo de guiado del flujo puede ser controlado de forma activa de manera que dependa de las condiciones de funcionamiento, la pala puede funcionar con o sin el dispositivo de guiado del flujo sobresaliendo del contorno perfilado de la pala.

Tal y como se ha mencionado anteriormente, el dispositivo de guiado del flujo se extiende, preferiblemente, a lo largo sustancialmente de toda la extension longitudinal de la region de transicion de la pala. Sin embargo, el dispositivo de guiado del flujo tambien puede extenderse dentro de la region de ralz.

De acuerdo con un modo de realizacion, el dispositivo de guiado del flujo tiene un borde posterior con una altura del borde posterior, y en donde la altura del borde posterior en al menos la porcion longitudinal central del dispositivo de guiado del flujo disminuye en la direccion longitudinal hacia el extremo de punta. Por lo tanto, se obtiene una forma simple particular que tiene una transicion suavizada desde la region de transicion a la region de perfil aerodinamico de la pala y en donde la relacion entre la altura del borde posterior y el espesor del perfil, de forma opcional, se puede mantener sustancialmente constante.

De acuerdo con otro modo de realizacion, el dispositivo de guiado del flujo tiene un borde posterior con una altura del borde posterior y en donde la altura del borde posterior es sustancialmente constante en al menos la porcion longitudinal central del dispositivo de guiado del flujo. La altura del borde posterior puede disminuir desde la porcion longitudinal central a los extremos longitudinales de los dispositivos de guiado del flujo con el fin de tener una transicion suavizada del contorno perfilado cerca de los extremos longitudinales del dispositivo de guiado del flujo. La altura del borde posterior se corresponde a la distancia entre el punto de finalizacion y el contorno perfilado, en una direccion perpendicular a la cuerda.

De acuerdo con un modo de realizacion ventajoso, el dispositivo de guiado del flujo tiene un borde posterior con una altura del borde posterior y el contorno perfilado tiene un espesor maximo, en donde la relacion entre la altura del borde posterior y el espesor maximo en al menos la porcion longitudinal central se encuentra en un intervalo de entre

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un 3% y un 25%, o de entre un 5% y un 25%, o de entre un 3% y un 20%, o de entre un 5% y un 20%, o incluso de entre un 10% y un 20%. Sin embargo, dichas alturas solo proporcionan un alto grado de separacion del flujo de aire a partir del contorno perfilado, provocando por tanto un aumento sustancial en el arrastre, dichas alturas del borde posterior ha mostrado que proporcionan excelentes resultados.

El borde posterior del dispositivo de guiado del flujo puede apuntar hacia atras hacia el borde de fuga de la pala o hacia delante hacia el borde de ataque de la pala. El borde posterior puede ser concavo, recto o convexo.

De acuerdo con un modo de realizacion de la pala, la pala esta disenada para funcionar con un angulo de ataque de 15 a 20 grados en la porcion longitudinal central de la region de transicion.

El dispositivo de guiado del flujo puede ser disenado de diferentes maneras. Por ejemplo puede estar formado como una nervadura, una forma triangular o una forma ligeramente curvada. A lo largo de la direccion longitudinal, el dispositivo de guiado del flujo puede cambiar su forma y posicion en la cuerda. De acuerdo con un modo de realizacion ventajoso, el dispositivo de guiado del flujo es un dispositivo de aleron.

De acuerdo con otro modo de realizacion ventajoso, la pala esta provista ademas de generadores de vortice en la region de transicion y/o en la region de ralz de la pala. Cuando los generadores de vortice estan situados de forma optima junto con el dispositivo de guiado del flujo, esto proporciona un rendimiento incluso mejor, particularmente, del area de ralz de la pala.

La invencion se explica en detalle a continuacion con referencia a un modo de realizacion mostrado en los dibujos, en los que

La figura 1 muestra una turbina eolica,

La figura 2 muestra una vista esquematica de un primer modo de realizacion de una pala de turbina eolica provista de un dispositivo de guiado del flujo, de acuerdo con la invencion,

La figura 3 muestra una vista esquematica de un perfil aerodinamico,

La figura 4 muestra una seccion transversal de una pala de turbina eolica, de acuerdo con la invencion,

La figura 5 muestra una vista esquematica de un segundo modo de realizacion de una pala de turbina eolica provista de un dispositivo de guiado del flujo, de acuerdo con la invencion,

La figura 6 muestra una altura del borde posterior de un primer dispositivo de guiado del flujo, de acuerdo con la invencion, en funcion de la distancia radial desde el buje,

La figura 7 muestra la altura del borde posterior de un segundo dispositivo de guiado del flujo, de acuerdo con la invencion, en funcion de la distancia radial desde el buje,

La figura 8 muestra una primera forma de un borde posterior para un dispositivo de guiado del flujo, de acuerdo con la invencion,

La figura 9 muestra una segunda forma de un borde posterior para un dispositivo de guiado del flujo, de acuerdo con la invencion,

La figura 10 muestra una tercera forma de un borde posterior para un dispositivo de guiado del flujo, de acuerdo con la invencion,

La figura 11 muestra graficas del coeficiente de sustentacion como una funcion del angulo de ataque para un flujo de aire incidente y

La figura 12 muestra graficas de la relacion de sustentacion-a-arrastre como una funcion del angulo de ataque para un flujo de aire incidente.

La figura 1 ilustra una turbina eolica a contraviento moderna convencional con el denominado “concepto danes” con una torre 4, una gondola 6 y un rotor con un eje de rotor sustancialmente horizontal. El rotor incluye un buje 8, y tres palas 10 que se extienden realmente a partir del buje 8, teniendo cada una ralz 16 de pala mas cercana al buje y una punta 14 de pala mas alejada del buje 8.

La figura 3 muestra una vista esquematica de un perfil 50 del perfil aerodinamico de una pala tlpica de una turbina eolica representada con varios parametros, que son tlpicamente utilizados para definir la forma geometrica de un perfil aerodinamico. El perfil 50 del perfil aerodinamico tiene un lado 52 de presion y un lado 54 de succion, los cuales durante su uso, es decir durante la rotacion del rotor, normalmente miran hacia el lado de barlovento y al lado de

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sotavento, respectivamente. El perfil 50 aerodinamico tiene una cuerda 60 con una longitud c de cuerda que se extiende entre un borde 56 de ataque y un borde 58 de fuga de la pala. El perfil 50 aerodinamico tiene un espesor t, que esta definido como la distancia entre el lado 52 de presion y el lado 54 de succion. El espesor t del perfil aerodinamico varla a lo largo de la cuerda 60. La desviacion a parti r de un perfil simetrico es dada mediante una llnea 62 de curvatura, la cual es una llnea media a traves del perfil 50 del perfil aerodinamico. La llnea media puede encontrarse dibujando clrculos inscritos desde el borde 56 de ataque al borde 58 de fuga. La llnea media sigue los centros de dichos clrculos inscritos y la desviacion o distancia desde la cuerda 60 es denominada la curvatura f. Se puede definir tambien la asimetrla utilizando los parametros denominados curvatura superior y curvatura inferior, que son definidas como las distancias desde la cuerda 60 y el lado 54 de succion y el lado 52 de presion, respectivamente.

La figura 2 muestra una vista esquematica de un primer modo de realizacion de una pala 10 de una turbina eolica de acuerdo con la invencion. La pala 10 de la turbina eolica tiene la forma de una pala de turbina eolica convencional y comprende una region 30 de ralz mas cercana al buje, una region 34 perfilada o de perfil aerodinamico mas alejada del buje y una region 32 de transicion entre la region 30 de ralz y la region 34 de perfil aerodinamico. La pala 10 comprende un borde 18 de ataque dirigido en la direccion de rotacion de la pala 10, cuando la pala esta montada en el buje, y un borde 20 de fuga dirigido en la direccion opuesta del borde 18 de ataque.

La region 34 de perfil aerodinamico (tambien denominada la region perfilada) tiene una forma de pala ideal o casi ideal con respecto a la generacion de la sustentacion, mientras que la region 30 de ralz, debido a consideraciones estructurales, tiene una seccion transversal ellptica o circular, la cual de hecho hace mas facil y mas seguro el montaje de la pala en el buje. El diametro (o la cuerda) de la region 30 de ralz es normalmente constante a lo largo de todo el area 30 de ralz. La region 32 de transicion tiene un perfil 42 de transicion que cambia gradualmente desde una forma 40 ellptica o circular de la region 30 de ralz al perfil 50 del perfil aerodinamico de la region 34 de perfil aerodinamico. La anchura de la region 32 de transicion normalmente aumenta, de forma sustancial, idealmente con el aumento de la distancia r desde el buje.

La region 34 de perfil aerodinamico tiene un perfil 50 de perfil aerodinamico con una cuerda que se extiende entre el borde 18 de ataque y el borde 20 de fuga de la pala 10. La anchura de la cuerda disminuye con el aumento de la distancia r desde el buje.

Debe observarse que las cuerdas de las diferentes secciones de la pala normalmente no descansan en un plano comun, dado que la pala puede ser curvada y/o retorcida (es decir, curvada previamente), proporcionando por tanto al plano de la cuerda una trayectoria curvada y/o retorcida, correspondientemente, siendo este el caso mas habitual con el fin de compensar la velocidad local de la pala que es dependiente del radio desde el buje.

La pala 10 de la turbina eolica, de acuerdo con la invencion, esta provista de un dispositivo 70 de guiado del flujo, el cual sobresale del lado de presion de la pala en la region 32 de transicion de la pala.

La figura 4 muestra una seccion transversal de la pala 10 de la turbina eolica en la region 32 de transicion. La turbina eolica en esta region comprende un contorno perfilado con un perfil 42 de transicion, que cambia gradualmente desde un perfil 40 circular de la region 32 de ralz a un perfil 50 del perfil aerodinamico de la region de perfil aerodinamico. El perfil de transicion es, desde un punto de vista aerodinamico, no ideal. Se puede apreciar que el perfil tiene una forma suavizada, a partir de la cual el dispositivo 70 de guiado del flujo sobresale del lado de presion de la pala. El dispositivo 70 de guiado del flujo comprende una superficie 72 de entrada del flujo con un punto 74 de inicio en el que la superficie 72 de entrada del flujo continua sobre el contorno 42 perfilado de la pala, y un punto 76 de finalizacion en el que el flujo se separa del perfil. El punto 74 de inicio puede tambien ser concebido como un punto de fijacion para el dispositivo 70 de guiado del flujo, si el dispositivo de guiado del flujo es readaptado a la superficie de la pala. El dispositivo 70 de guiado del flujo ademas comprende un borde 84 posterior que se extiende desde el punto 76 de finalizacion hasta el contorno 42 perfilado de la pala 10. La distancia entre la superficie 72 de entrada del flujo del dispositivo 70 de guiado del flujo y el contorno 42 perfilado aumenta hacia el borde de fuga de la pala, de manera que el dispositivo de guiado del flujo tiene una forma de cuna. La superficie 72 de entrada del flujo puede ser, sustancialmente, recta o puede ser ligeramente curvada, tal y como se muestra la figura 4.

La superficie 72 de entrada del flujo esta formada de manera que, para cada corte en seccion trasversal en al menos una porcion 71 longitudinal central de la region 32 de transicion, una tangente 80 del punto de finalizacion de la superficie 72 dentro de flujo en el punto 76 de finalizacion cruce el contorno 42 perfilado en un punto 82 de cruce, en el que el contorno 42 perfilado tiene una tangente 78 de perfil en el contorno perfilado. La tangente 80 del punto de finalizacion y la tangente 78 del punto de perfil forman un angulo a de cruce mutuo. Deberla notarse que la tangente del extremo de finalizacion y la tangente del perfil forman mas de un angulo. A partir de la siguiente descripcion detallada, es claro que el angulo a es el angulo entre la porcion exterior de la tangente del punto de finalizacion y la porcion de la tangente del perfil, el cual se extiende hacia el borde de fuga de la pala. En otras palabras, el angulo esta situado en un cuadrante exterior del perfil de la pala mas cercano al borde de fuga de la pala. Las dos tangentes 78, 80 forman un angulo agudo y un angulo obtuso (excepto cuando son mutuamente perpendiculares). Por lo tanto, es claro, a partir de la descripcion, que es el angulo agudo el que es al menos de 45 grados.

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20

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30

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40

45

50

55

Ademas, se puede utilizar otro parametro de diseno para el diseno del dispositivo 70 de guiado del flujo, y en particular la forma de la superficie 72 de entrada del flujo, a saber, un segundo angulo 0, el cual es el angulo entre la linea 86 media de la superficie 72 de entrada del flujo del dispositivo 70 de guiado del flujo y una cuerda 44 del contorno 42 perfilado.

El dispositivo 70 de guiado del flujo funciona como una obstruccion al flujo en el lado de presion del perfil. Esta obturacion resulta en una presion mas alta despues del dispositivo 70 de guiado del flujo, es decir entre el dispositivo 70 de guiado del flujo y el borde de fuga de la pala de la turbina eolica, debido a la separacion del flujo de la superficie. Despues del dispositivo 70 de guiado del flujo, es decir entre el dispositivo de guiado del flujo y el borde de escape de la pala 70, de da una separacion del flujo de aire.

Cuando el angulo a es de al menos 45 grados, los experimentos han mostrado que la relacion de sustentacion-a- arrastre de una seccion transversal de la region 32 de transicion se puede aumentar de forma significativa en comparacion con las palas del estado de la tecnica anterior con dispositivos de guiado del flujo similares. Esto no es esperado, dado que el grado de separacion y por tanto el arrastre inducido en el perfil aumenta, de forma significativa, debido al mayor “angulo de separacion” del flujo de aire desde el dispositivo de guiado del flujo. Los experimentos han mostrado que incluso angulos mayores de 60 grados y por encima de 90 grados proporcionan incluso mejoras adicionales en la relacion sustentacion-a-arrastre.

En el primer modo de realizacion, la altura h del borde 84 posterior del dispositivo de guiado del flujo es, en la figura 2 en la figura 7, mostrado disminuyendo en la direction longitudinal (o la distancia radial desde el buje) hacia el extremo r de punta de la pala. La altura del borde 84 posterior es mostrada como una funcion de la distancia r radial desde el buje en la figura 7. En el extremo longitudinal del dispositivo 70 de guiado del flujo mas cercano al buje, el dispositivo 70 de guiado del flujo es redondeado o biselado con el fin de obtener una transicion suavizada del contorno perfilado de la pala. La altura h del borde posterior corresponde a la distancia entre el punto de finalization del dispositivo de guiado del flujo y el contorno perfilado en una direccion perpendicular a la cuerda.

La figura 5 muestra un segundo modo de realizacion de una pala 110 de acuerdo con la invention, en la cual numeros similares se refieren a partes similares del primer modo de realizacion mostrado en la figura 2. Por lo tanto, solo se han descrito las diferencias entre los dos modos de realizacion. El segundo modo de realizacion difiere en que la altura del borde 184 posterior del dispositivo 170 de guiado del flujo es sustancialmente constante en la direccion longitudinal de la pala, al menos dentro de la portion 171 central. Esto tambien es mostrado en la figura 6. Tal y como se muestra la figura 6 el dispositivo 170 de guiado del flujo puede ser redondeado o biselado cerca de los extremo longitudinales del dispositivo 70 de guiado del flujo con el fin de tener una transicion suavizada del contorno perfilado de la pala.

La forma del borde 84, 184 posterior del dispositivo 70, 170 de guiado del flujo puede tener varias formas. El borde posterior puede por ejemplo apuntar para atras hacia el borde de fuga de la pala tal y como se muestra la figura 8, estar orientado sustancialmente transversal a la cuerda tal y como se muestra la figura 4, o apuntar adelante hacia el borde de ataque de la pala (no mostrado). El borde posterior puede o bien ser recto, tal y como se muestra la figura 8, concavo, tal y como se muestra la figura 9, o convexo tal y como se muestra la figura 10.

El dispositivo 70, 170 de guiado del flujo de acuerdo con la invencion debe ser disenado para que el angulo a sea al menos de 45 grados para cada seccion transversal dentro de la porcion 71, 171 central del dispositivo 70, 170 de guiado del flujo. Adicionalmente, el dispositivo 70, 170 de guiado del flujo esta dispuesto en una position de manera que genera una separacion del flujo de aire a lo largo de al menos una porcion 71, 171 longitudinal central del dispositivo 70, 170 de guiado del flujo, desde el lado de presion de la pala a un punto entre el dispositivo 70, 170 de guiado del flujo y el borde 20, 120 de fuga de la pala 10, 110, cuando la pala 10, 110 es impactada por el flujo de aire incidente. Cerca de los extremos longitudinales del dispositivo 70, 170 de guiado del flujo variaciones en el diseno pueden caer fuera de estos parametros de diseno. De forma preferente, la porcion 71, 171 central del dispositivo de guiado del flujo se extiende a lo largo de al menos un 80% de la extension longitudinal del dispositivo 70, 170 de guiado del flujo.

La figura 11 y la figura 12 muestran graficos de los coeficientes ci de sustentacion, y de la relacion sustentacion-a- arrastre ci/cd, respectivamente, como una funcion del angulo de ataque AOA para varios angulos y para una altura del borde posterior constante del dispositivo de guiado del flujo. El perfil particular, que ha sido examinado en estas mediciones, esta disenado para un funcionamiento con un angulo de ataque AOA que cae dentro de aproximadamente 15 a 20° Ademas, la superficie de entrada del flujo es sustancialmente recta.

En la figura 11, el primer grafico 210 representa el coeficiente de sustentacion ci como una funcion del angulo de ataque AOA para a = 25 grados. El segundo grafico 220 representa el coeficiente de sustentacion ci como una funcion del angulo de ataque AOA para a = 65 grados, y el tercer grafico 230 representa el coeficiente de sustentacion cicomo una funcion del angulo de ataque AOA para a = 85 grados. Se puede apreciar que el coeficiente de sustentacion aumenta, de forma significativa, dentro del diseno del AOA. El coeficiente de sustentacion para a = 85 grados es por ejemplo de un 10 a un 12% mayor que para a = 25 grados.

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10

15

20

25

30

35

En la figura 12, el primer grafico 240 representa la relacion sustentacion-a-arrastre ci/cd como una funcion del angulo de ataque AOA para a = 25 grados, el segundo grafico 250 representa la relacion sustentacion-a-arrastre ci /cd como una funcion del angulo de ataque AOA para a = 65 grados, y el tercer grafico 260 representa la relacion sustentacion- a-arrastre c/cd como una funcion del angulo de ataque AOA para a = 85 grados. Se puede apreciar que la relacion sustentacion-a-arrastre aumenta, de forma significativa, dentro del diseno del AOA. El coeficiente de sustentacion para a = 85 grados es, por ejemplo, aproximadamente un 5% mayor que para a = 25 grados.

Debe observarse que el segundo angulo 0 puede utilizarse como un parametro suplementario o alternativo para disenar el dispositivo de guiado del flujo. En este caso, el segundo angulo 0 debe ser de al menos 25 grados de acuerdo con la invention. Las graficas representadas en las figuras 11 y 12 corresponden a los segundos angulos 0 de 0, 45 y 60 grados, respectivamente. Dado que la superficie de entrada del flujo es recta, el segundo angulo 0 tambien corresponde al angulo entre la tangente del punto de finalization y la cuerda.

La invencion se ha descrito con referencia a un modo de realization preferido. Sin embargo, el alcance de la invencion no se limita al modo de realizacion ilustrado, y se pueden realizar alteraciones y modificaciones sin desviarse del alcance de la invencion.

Lista de numeros de referencia

2: turbina eolica

4: torre

6: gondola

8: buje

10: pala

14: punta de la pala

16: ralz de pala

18: borde de ataque

20: borde de fuga

30: region de ralz

32: region de transicion

34: region de perfil aerodinamico

40, 42, 50: contornos perfilados/ perfiles

44: cuerda

52: lado de presion

54: lado de succion

56: borde de ataque

58: borde de fuga

60: cuerda

62: llnea de curvatura/ llnea media

70: dispositivo de guiado del flujo/ aleron

71: portion longitudinal central

72: superficie de flujo de entrada

74: punto de inicio

76: punto de finalizacion

78: tangente del perfil

80: tangente del punto de finalizacion

82: punto de cruce

5 84: borde posterior del dispositivo de guiado del flujo

86: llnea media a la superficie de entrada del flujo

210-260:: graficos

a: angulo entre la tangente del perfil y la tangente del punto de finalizacion

c: longitud de la cuerda

10 c: coeficiente de elevacion

Cl /Cd: relacion de sustentacion-a-arrastre

dt: posicion del espesor maximo

df: posicion de curvatura maxima

f: curvatura

15 t: espesor

Claims

5

10

15

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40

45

REIVINDICACIONES

1. Una pala (10) para un rotor de una turbina (2) eolica que tiene un eje de rotor sustancialmente horizontal, comprendiendo dicho rotor un buje (8), desde el cual la pala (10) se extiende sustancialmente en una direccion radial cuando esta montada en el buje (8), teniendo la pala una direccion (r) longitudinal con un extremo (16) de punta y un extremo (14) de ralz y una direccion transversal, comprendiendo ademas la pala:

- un contorno (40, 42, 50) perfilado que incluye un lado de presion y un lado de succion, as! como un borde (18) de ataque y un borde (20) de fuga con una cuerda que tiene una longitud de cuerda que se extiende entre el contorno perfilado, cuando es impactado por un flujo de aire incidente, generando una sustentacion, en la que el contorno perfilado se divide en:

- una region (30) de ralz que tiene un perfil sustancialmente circular o ellptico mas cercano al buje,

- una region (34) de perfil aerodinamico que tiene un perfil de generacion de la sustentacion mas alejado del buje, y

- una region (32) de transicion entre la region (30) de ralz y la region (34) de perfil aerodinamico, teniendo la region (32) de transicion un perfil que cambia gradualmente en la direccion radial desde el perfil circular o ellptico de la region de ralz al perfil de generacion de la sustentacion de la region de perfil aerodinamico, y en la que

- la pala esta provista de un dispositivo (70) de guiado del flujo anadido al contorno (40, 42, 50) perfilado de la pala, en el lado (52) de presion de pala (10), teniendo el dispositivo (70) de guiado del flujo una superficie (72) de entrada del flujo con un punto (74) de inicio dirigido hacia el borde (18) de ataque de la pala (10) y un punto(76) de finalizacion dirigido hacia el borde (20) de fuga de la pala (10), aumentando la distancia entre la superficie (72) de entrada del flujo y el contorno (40, 42, 50) perfilado desde el punto (74) de inicio hasta el punto (76) de finalizacion, en la que

- el dispositivo (70) de guiado del flujo se extiende a lo largo de al menos una porcion longitudinal de la region (32) de transicion y esta dispuesto de manera que genere una separacion del flujo de aire a lo largo de al menos una porcion (71) longitudinal central del dispositivo (70) de guiado del flujo desde el lado (52) de presion de la pala (10) en un punto entre el dispositivo (70) de guiado del flujo y el borde (20) de fuga de la pala (10), cuando la pala (10) es impactada por el flujo de aire incidente, y en la que la superficie (72) de entrada del flujo es concava,

caracterizado porque

- la superficie (72) de entrada del flujo en al menos la porcion (71) longitudinal central esta configurada de modo que, para cada seccion transversal, una tangente (80) de un punto de finalizacion en la superficie (72) de entrada del flujo en el punto (76) de finalizacion cruza el contorno (40, 42, 50) perfilado en un punto (82) de cruce, en la que el contorno (40, 42, 50) perfilado tiene una tangente (78) del perfil en el contorno (40, 42, 50) perfilado y el que un angulo (a) agudo entre la tangente (78) del perfil y la tangente (80) del punto de finalizacion es de al menos 45 grados.
2. Una pala de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que el angulo agudo entre la tangente (78) del perfil y la tangente (80) del punto de finalizacion es de al menos 50 grados, o de al menos 55 grados, o de al menos 60 grados.
3. Una pala de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en la que una llnea media a la superficie (72) de entrada del flujo forma un segundo angulo (0) con la cuerda (44), siendo el segundo angulo de al menos 25 grados, o de al menos 30 grados, o de al menos 35 grados.
4. Una pala de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo (70) de guiado del flujo se extiende a lo largo de, sustancialmente, la extension longitudinal completa de la region (32) de transicion.
5. Una pala de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la porcion (71) longitudinal central es de al menos un 50%, 60%, 70%, 80%, o 90%, de la extension longitudinal del dispositivo (70) de guiado del flujo.
6. Una pala de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la superficie (72) de entrada del flujo es concava.
7. Una pala de acuerdo con la reivindicacion 6, en la que una la tangente del punto de inicio en la superficie de entrada del flujo en el punto (74) de inicio es sustancialmente paralelo a una tangente en el perfil en el punto (74) de inicio.
8. Una pala de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo (70) de guiado del flujo esta formado integralmente con la pala (10).
9. Una pala de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el dispositivo (70) de guiado del flujo se ajusta en la superficie de la pala (10).
10. Una pala de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo (70) de guiado del flujo se extiende en la region (30) de ralz.
11. Una pala de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo (70) de guiado del flujo tiene un borde (84) posterior con una altura del borde posterior, y en la que la altura del borde posterior en al

5 menos una porcion (71) longitudinal central del dispositivo (70) de guiado de flujo disminuye en la direccion longitudinal hacia el extremo (14) de punta.
12. Una pala de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 10, en la que el dispositivo (70) de guiado del flujo tiene un borde (84) posterior con una altura del borde posterior, y en la que la altura del borde posterior es sustancialmente constante en al menos una porcion (71) longitudinal central del dispositivo (70) de guiado del flujo.

10 13. Una pala de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el dispositivo (70) de guiado

del flujo tiene un borde (84) posterior con una altura (h) del borde posterior, y un contorno (40, 42, 50) perfilado tiene un espesor maximo, y en la que la relacion entre la altura (h) del borde posterior y el espesor maximo (t/c), en al menos la porcion longitudinal central, esta incluida en un intervalo de entre un 3% y 25% o entre 3% y 20%.
14. Una turbina eolica que comprende un numero, preferiblemente dos o tres, de palas segun cualquiera de las 15 reivindicaciones anteriores.