ES2983682T3 - Pala de turbina eólica con rigidez variable dependiente de la deflexión - Google Patents

Abstract

Pala de turbina eólica (12) que tiene un elemento estructural (10) que incluye: un primer larguero (40); un segundo larguero (42); un tirante rígido (44) fijado de forma pivotante al primer larguero y fijado de forma pivotante al segundo larguero; y un tirante de tensión (46) fijado al primer larguero y al segundo larguero y dispuesto para experimentar tensión durante el desplazamiento lateral creciente entre el primer larguero y el segundo larguero a medida que la pala de turbina eólica se dobla en una primera dirección (48). A diferencia de una estructura de pala de turbina eólica convencional, el elemento estructural (10) proporciona una resistencia no lineal a la flexión de la pala. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Pala de turbina eólica con rigidez variable dependiente de la deflexión

Campo de la invención

La invención se refiere a un miembro estructural que inicialmente exhibe una cierta resistencia a la deflexión resultante de la flexión, y exhibe después una mayor resistencia a una mayor deflexión. En particular, la invención se refiere a una pala de turbina eólica que incluye el miembro estructural.

Antecedentes de la invención

El funcionamiento de velocidad variable de las turbinas eólicas y los rotores de baja solidez (impulsados por restricciones de masa) provocan superposiciones entre las frecuencias de excitación (y sus armónicos) y las frecuencias resonantes de las palas. Se emplean restricciones operativas para evitar la superposición de frecuencias, pero esto reduce la producción anual de energía.

El diseño de la pala incluye requisitos de rigidez que limitan la deflexión bajo cargas extremas para cumplir con los parámetros de deformación última del material y espacio libre de la torre. Para evitar la superposición y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de rigidez, se han buscado diseños rígidos y pesados para superar las frecuencias excitantes y al mismo tiempo mantener la rigidez en forma de aleta para eventos extremos. Alternativamente, se ha agregado masa adicional para llegar por debajo de las frecuencias excitantes mientras se mantiene la rigidez a lo largo de las aletas. Sin embargo, limitar la deflexión en el sentido de las aletas puede resultar en una mayor carga de fatiga. En consecuencia, se han propuesto varios métodos de control activo y pasivo para reducir las cargas de fatiga aerodinámica y las cargas extremas. Un ejemplo de tales métodos de la técnica anterior se describe en el documento US2013108453 A1. No obstante, aún queda espacio en la técnica para reducir la carga de fatiga y al mismo tiempo cumplir con los requisitos de tensión máxima del material y espacio libre de la torre.

Breve descripción de los dibujos

La invención se explica en la siguiente descripción a la vista de los dibujos que muestran:

la Figura 1 es una sección transversal esquemática de una realización ilustrativa de un miembro estructural en un estado no deformado.

La Figura 2 muestra el miembro estructural de la Figura 1 ligeramente flexionado en una primera dirección.

La Figura 3 muestra el miembro estructural de la Figura 2 más flexionado en la primera dirección.

La Figura 4 muestra el miembro estructural de la Figura 1 más flexionado en una segunda dirección.

Las Figuras 5-6 muestran un conjunto de mástil que incluye otra realización ilustrativa del miembro estructural. La Figura 7 muestra un conjunto de mástil diferente que incluye la realización ilustrativa del miembro estructural de las Figuras 5-6.

La Figura 8 muestra una pala de turbina eólica que incluye aún otra realización ilustrativa del miembro estructural. Las Figuras 9-11 muestran una realización ilustrativa de otro tipo de miembro estructural.

La Figura 12 muestra una realización ilustrativa de otro tipo más de miembro estructural.

La Figura 13 muestra una realización ilustrativa de todavía otro tipo de miembro estructural.

Descripción detallada de la invención

Los presentes inventores han ideado un miembro estructural único e innovador que inicialmente proporciona una cierta resistencia a la deflexión y muestra después una mayor resistencia a una mayor deflexión. El miembro estructural puede incorporarse en una pala de turbina eólica para proporcionar esta rigidez dependiente de la deflexión en respuesta a la deflexión de aleta y/o la deflexión del borde.

La Figura 1 es una sección transversal esquemática de una realización ilustrativa de un miembro estructural 10 dispuesto dentro de una pala 12 de turbina eólica cuando la pala 12 de turbina eólica está en un estado 14 sin deflexión. La pala 12 de turbina eólica incluye un lado 20 de presión, un lado 22 de succión, una base 24 (no visible) y una punta 26 (no visible) y el miembro estructural 10 se extiende a lo largo de una dirección transversal 28 y sirve como un conjunto 30 de mástil. Un conjunto de mástil convencional incluye una cubierta del mástil en el lado de presión, una cubierta del mástil en el lado de succión y un alma del mástil conectada entremedio. El alma del mástil evita el desplazamiento relativo vertical y horizontal de las cubiertas del mástil, asegurando que la estructura se deforma al flexionarse esencialmente como un solo miembro de viga. Por el contrario, el conjunto 30 de mástil descrito en la presente memoria incluye un primer larguero 40, un segundo larguero 42, un tirante rígido 44 y un tirante 46 de tensión.

Los tirantes rígidos 44 pueden resistir las fuerzas de tracción y compresión experimentadas durante el funcionamiento de la pala para garantizar que el primer larguero 40 y el segundo larguero 42 mantengan la separación entre sí. Esto asegura que el lado 20 de presión y/o el lado 22 de succión de la pala 12 de turbina eólica no se deformen entre sí durante el funcionamiento, particularmente si la pala 12 de turbina eólica experimenta una deflexión de la aleta en una primera dirección 48 y en una segunda dirección. 50.

En la realización de ejemplo mostrada, los tirantes rígidos 44 están asegurados de manera pivotante al primer larguero 40 y asegurados también de manera pivotante al segundo larguero 42 en las respectivas primeras ubicaciones 60 de soporte pivotante y segundas ubicaciones 62 de soporte pivotante. Como se ilustra en la Figura 1, asegurado de forma pivotante significa que los tirantes rígidos 44 son al menos libres para girar tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario a las agujas del reloj con respecto a los largueros 40, 42 dentro de un plano definido por la página en la Figura 1. En algunas realizaciones, asegurado de forma pivotante incluye libertad para girar alrededor de una ubicación respectiva 60, 62 en cualquier dirección, tal como en una articulación esférica. Con la conexión asegurada de forma pivotante, la deflexión del primer larguero 40 y del segundo larguero 42 da como resultado el giro de los tirantes rígidos 44 con respecto a las respectivas primeras ubicaciones 60 y segundas ubicaciones 62. Como resultado, la distancia 64 más corta entre el primer larguero 40 y el segundo larguero 42 puede variar y se espera que varíe durante la deflexión 48, 50 de la pala 12 de turbina eólica.

Los tirantes 46 de tensión incluyen primeros tirantes 70 de tensión que resisten la deflexión en la primera dirección 48 y segundos tirantes 72 de tensión que resisten la deflexión en una segunda dirección 50. Los tirantes 46 de tensión proporcionan fuerza de tracción durante la deflexión. Un tirante 46 de tensión puede ser un componente único (por ejemplo, un cable) o puede ser un conjunto de componentes.

Como se muestra en las Figuras 2 a 4, el miembro estructural 10 aquí descrito aprovecha lo que sucede cuando el primer larguero 40 y el segundo larguero 42 se flexionan. Como todos los primeros tirantes 70 de tensión, un primer tirante 80 de tensión representativo está asegurado al primer larguero 40 en una primera ubicación 82 del mástil, y al segundo larguero 42 en una segunda ubicación 84 del mástil. Una distancia 86 entre la primera ubicación 82 del mástil y la segunda ubicación 84 del mástil aumenta a medida que la pala 12 de turbina eólica experimenta una deflexión desde el estado 14 sin deflexión y en la primera dirección 48. Esto es un desplazamiento lateral entre los largueros 40, 42 en una dirección en que normalmente está inhibido por un alma del mástil relativamente pesada en un conjunto de mástil convencional. Como todos los primeros tirantes 70, el primer tirante 80 representativo resiste este aumento de distancia 86.

Este tensado de los tirantes 46 de tensión se acopla a la rigidez longitudinal de los largueros para resistir la deformación por flexión, resistiendo así la deflexión en la primera dirección 48. Por ejemplo, para la deflexión mostrada en la Figura 2, una vez que el primer tirante 80 de tensión representativo se tensa, el primer larguero 40 comienza a experimentar compresión y el segundo larguero 42 comienza a experimentar tensión. La respuesta a la compresión del primer larguero 40 y la respuesta a la tensión del segundo larguero 42 influyen entonces principalmente en la rigidez de flexión del miembro estructural 10 tras una deflexión adicional. Los tirantes 46 de tensión son relativamente muy rígidos (es decir, teóricamente infinitamente rígidos). La rigidez de los tirantes 46 de tensión no aumenta numéricamente la rigidez de flexión del miembro estructural 10 de manera significativa. Los tirantes 46 de tensión desplazan la carga de cizallamiento a los largueros, donde se convierte en una carga longitudinal. Los mismos principios se aplican para la deflexión en la segunda dirección 50 como se muestra en la Figura 4.

En una realización ilustrativa alternativa, los tirantes 46 de tensión no se caracterizan por una rigidez que sea relativamente muy alta (por ejemplo, teóricamente infinita) en comparación con la rigidez longitudinal de los largueros 40, 42. En esta realización de ejemplo alternativa, la tensión en los tirantes 46 de tensión hace que los tirantes 46 de tensión se alarguen, y esto contribuye a la respuesta de rigidez del miembro estructural 10. En tal realización ilustrativa alternativa, durante la deflexión de las aletas, los largueros 40, 42 experimentarían deformación por tracción y compresión, y los tirantes 46 de tensión experimentarían también un alargamiento por tracción no despreciable. En comparación con la realización ilustrativa donde los tirantes 46 de tensión son teóricamente infinitamente rígidos, esta realización ilustrativa alternativa sería menos rígida. La discusión en la presente memoria aborda principalmente la realización que tiene tirantes 46 de tensión teóricamente infinitamente rígidos, pero se considera que realizaciones alternativas con tirantes 46 de tensión no infinitamente rígidos están dentro del alcance de la divulgación.

Asimismo, como todos los segundos tirantes 72 de tensión, un segundo tirante 90 de tracción representativo está asegurado al primer larguero 40 en una primera ubicación del mástil 92, y al segundo larguero 42 en una segunda ubicación del mástil 94. Una distancia 96 entre la primera ubicación 92 del mástil y la segunda ubicación 94 del mástil aumenta a medida que la pala 12 de turbina eólica experimenta una deflexión desde el estado 14 sin deflexión y en la segunda dirección 50. Esto es un desplazamiento lateral entre los largueros 40, 42 en la dirección opuesta en que normalmente está inhibido por un alma del mástil relativamente pesada en el conjunto de mástil convencional. Como todos los segundos tirantes 72 de tensión, el segundo tirante de tracción representativo 90 resiste este aumento en la distancia 96, que se acopla a la rigidez longitudinal de los largueros para resistir la deformación por flexión en la segunda dirección 50.

Durante la deflexión en la primera dirección 48, la distancia 86 aumenta pero la distancia 96 disminuye. Por el contrario, durante la deflexión en la segunda dirección 50, la distancia 86 disminuye pero la distancia 96 aumenta.

A diferencia de una armadura convencional, el miembro estructural 10 descrito en la presente memoria está configurado para proporcionar una resistencia creciente a la deflexión y para aumentar la resistencia de forma no lineal. Es decir, el miembro estructural 10 limita el movimiento relativo horizontal (como se muestra en las Figuras 1 4) entre los largueros (por ejemplo, las cubiertas del mástil), y también la respuesta a la flexión del miembro estructural 10, dependiendo de la cantidad de deflexión del miembro estructural 10.

Una curva de respuesta del tirante de tracción es un gráfico de una cantidad de alargamiento de los tirantes 46 de tensión a lo largo de un eje X (alargamiento que aumenta hacia la derecha) y la fuerza de resistencia generada por los tirantes 46 de tensión a lo largo del eje Y (fuerza que aumenta en la dirección ascendente). La curva de respuesta del tirante de tracción describe la respuesta a la fuerza del tirante de tracción desde el inicio de la tensión. La curva de respuesta del tirante de tracción (es decir, la respuesta del tirante de tracción) puede ser lineal o no. Como se usa en la presente memoria, lineal significa una línea recta única, por ejemplo, una línea que tiene una pendiente única y constante en toda su extensión.

Dicho de otra manera, un módulo elástico del tirante de tracción puede ser lineal o no lineal. El módulo elástico es una relación entre la tensión de tracción y la deformación por tracción. Mide la cantidad de fuerza adicional necesaria para producir una unidad adicional de alargamiento. Cuando el módulo elástico es lineal, cada unidad adicional de fuerza alarga el tirante de tracción en la misma cantidad que una unidad anterior de fuerza adicional. Cuando el módulo elástico no es lineal y aumenta, una unidad de fuerza adicional alarga el tirante de tracción en una cantidad menor que una unidad de fuerza adicional anterior. Por el contrario, cuando el módulo elástico no es lineal y decrece, una unidad de fuerza adicional alarga el tirante de tracción en una cantidad mayor que una unidad de fuerza adicional anterior.

Una curva de respuesta del miembro estructural es una gráfica de una cantidad de deflexión/flexión del miembro estructural a lo largo de un eje X (deflexión/flexión que aumenta hacia la derecha) y una fuerza de resistencia generada por el miembro estructural a lo largo del eje Y (fuerza que aumenta en la dirección ascendente). La curva de respuesta del miembro estructural (es decir, la respuesta del miembro estructural) describe la respuesta de fuerza del miembro estructural desde el estado 14 sin deflexión. La curva de respuesta del miembro estructural puede incluir porciones lineales, pero no es lineal porque se caracteriza por una pendiente que aumenta en uno o más puntos. En una realización, el aumento es abrupto, tal como ocurre cuando un cable pasa de estar flojo a estar tenso.

Dicho de otra manera, un módulo elástico del miembro estructural (la rigidez) aumenta en algún punto de manera que una fuerza adicional resulta en una menor deflexión adicional. El aumento puede ser abrupto.

Cuando el miembro estructural está dispuesto dentro de una pala de turbina eólica, la respuesta de la pala de turbina eólica a la deflexión está ligada a la respuesta del miembro estructural. Las respuestas no son necesariamente idénticas porque la pala de la turbina eólica incluye su propia estructura, por ejemplo, la piel de la hoja, lo que contribuye a la resistencia a la deflexión. Sin embargo, con respecto a la deflexión, el miembro estructural es el miembro estructural dominante.

En algunas realizaciones, los tirantes 46 de tensión no ofrecen resistencia a la deflexión hasta una cantidad umbral de deflexión. En otras realizaciones, los tirantes 46 de tensión ofrecen la fuerza de resistencia hasta la cantidad umbral de deflexión.

Las realizaciones donde no se encuentra resistencia inicial pueden incluir tirantes 46 de tensión que están flojos cuando el miembro estructural 10 está en el estado 14 sin deflexión y que permanecen flojos hasta que se alcanza la cantidad umbral de deflexión, sobre la que los tirantes 44 se tensan y proporcionan una fuerza resistencia al tirante. Tras una mayor deflexión, los tirantes 46 de tensión actúan como miembros rígidos porque su rigidez es alta en comparación con la fuerza de cizallamiento aplicada. Esto transfiere la carga de cizallamiento de los tirantes 46 de tensión a los largueros 40, 42 como una carga longitudinal. Los ejemplos de tirantes 46 de tensión podrían incluir cuerdas, cables, cadenas, correas, etc. hechos de cualquier material que pueda deformarse elásticamente en respuesta a las cargas de tracción esperadas, pero que no se deforme plásticamente. En esta realización, la respuesta del miembro estructural es plana (es decir, el miembro estructural tiene una rigidez constante) hasta que se alcanza la deflexión umbral y los tirantes 46 de tensión se tensan, momento en que la respuesta del tirante de tensión aumenta abruptamente y el miembro estructural responde a una mayor rigidez.

Alternativamente, las realizaciones que proporcionan una fuerza de resistencia del tirante inicial hasta la cantidad umbral de deflexión pueden incluir, por ejemplo, un amortiguador (por ejemplo, viscoso o coulomb) que genera una cierta fuerza de resistencia del tirante a la deflexión hasta la cantidad umbral, y un tope mecánico que evita un mayor alargamiento del amortiguador posteriormente. Para deflexiones hasta la cantidad umbral, la respuesta del tirante de tracción estaría gobernada por una respuesta de resistencia del amortiguador. Después de alcanzar el umbral de deflexión, lo que significa que se ha alcanzado el tope, otra estructura de los tirantes 46 de tensión (por ejemplo, cuerda, cable, eje de pistón u otro miembro estructural) soportaría la carga de tracción. Una vez tensada, la otra estructura desplazaría la carga de cizallamiento a los largueros, que la soportarían como cargas longitudinales respectivas como se ha descrito anteriormente. Por consiguiente, en esta realización, la respuesta del miembro estructural incluye inicialmente la respuesta de resistencia del amortiguador. Cabe señalar que el amortiguador puede transmitir también fuerzas de compresión y afectar correspondientemente la respuesta del miembro estructural durante las deflexiones en la segunda dirección 50.

La respuesta de los miembros estructurales podría incluir también un aumento gradual. Como se usa en la presente memoria, un aumento gradual es un aumento en la rigidez de resistencia sin un aumento asociado en la cantidad de deflexión. En una realización que tiene un aumento gradual, se podría utilizar el control activo. Por ejemplo, un sensor podría detectar la magnitud de la deflexión y activar un mecanismo de resistencia cuando se alcance la cantidad umbral de deflexión. El mecanismo de resistencia puede ser una abrazadera, un dispositivo magnético, un cabrestante, etc. que resista una mayor separación entre, por ejemplo, la primera ubicación 82 del larguero y la segunda ubicación 84 del larguero. El mecanismo de resistencia se puede caracterizar como un mecanismo instantáneo en el sentido de que una vez que se alcanza el umbral de deflexión, la rigidez de resistencia aparece instantáneamente a una cantidad de deflexión determinada. Esto contrasta con realizaciones donde el tirante 46 de tensión es, por ejemplo, un cable, y donde la rigidez de resistencia cambia suavemente, aunque rápidamente, una vez que se tensa el tirante 46 de tensión.

Una fuerza de resistencia del miembro generada por el miembro estructural incluye la fuerza inicial de resistencia a la flexión del larguero generada por los largueros tras la deflexión hasta el punto donde se acoplan los tirantes 46 de tensión, más la resistencia a la flexión del miembro asociada con las fuerzas de resistencia a la compresión y a la tensión generadas por los largueros 40, 42 para deflexiones adicionales posteriores al tensado de los tirantes. En consecuencia, cuando los tirantes 46 de tracción están flojos, el miembro estructural 10 todavía resiste la deflexión a través de la fuerza de resistencia del larguero. En realizaciones con un amortiguador, la fuerza de resistencia del amortiguador contribuye también a la fuerza de resistencia del miembro hasta el punto donde se tensan los tirantes 46 de tensión. El amortiguador disipa energía durante los cambios dinámicos de deflexión.

El miembro estructural 10 descrito anteriormente proporcionará inicialmente una resistencia relativamente reducida a la flexión hasta un cierto umbral. Una vez que se alcanza este umbral, una mayor deflexión se enfrentará a un aumento desproporcionado de la resistencia. Cuando se usa en una pala de turbina eólica, esto permite que la pala 12 de turbina eólica se desvíe relativamente fácilmente con cargas más bajas, lo que reduce la tensión y aumenta la vida a fatiga. Esto permite también que la pala se endurezca una vez que se ha alcanzado el umbral de deflexión, lo que garantiza que la pala no golpee la torre y/o exceda el requisito de tracción final del material de la pala.

Alternativamente, el tirante 46 de tensión puede estar en tensión antes de cualquier deflexión, y la tensión puede aumentar durante el desplazamiento lateral, tal como sucede cuando un tirante 46 de tensión incluye dos miembros de tensión de diferentes longitudes, tales como dos cables de diferentes longitudes. El segundo de los dos cables puede estar flojo antes de cualquier deflexión.

El revestimiento de la pala de turbina eólica debe diseñarse para adaptarse a la deformación por cizallamiento requerida cuando se usa el miembro estructural 10. Por ejemplo, se podría usar un revestimiento flexible o se podría permitir el desplazamiento por cizallamiento entre las partes de carcasa superior e inferior en los bordes de ataque y de salida.

La Figura 2 muestra el miembro estructural 10 en un estado umbral 100 en deflexión en la primera dirección 48. (La pala 12 de turbina eólica se omite en las Figuras 2 a 4 para mayor claridad). En esta realización ilustrativa, los tirantes 46 de tensión son miembros sólo de tensión, por ejemplo, cable, cuerda, etc. En el estado umbral 100 en deflexión, el miembro estructural 10 se ha desviado lo suficiente para eliminar la holgura de las primeros tirantes 70 de tensión porque la distancia 86 ha aumentado una cantidad suficiente. Cualquier deflexión adicional requerirá cambios longitudinales en la longitud de los largueros 40, 42, y eso se rige por un cambio en la distancia 86 que se produce con una deflexión mayor. Los segundos tirantes 72 de tensión están flojos y permanecen flojos porque la distancia 96 disminuye al aumentar la deflexión.

Dado que los primeros tirantes 70 de tensión han estado flojos hasta este punto, la única resistencia a la deflexión/flexión la han proporcionado los largueros 40, 42. Las dos tapas del mástil se deforman como miembros de flexión individuales sin fuerzas netas de tracción o compresión en los largueros. En consecuencia, para deflexiones hasta el estado umbral 100 en deflexión, una rigidez de flexión del miembro (EI)<miembro>y una fuerza de resistencia asociada del miembro se pueden calcular mediante la ecuación (que supone largueros idénticos):

(EOrniernbro = 2 *E * l_ C

Donde E es el módulo elástico longitudinal de un larguero, e I_c es el momento de inercia del área de la sección transversal del larguero con respecto a su respectivo eje elástico longitudinal 102. Una línea frontal 106 es una línea que es perpendicular a una línea central 108 del miembro estructural 10 en una ubicación seleccionada. Un ángulo 110 de deflexión es una medida de un ángulo entre una línea frontal 112 en deflexión y una línea frontal 114 sin deflexión. El valor umbral “S” de deflexión del ángulo 110 de deflexión es un valor en que se elimina la holgura de los tirantes 46 de tensión. Los valores del ángulo de deflexión hasta el valor umbral de deflexión pueden considerarse deflexión suave.

La Figura 3 muestra el miembro estructural 10 en un estado 120 en deflexión adicional en la primera dirección 48. El ángulo 110 de deflexión ha aumentado por encima del valor umbral “ S” de deflexión en un valor “ R” de deflexión adicional. La deflexión más allá de la deflexión suave puede considerarse deflexión rígida. Toda deflexión adicional del valor umbral “ S” de deflexión al valor “ R” de deflexión adicional incluye la resistencia a la flexión de los largueros 40, 42 más la resistencia de los largueros 40, 42, generando fuerzas netas de tracción y compresión a través de la inhibición además del desplazamiento lateral relativo de los largueros. En consecuencia, para deflexiones que superan el estado umbral 100 en deflexión y el valor “ S” de deflexión umbral asociado, para los casos donde los tirantes 46 de tracción se consideran infinitamente rígidos, la rigidez de flexión del miembro (EI)<miembro>y la fuerza de resistencia asociada del miembro se pueden calcular mediante la ecuación (que supone largueros idénticos y tirantes 46 de tensión idénticos):

( E l ) m iembro = 2 *E * l_ C 2 * E * A _ C * ( d / 2 ) 2

Donde E es el módulo elástico longitudinal de un larguero, I_c es el momento de inercia del área de la sección transversal del larguero con respecto a su respectivo eje elástico longitudinal 102, A_c es un área de la sección transversal de cada larguero, y d es la distancia vertical entre el eje elástico longitudinal de los dos largueros.

Puede verse que una vez tensados, la presencia de los primeros tirantes 70 de tensión provoca un aumento abrupto en la rigidez de flexión del miembro estructural, resistiendo así cualquier deflexión adicional.

El mismo principio se aplica a las deflexiones en la segunda dirección 50. La Figura 4 muestra el miembro estructural 10 en un estado 130 en deflexión adicional en la segunda dirección 46. En esta realización de ejemplo, la pala 12 de turbina eólica y el miembro estructural 10 son simétricos con respecto a la línea central 108. En consecuencia, la rigidez de flexión del miembro y la fuerza de resistencia asociada del miembro se pueden calcular también usando las mismas ecuaciones descritas anteriormente.

Las realizaciones descritas en las Figuras 1 a 4 no pretenden ser limitantes, sino ilustrar los principios básicos que pueden utilizarse de diversas maneras para producir los resultados deseados. Por ejemplo, puede haber uno o más de un tirante 46 de tensión por miembro estructural 10. Cuando hay una pluralidad de tirantes 46 de tensión, los tirantes 46 de tensión pueden ser idénticos, pueden ser similares pero configurados localmente para proporcionar respuestas específicas de la ubicación, o pueden tener una construcción completamente diferente a otros tirantes 46 de tensión. Por ejemplo, los tirantes 46 de tensión hacia la base 24 pueden exhibir mayores fuerzas de resistencia que aquellos hacia la punta 26 para tener en cuenta los efectos de voladizo variables en diferentes ubicaciones a lo largo de la dirección 28 en sentido transversal. En otro ejemplo, puede haber dos o más cables de diferente longitud en un tirante 46 de tensión. La respuesta de fuerza de un tirante de tensión de múltiples cables incluiría múltiples aumentos abruptos en la fuerza de resistencia a medida que los cables individuales se tensan en diferentes momentos durante el aumento de la deflexión.

No es necesario que todos los tirantes 46 de tensión se tensen con la misma cantidad de deflexión. En cambio, diferentes tirantes 46 de tensión pueden tensarse antes o después de otros. Además, algunos tirantes pueden ser simples miembros de sólo de tensión, mientras que otros pueden incluir amortiguadores, o combinaciones de miembros de sólo de tensión conectados en serie con amortiguadores, etc. Además, un tirante 46 de tensión puede ser opcionalmente un tirante de tensión y compresión. Un tirante de este tipo podría disponerse, por ejemplo, entre la primera ubicación 60 y la segunda ubicación 62, y resistiría una distancia decreciente 86 cuando la primera ubicación 60 y la segunda ubicación 62 se acercan entre sí como ocurre en el estado 130 en deflexión adicional de la Figura 4. De esta manera, en lugar de simplemente permanecer flojo para las deflexiones en una de dos direcciones, un tirante de tensión/compresión podría contribuir a la rigidez de resistencia para las deflexiones en ambas direcciones. Un amortiguador es un ejemplo de este tipo de tirantes de tensión y compresión. En una realización de ejemplo alternativa, todo o parte de los tirantes 46 de tensión podrían ser miembros de sólo compresión, dando como resultado una componente de fuerza de tracción en los tirantes rígidos 44.

Las Figuras 5-6 ilustran esquemáticamente un conjunto 140 de mástil en una pala 142 de turbina eólica que tiene un lado 144 de presión, un lado 146 de succión, una base 148 (no visible) y una punta 150. El funcionamiento normal tendería a desviar la pala 142 de turbina eólica en la primera dirección 152. El conjunto 140 de mástil integra tanto un mástil convencional 160 hacia la base 148 como el miembro estructural 162 hacia la punta 150 en una unidad como se muestra, aunque cada uno puede ser opcionalmente discreto.

El conjunto 140 de mástil incluye una primera cubierta 170 del mástil que incorpora el primer larguero 172, y una segunda cubierta 174 del mástil que incorpora el segundo larguero 176. La primera cubierta 170 del mástil puede tener una construcción uniforme a lo largo de toda su longitud, o su construcción puede variar para acomodar el primer larguero 172. Asimismo, la segunda cubierta 174 del mástil puede tener una construcción uniforme a lo largo de toda su longitud, o su construcción puede variar para acomodar el segundo larguero 176. Hacia la base 148, la primera cubierta 170 del mástil y la segunda cubierta 174 del mástil están unidas por un alma 180 del mástil convencional.

Hacia la punta 150, la primera cubierta 170 del mástil y la segunda cubierta 174 del mástil están separadas por el tirante rígido 182 y el tirante 184 de tensión. En consecuencia, la porción de la pala 142 de turbina eólica que tiene el alma 180 del mástil convencional responde de la manera convencional, mientras que la porción de la pala 142 de turbina eólica hacia la punta 150 que tiene el miembro estructural 162 responde según las características del miembro estructural. 162 como se ha descrito anteriormente.

En la realización mostrada, el tirante 184 de tensión incluye un amortiguador 186 que tiene topes positivos 188, 190 y un pistón 192. Durante la deflexión en la primera dirección 152, el pistón 192 se mueve hacia el tope positivo 188. Al alcanzar el tope positivo 188, la pala 142 de turbina eólica alcanza el estado umbral de deflexión. La rigidez longitudinal de las cubiertas 170, 174 del mástil, como se ha detallado anteriormente resistiría una mayor deflexión.

La Figura 7 ilustra esquemáticamente una realización ilustrativa alternativa de un conjunto 200 de mástil en una pala 202 de turbina eólica que tiene un lado 204 de presión, un lado 206 de succión, una base 208 (no visible) y una punta 210. El conjunto 200 de mástil puede ser un mástil de caja que tiene cuatro lados, o dos mástiles discretos, o una combinación de los mismos. Un mástil delantero 220 está dispuesto más cerca de un borde 222 de ataque, mientras que un mástil trasero 224 está dispuesto más cerca de un borde 226 de salida de la pala 202 de turbina eólica. En esta realización de ejemplo, el mástil delantero 220 es un mástil convencional que tiene una primera cubierta 230 de mástil delantera, una segunda cubierta 232 del mástil delantera y un alma 234 del mástil delantera. El mástil trasero 224 incluye el miembro estructural 240 que tiene el primer larguero 242, el segundo larguero 244, el tirante rígido 246 y el tirante 248 de tensión. El mástil trasero 224 puede estar compuesto únicamente por el miembro estructural 240. Alternativamente, el mástil trasero 224 puede integrar tanto un mástil convencional 160 hacia la base 208 como el miembro estructural 240 hacia la punta 210 similar al conjunto 140 de mástil de las Figuras 5-6. El tirante 248 de tensión incluye opcionalmente un amortiguador 250, un pistón 252 y topes 254, 256. La deflexión de aleta aplicada a una pala que tiene esta realización del conjunto 200 de mástil dará como resultado una torsión de la pala y la reacción de paso asociada debido a la deflexión relativamente mayor permitida por el mástil trasero 224. El amortiguador 250 y los topes 254, 256 se pueden ajustar para lograr la respuesta dinámica deseada para evitar picos de carga y/o evitar resonancias de acoplamiento de flexión/torsión (por ejemplo, aleteo).

La Figura 8 ilustra esquemáticamente una aplicación diferente donde el miembro estructural 260 se usa para controlar la deflexión en una dirección a lo largo del borde, en contraposición a la deflexión de aleta controlada en las realizaciones anteriores. Aquí, dos miembros estructurales 260 están orientados cada uno de un borde 262 de ataque a un borde 264 de salida de una pala 266 de turbina eólica. Opcionalmente, sólo se puede usar un miembro estructural 260. Cada miembro estructural 260 incluye el primer larguero 270 y el segundo larguero 272. El primer larguero 270 puede ser la cubierta 274 del mástil como se muestra, o parte de la misma. Opcionalmente, el primer larguero 270 es independiente de las cubiertas 274 del mástil. El segundo larguero 272 es su propio refuerzo 276 del borde de salida como se muestra, o es parte del mismo. Opcionalmente, los segundos largueros 272 son un elemento único que también es un refuerzo del borde de salida único/común. La realización mostrada incluye tirantes 278 de tensión(solo se muestra uno para mayor claridad) configurados para resistir la deflexión de borde en una primera dirección 280 donde una punta 282 de la pala 266 de turbina eólica se desvía del borde 264 de salida al borde 262 de ataque. Opcionalmente, se pueden agregar tirantes de tensión para resistir la deflexión a lo largo del borde en la dirección opuesta según la descripción anterior. Además, los miembros estructurales 260 pueden estar presentes a lo largo de toda la envergadura desde una base 284 (no visible) hasta la punta 282, o solo parte de la envergadura tal como, por ejemplo, más cerca de la punta 282.

Las Figuras 9-11 muestran una realización ilustrativa de otro tipo de miembro estructural. Esta realización de ejemplo usa la estructura de la pala de turbina eólica para proporcionar resistencia inicial a la flexión hasta la cantidad umbral, después de lo que el miembro estructural aumenta la resistencia, produciendo una pala de turbina eólica con una respuesta no lineal.

Los miembros estructurales dentro de una pala 290 de turbina eólica incluyen, entre otros, las cubiertas 292 del mástil y el refuerzo 294 del borde de salida. Cada uno de estos constituye su propio miembro estructural 296 que incluye al menos un elemento 300 de refuerzo. Estos elementos de refuerzo están situados en la dirección de la envergadura en regiones sometidas a tensiones de tracción y compresión durante la deflexión a lo largo de las aletas y/o del borde. Los miembros estructurales deben tener un comportamiento significativamente diferente ante las deformaciones asociadas con la producción normal de energía y ante las deformaciones asociadas con eventos de carga extrema. Este comportamiento por lo general no es el caso para la no linealidad tensión-deformación del material (por ejemplo, fibra de carbono), pero se puede lograr cuando se usa en un mecanismo de refuerzo como se muestra en la Figura 10.

La Figuras 10 muestra un mecanismo 302 de refuerzo que incluye el elemento 300 de refuerzo dispuesto, por ejemplo, en la cubierta 292 del mástil. Los casquillos 304 se fijan rígidamente al elemento 300 de refuerzo, lo que evita el movimiento relativo entre los mismos. Los manguitos 306 se fijan rígidamente a la cubierta 292 del mástil, lo que evita el movimiento relativo entre los mismos. El elemento 300 de refuerzo puede flotar libremente dentro de los manguitos 306, o puede estar asegurado en una ubicación a lo largo de toda la envergadura fuera de la porción mostrada, pero la mayor parte del elemento 300 de refuerzo puede moverse libremente con respecto al manguito. Esta libertad de movimiento relativo desacopla el elemento 300 de refuerzo de la cubierta 292 del mástil de manera que la cubierta 292 del mástil queda libre para expandirse como resultado de las fuerzas de tracción y/o comprimirse como resultado de las fuerzas de compresión con respecto al elemento 300 de refuerzo en una cantidad limitada.

La cantidad de cambio sin restricciones en la longitud de la cubierta 229 del mástil está limitada por los casquillos 304. Una distancia 320 entre los casquillos 304 es mayor que una longitud 322 del manguito 306 cuando la pala 290 de turbina eólica está en un estado 310 sin deflexión. Si el elemento 300 de refuerzo flota libremente, a medida que la cubierta 292 del mástil se expande, también lo hace el manguito 306. Esto continúa hasta una cantidad umbral de expansión donde una longitud 322 del manguito expandido 306 es igual a la distancia 320 entre los casquillos 304. Una mayor deflexión requiere entonces separar los casquillos 304, lo que, a su vez, requiere que el elemento 300 de refuerzo se expanda. Por lo tanto, la expansión inicial de la cubierta 292 del mástil es resistida únicamente por las características del material de la cubierta 292 del mástil sola hasta la cantidad umbral de expansión, después de lo que se añade la resistencia del miembro 300 de refuerzo, lo que equivale a una respuesta no lineal de la pala 290 de turbina eólica.

Si el elemento 300 de refuerzo está asegurado puntualmente, por ejemplo, en una base 330 (no visible) de la pala 290 de turbina eólica, entonces la expansión de la pala 290 de turbina eólica mueve los manguitos 306 (hacia la derecha en la Figura 10) pero los casquillos 304 no se mueven. Después de la cantidad umbral de expansión/deflexión, determinada por el tamaño de un espacio 312, un extremo derecho 314 del manguito móvil 306 hará contacto con el casquillo 304 a la derecha del extremo derecho 314 del manguito 306. Una mayor expansión/deflexión requerirá mover el casquillo 304 junto con el manguito 306. Como tal, como anteriormente, la expansión inicial de la cubierta 292 del mástil es resistida únicamente por las características del material de la cubierta 292 del mástil sola hasta la cantidad umbral de expansión, después de lo que se añade la resistencia del miembro 300 de refuerzo, lo que equivale a una respuesta no lineal de la pala 290 de turbina eólica. Durante la deflexión de la pala, los manguitos 306 y los casquillos 304 más cercanos a la punta de la pala 290 de turbina eólica pueden hacer contacto primero porque el desplazamiento lateral es mayor en el extremo libre. Cuanta más deflexión se produzca, más abajo en la pala de turbina eólica hacia la base 330, los manguitos 306 y los casquillos 304 harán tope.

El mismo principio se aplica en compresión cuando el elemento 300 de refuerzo está asegurado por puntos. Por ejemplo, una cubierta 292 del mástil de compresión puede mover los manguitos 306 hacia la base 330 (a la derecha en la Figura 10), pero los casquillos 304 no se mueven. Después de una cantidad umbral de compresión/deflexión, determinada por el tamaño de un espacio 316 (Figura 11), un extremo izquierdo 318 del manguito móvil 306 entrará en contacto con el casquillo 304 a la izquierda del extremo izquierdo 318 del manguito 306. Una mayor compresión/deflexión requerirá mover el casquillo 304 junto con el manguito 306. Como tal, como anteriormente, la compresión inicial de la cubierta 292 del mástil es resistida únicamente por las características del material de la cubierta 292 del mástil sola hasta la cantidad umbral de compresión, después de lo que se añade la resistencia del miembro 300 de refuerzo, lo que equivale a una respuesta no lineal de la pala 290 de turbina eólica.

La cantidad umbral de expansión/compresión/deflexión se puede seleccionar seleccionando los espacios apropiados 312, 316. Como ocurre con cualquiera de los conceptos presentados en la presente memoria, estos parámetros pueden ser uniformes o pueden adaptarse a las condiciones locales. Por ejemplo, los espacios 312, 316 pueden seleccionarse para permitir más o menos expansión y contracción en la base 330 que en una punta de la pala, etc. Además, se puede lograr rigidez solo por tensión o solo por compresión alternando los tamaños de espacios.

Si bien se logra un cambio abrupto en la rigidez con el miembro estructural 296 descrito anteriormente, se puede lograr un cambio progresivo en la rigidez y/o amortiguación con separadores elásticos o viscoelásticos o láminas entre el elemento 300 de refuerzo y los manguitos 306. También se puede usar el llenado de un espacio 332 entre el elemento 300 de refuerzo y los manguitos 306 con un fluido viscoso para lograr la amortiguación. El elemento 300 de refuerzo y los manguitos 306 pueden preensamblarse en una unidad hermética usando casquillos 334 de montaje que aseguran la relación precisa entre los anchos de los espacios y la longitud del casquillo de transferencia de carga a través de asientos avellanados para los conductos. Estas unidades se pueden colocar en el techo seco o en el material de tela del material de cubierta de la viga circundante en un proceso de fabricación por infusión.

La Figura 12 muestra una realización ilustrativa de otro tipo de miembro estructural 340. Nuevamente, esta realización de ejemplo usa la estructura de la pala de turbina eólica para proporcionar resistencia inicial a la flexión hasta la cantidad umbral, después de lo que el miembro estructural aumenta la resistencia, produciendo una pala de turbina eólica con una respuesta no lineal.

Un muñón 342 del mástil sobresale desde la punta 344 de la pala 346 de turbina eólica hacia la base 348 en el interior 350 de la pala 346 de turbina eólica. La deflexión de la punta 344 en la primera dirección 360 mueve un contacto 362 en el muñón 342 del mástil hacia un primer tope 364. Al alcanzar una cantidad umbral de deflexión, el contacto 362 hace tope con el primer tope 364. Una deflexión adicional de la punta 344 requiere que el muñón 342 del mástil se desvíe/flexione también. Asimismo, la deflexión de la punta 344 en la segunda dirección 366 mueve el contacto 362 hacia un segundo tope 368. Al alcanzar una cantidad umbral de deflexión, el contacto 362 hace tope con el segundo tope 368. Una deflexión adicional de la punta 344 requiere nuevamente que el muñón 342 del mástil se desvíe/flexione también. Como tal, la deflexión hasta la cantidad umbral es resistida por la pala 346 de turbina eólica, y la deflexión adicional es resistida aún más por el muñón 342 del mástil. Esto equivale a una respuesta no lineal de la pala 346 de la turbina eólica. Una realización de este tipo puede integrarse convenientemente en una articulación de una pala modular.

La Figura 13 muestra otro miembro estructural 380 que comprende una raíz atirantada activa para limitar las cargas en un cojinete de paso. Una vez más, esta realización de ejemplo usa la estructura de la pala de turbina eólica para proporcionar resistencia inicial a la flexión hasta la cantidad umbral, después de lo que el miembro estructural aumenta la resistencia, produciendo una pala de turbina eólica con una respuesta no lineal.

Las fuerzas centrífugas y aerodinámicas reaccionan mediante cables 382 conectados a un mástil respectivo 384, por ejemplo, conectados al alma 386 del mástil de una pala 388 de turbina eólica respectiva a aproximadamente veinticinco por ciento (25 %) de cuerda. Los cables 390 de conexión pueden conectar también palas adyacentes entre sí. Los cables 382 convergen en un cubo 400 a través de, por ejemplo, una disposición de polea de manera que evita cargas de flexión en un extensor 402 de cubo al que se aseguran los cables 382. El extensor 402 de cubo puede incluir un actuador de tensado posterior y/o amortiguador que puede descargar los cables 382 para su paso para un cambio de ángulo y cargarlos para funcionamiento sin empalme en la región de velocidad variable. Los cables 382 pueden conectarse al mástil 384 a través de orejetas conectadas al alma 386 del mástil, lo que permite que cada cable 382 gire en la orejeta durante el paso. El extensor 402 de cubo puede incluir elementos de amortiguación y puede tensarse sólo después de una cantidad predeterminada de<deflexión de la pala en una primera dirección 404 alejándose de los cables>382<y hacia una torre (no mostrada). En>consecuencia, la deflexión de la pala 388 de turbina eólica es resistida sólo por la propia pala 388 de turbina eólica hasta que se alcanza la cantidad umbral de deflexión, después de lo que los cables 382 resisten también la deflexión adicional. Esto equivale a una respuesta no lineal de la pala 388 de turbina eólica.

Si bien en la presente memoria se han mostrado y descrito varias realizaciones de la presente invención, será obvio que tales realizaciones se proporcionan a modo de ejemplo únicamente. Se pueden realizar numerosas variaciones, cambios y sustituciones sin apartarse de la invención de la presente memoria. Por consiguiente, se pretende que la invención esté limitada únicamente por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (18)

1. REIVINDICACIONES

   i. Una pala (12) de turbina eólica, que comprende:

   un primer larguero (40);

   un segundo larguero (42);

   un tirante (44) rígido asegurado de manera pivotante al primer larguero (40) y asegurado de manera pivotante al segundo larguero (42); y

   un tirante (46) de tensión asegurado al primer larguero (40) y al segundo larguero (42) y dispuesto para experimentar tensión durante el desplazamiento lateral creciente entre el primer larguero (40) y el segundo larguero (42) a medida que la pala de turbina eólica se flexiona en una primera direccióncaracterizada porqueel tirante (46) de tensión está configurado para pasar de estar sin tensión a estar en tensión durante el desplazamiento lateral creciente.
2. 2. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, que comprende además, un segundo tirante (46) de tensión asegurado al primer larguero (40) y al segundo larguero (42) y dispuesto para experimentar tensión durante el desplazamiento lateral creciente entre el primer larguero y el segundo larguero cuando la pala de turbina eólica se flexiona en una segunda dirección (50) que es opuesta a la primera dirección (48).
3. 3. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1,caracterizada porqueel tirante (46) de tensión está configurado para estar en tensión antes de cualquier desplazamiento lateral.
4. 4. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1,caracterizada porqueel tirante (46) de tensión comprende un amortiguador que amortigua el desplazamiento lateral creciente, y un tope de recorrido que detiene el desplazamiento lateral creciente después de una cantidad umbral de desplazamiento lateral.
5. 5. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, que comprende además, una primera cubierta (170) del mástil que comprende el primer larguero (172), y una segunda cubierta (174) del mástil que comprende el segundo larguero (176).
6. 6. La pala de turbina eólica de la reivindicación 5, que comprende además, un alma (180) del mástil fijada a la primera cubierta (170) del mástil y a la segunda cubierta (174) del mástil y dispuesta hacia una base de la pala de turbina eólica,caracterizada porqueel tirante de tensión está dispuesto hacia una punta de la pala de turbina eólica.
7. 7. La pala de turbina eólica de la reivindicación 5, que comprende además, una alma del mástil que se extiende desde un lado de presión hasta un lado de succión de la pala de turbina eólica,caracterizada porqueel alma del mástil está dispuesta hacia un borde (222) de ataque de la pala de turbina eólica y el tirante de tensión está dispuesto hacia un borde (226) de salida de la pala de turbina eólica.
8. 8. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1, que comprende además, una primera cubierta (274) del mástil que comprende el primer larguero (270), y un refuerzo (276) del borde de salida que comprende el segundo larguero (272).
9. 9. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1,caracterizada porqueel miembro estructural (10) está configurado para responder a la deflexión del miembro estructural proporcionando una rigidez de resistencia que resiste la deflexión, en donde una magnitud de la rigidez de resistencia está configurada para aumentar con la deflexión creciente, en donde la respuesta está configurada para incluir un abrupto aumento de la rigidez de resistencia durante la deflexión creciente, y en donde el tirante de tensión efectúa el abrupto aumento.
10. 10. La pala de turbina eólica de la reivindicación 9, que comprende además, un conjunto (30) de mástil que comprende el miembro estructural.
11. 11. La pala de turbina eólica de la reivindicación 10, comprendiendo además el conjunto de mástil un alma del mástil dispuesta hacia una base de la pala de turbina eólica, y el miembro estructural dispuesto hacia una punta de la pala de turbina eólica.
12. 12. La pala de turbina eólica de la reivindicación 10, comprendiendo además el conjunto de mástil un alma del mástil dispuesta hacia un borde de ataque de la pala de turbina eólica, y el miembro estructural dispuesto hacia un borde de salida de la pala de turbina eólica.
13. 13. La pala de turbina eólica de la reivindicación 9, que comprende además, una cubierta del mástil que comprende el primer larguero y un refuerzo del borde de salida que comprende el segundo larguero.
14. 14. La pala de turbina eólica de la reivindicación 1,caracterizada porquedurante la deflexión del miembro estructural, la primera ubicación (82) del larguero se aleja de la segunda ubicación (84) del larguero; en donde el tirante (70) de tensión está configurado para generar una primera rigidez de resistencia cuando la primera ubicación (82) del larguero se aleja de la segunda ubicación (84) del larguero; y en donde la primera rigidez de resistencia provoca un aumento no lineal en la rigidez de flexión del miembro estructural durante la deflexión en una primera dirección.
15. 15. La pala de turbina eólica de la reivindicación 14, comprendiendo además el miembro estructural un segundo tirante (90) de tensión asegurado al primer larguero (40) y al segundo larguero (42) y que está configurado para generar una segunda rigidez de resistencia a medida que la primera ubicación (92) del larguero se mueve hacia la segunda ubicación (94) del larguero,caracterizada porquela segunda rigidez de resistencia provoca un aumento no lineal en la rigidez de flexión del miembro estructural durante la deflexión en la segunda dirección.
16. 16. La pala de turbina eólica de la reivindicación 14, que comprende además, un conjunto de mástil que comprende el miembro estructural (10).
17. 17. La pala de turbina eólica de la reivindicación 16, comprendiendo además el conjunto de mástil un alma de cizallamiento hacia una base de la pala de turbina eólica,caracterizada porqueel miembro estructural está dispuesto hacia una punta de la pala de turbina eólica.
18. 18. La pala de turbina eólica de la reivindicación 16, comprendiendo el conjunto de mástil un alma de cizallamiento dispuesta hacia un borde de ataque de la pala de turbina eólica,caracterizada porqueel tirante de tensión está dispuesto hacia un borde de salida de la pala de turbina eólica.