¿Por qué las turbinas eólicas más grandes giran más lentamente que las turbinas eólicas más pequeñas?

Quiero agregar a la gran respuesta de Joel Jermakian.

Cuando un diseñador diseña palas para un modelo particular de turbina con una potencia nominal específica para la generación eléctrica para un recurso eólico particular, viento ligero, viento medio o viento fuerte, un objetivo es tener un área de barrido lo suficientemente grande como para que el generador funcione a la potencia máxima lo antes posible. El otro objetivo, como lo indicó Joel, es no hacer que esas cuchillas sean tan grandes que dominen el generador y, agregaría, toda la estructura mecánica.

Por lo tanto, la solución típica es comenzar a inclinar las palas un poco antes de alcanzar la salida del generador de destino y luego seguir lanzándolas más y más para mantener el conjunto de las cuchillas girando a las RPM deseadas. La otra solución típica es diseñar las palas con un giro que induzca el estancamiento a velocidades de viento más altas. (Nota: este giro no debe confundirse con el giro de estas palas diseñadas para compensar el ángulo variable de ataque a la dirección aparente del viento causada por el borde de una pala que se desplaza a velocidades cada vez mayores a mayor distancia del cubo del rotor de la pala .)

La relación de punta de pala más eficiente para un diseño de pala dado en términos de extracción de energía del viento generalmente es de alrededor de 7 a 8 veces la velocidad del viento.

Con una relación de velocidad de punta inherente de 1: 8, eso significa que terminaría con puntas de pala moviendo un 80% de la velocidad del sonido a una velocidad del viento de 78 millas por hora y a la velocidad del sonido a una velocidad del viento de alrededor de 96 millas por hora. Cuando una estructura de carga se mueve a velocidades entre el 80 y el 100% de la velocidad del sonido, tiende a experimentar mucha vibración y turbulencia, lo cual es horrible para la salud a largo plazo de la estructura (sin mencionar que es malo para todo el sistema de turbina y muy ruidoso). Es por eso que las turbinas están diseñadas para apagarse con vientos huracanados.

Por lo tanto, a medida que el conjunto de cuchillas acelera de baja velocidad a la velocidad requerida para la salida nominal máxima del generador, es muy común ver las relaciones de velocidad de punta en el rango de 1: 7 a 1: 8 y luego ver que la relación de velocidad de punta disminuye debido al cambio de inclinación de la hoja y pérdida inducida

Suponiendo que la velocidad máxima de punta deseada es bastante constante para las turbinas diseñadas para un recurso eólico particular, es fácil ver que los conjuntos de palas más grandes girarán a menos RPM que los conjuntos de palas más pequeños. Es por eso que las turbinas más pequeñas funcionan a mayores RPM. También es la razón por la que uno tiende a ver generadores de accionamiento directo en turbinas más pequeñas que funcionan a altas RPM y sistemas de transmisión para aumentar las RPM entregadas al generador en turbinas eólicas más grandes.

Estoy seguro de que todo se trata de estrés … inducido centrífugo, aleteo de las cuchillas, ráfaga repentina y todas las demás tensiones. Recuerdo haber hecho un juego de cuchillas de balsa y un poco de fibra de vidrio para una competencia en la escuela. Desafortunadamente, de alguna manera la carga no estaba en el generador cuando entró en el túnel de viento. Iba increíblemente rápido cuando cedió en el centro. Hizo mucho ruido.

Gran parte se reduce a la velocidad de la punta y a la fuerza centrífuga máxima que las cuchillas pueden manejar antes de que se autodestruyan. Cuanto más rápido gira, mayor es la velocidad de la punta y mayor es la fuerza centrífuga.

Algunos, los que generan CA en lugar de CC, también requieren una cierta velocidad para mantener la frecuencia de CA (60Hz o 50Hz) dentro de un margen bastante estrecho.