ES2345583B1 - Pala de aerogenerador con dispositivos anti-ruido. - Google Patents

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Abstract

Pala de aerogenerador con dispositivos anti-ruido, teniendo la pala (11) un perfil aerodinámico con un borde de ataque (13), un borde de salida (15) y lados de succión y presión entre el borde de ataque (13) y el borde de salida (15), y estando el dispositivo anti-ruido (31) colocado en el lado de succión y formado por elementos (33) que modifican el espectro de frecuencia del ruido de la capa límite. Preferiblemente, el dispositivo anti-ruido (31) está colocado en el lado de succión entre dos secciones correspondientes a posiciones de la cuerda en el rango del 40%-50% de la longitud de la cuerda medida desde el borde de ataque (13).

Description

Pala de aerogenerador con dispositivos anti-ruido.
Campo de la invención
La invención se refiere a palas de aerogeneradores con dispositivos anti-ruido y en particular con dispositivos dirigidos a la reducción del ruido aerodinámico audible producido en db(A).
Antecedentes
Una restricción importante de la producción de energía de los aerogeneradores viene impuesta por el ruido producido durante su funcionamiento. En particular, las palas de los aerogeneradores producen ruido aerodinámico audible debido a la interacción entre la capa límite y el borde de salida.
Las capas límite turbulentas en las palas de aerogeneradores producen ruido después de alcanzar la línea de transición y al interaccionar con el borde de salida. La anisotropía, historia y el orden de magnitud de la turbulencia en la capa límite afectan al ruido generado por un perfil aerodinámico.
Se conocen varias propuestas para reducir el ruido aerodinámico producido por las palas de aerogeneradores.
Una de ellas es el uso de bordes de salida dentados. En este sentido EP0652367 describe palas de rotor que tienen su borde exterior configurado irregularmente en particular en forma de diente de sierra. EP1314885 describe palas de rotor con bordes de salida dentados teniendo una pluralidad de dientes distribuidos periódicamente a lo largo de pala con ángulos de aproximadamente 60 grados entre vértices adyacentes. EP1338793 describe palas de rotor con dientes formados en el borde de salida de la pala que está configurada con un dentado de dientes triangulares ó dientes trapezoidales o dientes de sierra.
Otra propuesta, descrita en WO2006/122547, es el uso de medios generadores de turbulencia como medios de reducción de ruido. Esos medios están situados en el lado de succión de la pala de aerogenerador y en la sección exterior de pala del aerogenerador en la dirección de la punta de la pala.
La técnica anterior también enseña el uso de métodos de control operacional del aerogenerador para reducir el ruido aerodinámico, y particularmente, el control de la velocidad del rotor. En este sentido la publicación "Wind Turbine Noise", Wagner et al., Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1996 resume los problemas planteados por el ruido producido por los aerogeneradores y varias propuestas para reducirlo.
La presente invención proporciona una solución diferente para reducir el ruido aerodinámico producido por las palas de los aerogeneradores.
Sumario de la invención
Un objeto de la presente invención es proporcionar una pala de aerogenerador con medios que permiten la alteración de las características de la capa límite y consecuentemente la modificación del ruido emitido.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar una pala de aerogenerador con medios de reducción del ruido audible. Aunque la energía acústica de la emisión de ruido permanezca inalterada, se reduce la producción de ruido audible.
Estos y otros objetos de la presente invención se consiguen proporcionando un aerogenerador que comprende al menos una pala que tiene un perfil aerodinámico con un borde de ataque, un borde de salida y lados de succión y presión entre el borde de ataque y el borde de salida y que incluye un dispositivo anti-ruido colocado en el lado de succión que está formado por elementos que modifican el espectro de frecuencia del ruido de la capa límite.
Como se explicará en detalle más adelante, esos elementos no están orientados hacia la producción de turbulencia como mecanismo de reducción de ruido como sucede en WO 2006/122547 sino de estructuras fluídicas coherentes. La introducción de turbulencia implica la introducción de movimiento aleatorio en la capa límite mientras que la introducción de estructuras coherentes está asociada con la introducción de movimiento ordenado en la capa límite.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la siguiente descripción en relación con las figuras que se acompañan.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 es una vista esquemática de una pala de aerogenerador con un dispositivo anti-ruido según la presente invención.
\newpage
La Figura 2 es una vista en perspectiva de un elemento individual de un dispositivo anti-ruido según la presente invención.
La Figura 3 es una vista en planta del elemento individual mostrado en la Figura 2.
Las Figuras 4, 5 y 6 son vistas en perspectiva de tres distintas realizaciones de un dispositivo anti-ruido según la presente invención.
La Figura 7 muestra esquemáticamente las estructuras coherentes de remolinos generadas por un elemento individual de un dispositivo anti-ruido según la presente invención.
La Figura 8 muestra una visualización en superficie de aceite del efecto de las estructuras coherentes en la superficie de una pala.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Cuando el flujo atraviesa una pala se forma una capa límite. Esta capa límite es la región del campo de flujo donde la velocidad se adapta desde la velocidad existente en el flujo fuera de la pala a la condición de no deslizamiento que se impone naturalmente en su superficie. La naturaleza de la capa límite puede ser laminar o turbulenta. Una capa límite laminar puede ser vista como una capa límite en la que el flujo se mueve suavemente, como en capas paralelas a la superficie. Las capas límite laminares se transforman naturalmente en capas límite turbulentas en las que hay un alto componente de movimiento aleatorio. El cambio de laminar a turbulento tiene lugar en una región llamada "región de transición" en la que se desarrollan diferentes estructuras fluídicas cambiando la naturaleza de la capa límite. La primera estructura turbulenta en aparecer es el "estallido turbulento" ("turbulent spot"). Los "estallidos turbulentos" viajan con la corriente, se fusionan y se desarrollan en estructuras \Lambda (también llamadas estructuras "hairpin"). Estas últimas estructuras promueven mezclas en la capa límite que se auto-mantienen debido a los patrones de movimiento introducidos en el flujo. Poco después de la aparición de las estructuras \Lambda el flujo deviene completamente turbulento y no se puede encontrar orden instantáneo. En las capas límite turbulentas los efectos viscosos reales (los debidos a la viscosidad) solo están presentes en la sub-capa viscosa, que es una pequeña región cercana a la pared. En el resto de la capa límite turbulenta los efectos viscosos son solo aparentes ya que son debidos al movimiento aleatorio y no a la viscosidad y a la disipación de energía de la tensión cortante.
Los niveles de energía del ruido emitido y su distribución en frecuencias depende en gran medida del orden de magnitud de la turbulencia y del espectro de energía de las fluctuaciones de presión introducidas en la superficie de la pala por el movimiento turbulento. La magnitud de las estructuras turbulentas dentro de la capa límite es del mismo orden que la anchura de la capa límite y los órdenes de magnitud de sus características y su espectro de distribución de energía dependen en gran medida de la historia de la corriente de la capa límite en la ubicación considerada que, para propósitos aeroacústicos, es usualmente el borde de salida.
La idea básica de esta invención es alterar tanto la magnitud de la turbulencia como la distribución de su energía en el dominio de frecuencias mediante el uso de elementos que introducen estructuras fluídicas coherentes colocadas detrás de la ubicación de la línea de transición en la que ocurre el cambio de laminar a turbulenta de la capa límite.
La Figura 1 muestra una pala de aerogenerador 11 con un borde de ataque 13 y un borde de salida 15 que incluye un dispositivo anti-ruido 31 de acuerdo con esta invención colocado a la derecha -desde el punto de vista de la dirección del viento 17- de la línea de transición 21 donde tiene lugar el cambio de una capa límite laminar a una capa límite turbulenta.
Cuando el flujo cercano a la pala pasa por el dispositivo anti-ruido, se producen estructuras coherentes de remolino 35 (ver Fig. 7) alineadas con la corriente libre que alteran dramáticamente la capa límite y cambian sus características fluídicas. Se ha demostrado que remolinos coherentes alineados con la dirección de la corriente tienen un gran impacto en la distribución de velocidad en la capa límite y en sus características turbulentas, es decir en los niveles de turbulencia, en la producción de energía cinética turbulenta, etc. (ver Fig. 8).
En las palas de aerogeneradores modernos puede considerarse que la línea de transición 21 está localizada, para ángulos de ataque moderados, en el lado de succión entre dos secciones correspondientes a posiciones de la cuerda en el rango del 40%-50% de la longitud de la cuerda medida desde el borde de ataque 13.
La Figura 1 muestra el dispositivo anti-ruido 31 extendiéndose desde la raíz 19 hasta la punta 21. Se entiende que el dispositivo anti-ruido 31 debe estar colocado a lo largo de una sección de la pala 11 que se extiende entre el 5% y el 100% de su longitud medida desde su raíz 19.
En otra realización, el dispositivo anti-ruido 31 está colocado a lo largo de una sección de la pala 11 que se extiende entre el 66% y el 100% de su longitud medida desde su raíz 19.
La Figura 2 muestra una realización de un elemento individual 33 que puede ser usado en un dispositivo anti-ruido 31 en su posición respecto a la dirección del flujo indicada por el eje x y la longitud de la pala indicada por el eje z.
Siguiendo las Figuras 2 y 3 puede verse que el elemento individual 33 es un cuerpo con forma de flecha que está posicionado en el lado de succión de la pala 11 con la punta de la flecha 41 orientada hacia el borde de ataque 13.
En otra realización el elemento individual 33 está posicionado en el lado de succión de la pala 11 con la punta de la flecha 41 orientada hacia el borde de salida 15.
El elemento 33 está definido por caras trapezoidales izquierda y derecha, superior e inferior, 51, 53, 55, 57 con lados centrales comunes desde la punta de la flecha 41 hasta el centro de la flecha 43 y caras laterales 61, 63, 65, 67, 69, 71 extendiéndose entre dichas caras superiores e inferiores 51, 53, 55, 57.
En una realización preferente las alturas t1, t2, t3 y t4 de, respectivamente, la punta de la flecha 41, el centro de la flecha 43 y los extremos izquierdo y derecho de la flecha 45, 47 están comprendidos entre 0-10 mm.
En otra realización preferente, la altura t1 de la punta de la flecha 41 es menor que la altura t2 del centro de la flecha 43 y las alturas t3, t4 de los extremos izquierdo y derecho de la flecha 45, 47 son menores que la altura t2 del centro de la flecha y mayores que la altura t1 de la punta de la flecha 41.
En una realización preferente, el ángulo \theta_{1} entre el lado exterior 75 de la cara superior izquierda 51 y el eje de la flecha 77 está comprendido entre 5-60 deg, el ángulo \theta_{2} entre el lado exterior 79 de la cara superior derecha 53 y el eje de la flecha 77 está comprendido entre 5-60 deg, el ángulo \theta_{3} entre el lado interior 81 de la cara superior izquierda 51 y el eje de la flecha 77 está comprendido entre 30-90 deg y el ángulo \theta_{4} entre el lado interior 83 de la cara superior derecha 53 y el eje de la flecha 77 está comprendido entre 30-90 deg.
En una realización preferente la longitud \lambda_{1} lado 85 que conecta los lados interior y exterior 81, 75 de la cara superior izquierda 51 está comprendido entre 0-20 cm, la longitud \lambda_{2} del lado 87 que conecta los lados interior y exterior 83, 79 de la cara superior derecha 53 está comprendido entre 0-20 cm, la longitud \lambda_{3} de una proyección lateral del elemento 33 está comprendida entre 0-20 cm, y la longitud \lambda_{4} de una proyección frontal del elemento 33 está comprendida entre 0-20 cm.
La Figura 4 muestra un dispositivo anti-ruido 31 formado por una pluralidad de elementos 33 colocados en la pala individualmente, dejando espacios entre ellos.
La Figura 5 muestra un dispositivo anti-ruido 31 formado por una pluralidad de elementos 33 colocados en la pala en grupos, dejando espacios entre los grupos.
La Figura 6 muestra un dispositivo anti-ruido 31 formado por una pluralidad de elementos 33 colocados uno al lado del otro sin dejar espacios entre ellos.
Variando las dimensiones geométricas mencionadas y el espaciado entre los elementos 33 se pueden obtener estructuras coherentes de remolinos con diferentes fuerzas de remolino y tamaños de núcleo. Las dimensiones geométricas de los elementos 33 tienen un impacto en las características de los filamentos generados y por tanto pueden ser adaptadas para ser usadas en un amplio rango de condiciones operacionales del aerogenerador con finalidades de reducción de ruido. En todos los casos, hay que contar con que el cambio en la velocidad y las distribuciones de remolinos dentro de la capa límite cambia el espectro de distribución de la energía del ruido (en dB(A)).
Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro del alcance de, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims (17)

1. Un aerogenerador que comprende al menos una pala (11) que tiene un perfil aerodinámico con un borde de ataque (13), un borde de salida (15) y lados de succión y presión entre el borde de ataque (13) y el borde de salida (15), caracterizado porque la pala (11) incluye un dispositivo anti-ruido (31) colocado en el lado de succión que está formado por elementos (33) que modifican el espectro de frecuencia del ruido de la capa límite.
2. Un aerogenerador según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho dispositivo anti-ruido (31) está colocado en el lado de succión entre dos secciones correspondientes a posiciones de la cuerda en el rango del 40%-50% de la longitud de la cuerda medida desde el borde de ataque (13).
3. Un aerogenerador según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho dispositivo anti-ruido (31) está colocado a lo largo de una sección de la pala (11) que se extiende entre el 5% y el 100% de su longitud medida desde su raíz (19).
4. Un aerogenerador según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho dispositivo anti-ruido (31) está colocado a lo largo de una sección de la pala (11) que se extiende entre el 66% y el 100% de su longitud medida desde su raíz (19).
5. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque dicho el dispositivo anti-ruido (31) está formado por una pluralidad de elementos (33) colocados en la pala (11) individualmente, dejando espacios entre ellos.
6. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque dicho el dispositivo anti-ruido (31) está formado por una pluralidad de elementos (33) colocados en la pala (11) en grupos, dejando espacios entre los grupos.
7. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque dicho el dispositivo anti-ruido (31) está formado por una pluralidad de elementos (33) colocados en la pala (11) uno al lado del otro sin dejar espacios entre ellos.
8. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque dichos elementos (33) son cuerpos con forma de flecha, estando dichos cuerpos definidos por caras trapezoidales izquierda y derecha, superior e inferior (51, 53, 55, 57) con lados centrales comunes desde la punta de la flecha (41) hasta el centro de la flecha (43) y caras laterales (61, 63, 65, 67, 69, 71) extendiéndose entre dichas caras superiores e inferiores (51, 53, 55, 57).
9. Un aerogenerador según la reivindicación 8, caracterizado porque dichos elementos (33) están colocados sobre la pala (11) con la punta de la flecha (41) orientada hacia el borde de ataque (13).
10. Un aerogenerador según la reivindicación 8, caracterizado porque dichos elementos (33) están colocados sobre la pala (11) con la punta de la flecha (41) orientada hacia el borde de salida (15).
11. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado porque las alturas t1, t2, t3 y t4 de, respectivamente, la punta de la flecha (41), el centro de la flecha (43) y los extremos izquierdo y derecho de la flecha (45, 47) están comprendidos entre 0-10 mm.
12. Un aerogenerador según la reivindicación 11, caracterizado porque la altura t1 de la punta de la flecha (41) es menor que la altura t2 del centro de la flecha (43) y las alturas t3, t4 de los extremos izquierdo y derecho de la flecha (45, 47) son menores que la altura t2 del centro de la flecha (43) y mayores que la altura t1 de la punta de la flecha (41).
13. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 8-12, caracterizado porque el ángulo \theta_{1} entre el lado exterior (75) de la cara superior izquierda (51) y el eje de la flecha (77) está comprendido entre 5-60 deg, y porque el ángulo \theta_{2} entre el lado exterior (79) de la cara superior derecha (53) y el eje de la flecha (77) está comprendido entre 5-60 deg.
14. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 8-13, caracterizado porque el ángulo \theta_{3} entre el lado interior (81) de la cara superior izquierda (51) y el eje de la flecha (77) está comprendido entre 30-90 deg y el ángulo \theta_{4} entre el lado interior (83) de la cara superior derecha (53) y el eje de la flecha (77) está comprendido entre 30-90 deg.
15. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 8-14 caracterizado porque la longitud \lambda_{1} del lado (85) que conecta los lados interior y exterior (81, 75) de la cara superior izquierda (51) está comprendido entre 0-20 cm.
16. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 8-15 caracterizado porque la longitud \lambda_{2} del lado (87) que conecta los lados interior y exterior (83, 79) de la cara superior derecha (53) está comprendido entre 0-20 cm.
17. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 8-16 caracterizado porque la longitud \lambda_{3} de una proyección lateral de dichos elementos (33) está comprendida entre 0-20 cm, y la longitud \lambda_{4} de una proyección frontal de dichos elementos (33) está comprendida entre 0-20 cm.
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