CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente invenção refere-se a uma turbina eólica.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] As turbinas eólicas modernas são comumente usadas para suprir eletricidade para a rede elétrica. As turbinas eólicas dessa espécie geralmente compreendem um rotor com um cubo de rotor e uma pluralidade de pás. O rotor é posto em rotação sob a influência do vento nas pás. A rotação do eixo do rotor aciona tanto diretamente o rotor do gerador ("acionado diretamente") quanto através do uso de uma caixa de engrenagens.
[003] As caixas de engrenagens formam um dos componentes de mais intensiva manutenção da turbina eólica. Elas necessitam ser regularmente inspecionadas e não atendem sempre à vida de serviço esperada; a caixa de engrenagens ou algumas das suas partes algumas vezes necessitam ser substituídas prematuramente. Isso é devido às cargas altas ou cargas flutuantes a que uma caixa de engrenagens é submetida. Particularmente, as cargas de flexão nas pás, que podem ser transmitidas através do eixo do rotor para a caixa de engrenagens, são prejudiciais.
[004] A causa da transmissão das cargas de flexão e deformações das pás e cubo ao gerador está na configuração da turbina eólica. Na maior parte das turbinas eólicas convencionais, o cubo de rotor é montado em uma extremidade do eixo do rotor. O eixo do rotor é giratoriamente montado em uma estrutura de suporte dentro da carlinga no topo da torre da turbina eólica. O rotor, por conseguinte, forma uma estrutura saliente que transmite torque, mas adicionalmente transmite cargas de flexão cíclicas devido às cargas nas pás e o peso do cubo e pás. Essas cargas de flexão são transmitidas tanto para o gerador (no caso de turbinas de acionamento direto) causando varia ções de ar na fenda quanto para a caixa de engrenagens causando cargas de flutuação na caixa de engrenagens.
[005] De modo a solucionar esse problema, é conhecido de por exemplo, ES 2 163 362 fornecer uma torre da turbina eólica com estrutura es-tendendo para diante. O cubo de rotor com sua pluralidade de pás é montado e pode girar na dita estrutura; o cubo de rotor é acoplado a um eixo do rotor localizado dentro da dita estrutura. Tal turbina eólica foi esquematicamente indicada na figura 1. Na figura 1, uma turbina eólica 100 compreende um cubo 110, que é giratoriamente montado na estrutura 170, em uma extremidade distal da dita estrutura. A estrutura 170 é montada na torre 180. Um elemento de acoplamento 120 acopla o eixo do rotor 130 ao cubo 110. A rotação do eixo do rotor 130 é transformada com uma caixa de engrenagens 140 para uma rotação rápida do eixo de saída 150 que aciona o gerador 160.
[006] Em um acoplamento da técnica anterior, uma peça central é montada sobre um eixo do rotor com um disco de encolhimento. Ao longo da circunferência do aro anular da peça central é fornecida uma pluralidade de orifícios. Parafusos fornecidos em buchas elásticas são usados para conectar a peça central ao cubo. As buchas elásticas tornam o acoplamento mais flexível na direção longitudinal do eixo do rotor.
[007] Com essa espécie de configuração compreendendo um cubo montado sobre uma estrutura, as cargas devidas ao peso do cubo e pás são transmitidas mais diretamente via a estrutura para a torre, enquanto que o eixo do rotor transmite principalmente torque para a caixa de engrenagens (e/ou gerador), por conseguinte, impedindo a uma extensão certa as cargas indesejadas e deformações no sistema de direção. Isso representa um aperfeiçoamento com respeito a outras turbinas eólicas da técnica anterior, mas a transmissão de cargas de flexão das pás do eixo do rotor, (e através do eixo do rotor para a caixa de engrenagens) não pode ser inteiramente impedida.
[008] Além disso, montar o acoplamento com a pluralidade de parafusos é uma tarefa trabalhosa e consumidora de tempo e, por conseguinte, dispendiosa. Desmontar o acoplamento para manutenção, inspeção ou reparo é, naturalmente, igualmente trabalhoso. É, além disso, importante nessa configuração que o eixo do rotor seja perfeitamente alinhado porque um desalinha- mento leva a tensões no eixo do rotor, no acoplamento e no cubo. Essas tensões podem levar a, por exemplo, problemas de fadiga. O processo de instalação é, por conseguinte, adicionalmente complicado por causa da necessidade de alinhar perfeitamente o eixo do rotor com respeito ao cubo.
[009] Também, tendo tal quantidade de parafusos e elementos flexíveis (por exemplo, aproximadamente 30 por cada turbina eólica) significan- temente eleva o número de peças, que pode complicar a logística.
[0010] Por conseguinte, existe ainda uma necessidade por uma turbina eólica em que a transmissão de cargas de flexão das pás para o eixo do rotor seja adicionalmente reduzida. Existe também uma necessidade por uma turbina eólica com um número de peças reduzido e que seja mais fácil para instalar e manter.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[0011] É um objetivo da presente invenção proporcionar uma turbina eólica que pelo menos parcialmente satisfaça às necessidades antes mencionadas.
[0012] Em um primeiro aspecto, a presente invenção fornece uma turbina eólica compreendendo um cubo com uma ou mais pás, o dito cubo sendo giratoriamente montado sobre uma estrutura e operativamente acoplado a um eixo, em que o dito eixo é fornecido pelo menos parcialmente no interior na dita estrutura, e uma peça central da qual uma pluralidade de raios se estende substancialmente radial é montada no dito eixo, e o cubo é fornecido com uma pluralidade de protuberâncias axiais circunferencialmente dispostas, e elementos flexíveis são dispostos para conectar os raios às ditas protuberâncias.
[0013] Nesse aspecto da invenção, a rigidez do acoplamento entre o cubo e o eixo com respeito a cargas diferentes do torque pode ser reduzida significantemente se comparada a sistemas da técnica anterior. Isso significa que o torque do cubo é eficientemente transmitido ao eixo, mas que a transmissão de todas as outras cargas é substancialmente reduzida. Também, o número de peças pode ser significantemente reduzido e a montagem da conexão entre o cubo e o eixo do rotor é tornada muito mais fácil. Um adicional aspecto dessa configuração é que não existe adicional necessidade para alinhar perfeitamente o eixo do rotor com respeito ao cubo. O possível desalinhamento devido às tolerâncias de fabricação pode ser absorvido pelos elementos flexíveis.
[0014] Nesse sentido, elementos "flexíveis"devem ser entendidos como elementos que deformam ou cedem ("entregam") relativamente com facilidade a cargas em pelo menos uma direção. Eles podem ser feitos de qualquer material adequado, por exemplo, materiais elastoméricos, ou combinações de metais com elastômeros ou ainda outros materiais adequados. Os elementos podem obter suas propriedades flexíveis devido à sua conformação, material, posicionamento, montagem ou combinações desses.
[0015] Em algumas modalidades, os ditos elementos flexíveis são pré-carregados: os elementos são comprimidos entre as protuberâncias e raios, de modo que eles não possam se soltar durante operação da turbina eólica.
[0016] Em algumas modalidades da invenção, cada uma das ditas protuberâncias é conectada (através dos ditos elementos flexíveis) a um par dos ditos raios. Cada uma das protuberâncias do cubo é, por conseguinte, localizada entre um par de raios. Em uma modalidade, o cubo compreende três protuberâncias e a peça central compreende três pares de raios. Em outras modalidades, um diferente número de protuberâncias e pares de raios pode ser usado, por exemplo, dois, quatro, cinco ou seis. As configurações tendo três ou mais protuberâncias e pares de raios têm vantagens de carregamento dinâmico mais balanceado.
[0017] Em algumas modalidades da invenção, a dita peça central ainda compreende segmentos anulares entre pares de raios adjacentes. Em modalidades preferidas os ditos segmentos anulares compreendem pelo menos um orifício. Esses orifícios podem fornecer acesso ao cubo ou mancais do cubo. Desse modo eles facilitam a manutenção e a inspeção.
[0018] Em modalidades adicionais, cada um dos ditos raios é conectado a um par das ditas protuberâncias. Ainda em outras modalidades, a turbina eólica compreende o mesmo número de raios e protuberâncias. Estará claro que o número de raios e protuberâncias pode ser livremente variado também nessas modalidades.
[0019] Opcionalmente, a dita peça central é montada no dito eixo com um disco de encolhimento. Em outras modalidades, a peça central pode ser conectada ao eixo em uma maneira diferente: por exemplo, uma conexão com parafuso, caldeamento, soldadura, usando adesivo, através de um processo de interferência térmica, ou um ajuste de forma usando, por exemplo, serrilhas fornecidas no eixo, combinações do acima, ou ainda outros métodos. A escolha para um método de conexão adequado pode depender, por exemplo, da possível necessidade do acoplamento ser desmontado.
[0020] Em algumas modalidades da invenção, o eixo do rotor pode ser um eixo oco substancialmente tubular. Devido às cargas reduzidas no eixo, o eixo pode ser tubular, em vez de um eixo sólido convencional. Em outras modalidades da invenção, no entanto, um eixo sólido convencional pode ser usado.
[0021] Em algumas modalidades da invenção, a rigidez dos ditos elementos flexíveis pode ser adaptada. Nesse aspecto, a rigidez dos elementos pode ser ajustada (por exemplo, durante a manutenção) de acordo com as circunstâncias.
[0022] Em algumas modalidades da invenção, a rigidez de pelo menos um dos ditos elementos flexíveis é diferente da rigidez de pelo menos um outro dos ditos elementos flexíveis.
[0023] Em algumas modalidades da invenção, os ditos elementos flexíveis são elásticos. Em outras modalidades da invenção, os ditos elementos flexíveis são viscoelásticos. Os elementos flexíveis podem ser elásticos no sentido de que sua deformação é proporcional à carga aplicada. Eles podem também ser viscoelásticos no sentido de que eles exibem deformação dependente do tempo. Dependendo das vibrações que geralmente ocorrem na turbina eólica,aplicação de elástico, viscoelástico ou ainda outros elementos pode ser vantajosa.
[0024] Em algumas modalidades, cada um dos elementos flexíveis pode compreender uma câmara hidráulica. Preferivelmente nessas modalidades, os elementos compreendendo câmara hidráulica são conectados por um ou mais circuitos hidráulicos. Em modalidades preferidas, os elementos flexíveis que são comprimidos pelo torque do rotor da turbina eólica podem ser conectados a um circuito hidráulico comum, de modo que as cargas radiais sejam igualmente divididas entre várias longarinas e protuberâncias. Similarmente, os elementos flexíveis que estão sendo descomprimidos pelo torque do rotor da turbina eólica podem também ser conectados a um outro circuito hidráulico comum. Essa espécie de configuração permite a redução de cargas radiais transmitidas do cubo para o rotor do gerador o que pode ser causado, por exemplo, por desalinhamento radial dos eixos do rotor do gerador e rotor da turbina eólica.
[0025] Em algumas implementações, os circuitos hidráulicos dos elementos flexíveis podem ser ativamente controlados para influenciar, por exemplo, a própria frequência de torção do sistema de direção para as vibrações contrapostas usando amortecimento ativo ou podem reduzir picos de cargaatravés da liberação do fluido hidráulico de tais circuitos.
[0026] Em um outro aspecto, a invenção fornece um método de montagem de uma turbina eólica substancialmente como antes descrito, com-preendendo: montar o cubo na estrutura, fornecer o eixo do rotor na estrutura, montar a peça central no eixo do rotor, posicionar um primeiro elemento flexível entre uma primeira protuberância e um primeiro raio, aplicar pressão para comprimir o dito primeiro elemento flexível, e posicionar um segundo elemento flexível entre a dita primeira protuberância e um segundo raio ou entre uma segunda protuberância e o dito primeiro raio.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0027] Modalidades particulares da presente invenção serão descritas a seguir, somente a título de exemplos não limitantes, com referência aos desenhos em anexo, em que: A figura 1 ilustra uma turbina eólica da técnica anterior; a figura 2 ilustra esquematicamente uma primeira modalidade de turbina eólica de acordo com a presente invenção; a figura 3 ilustra esquematicamente uma outra modalidade de um acoplamento entre o cubo e o eixo do rotor de acordo com a presente invenção; a figura 4 ilustra esquematicamente uma modalidade adicional de um acoplamento entre o cubo e o eixo do rotor de acordo com a presente invenção; a figura 5 ilustra esquematicamente ainda uma outra modalidade de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção; as figuras 6a - 6d ilustram um método de montar elementos flexí- veis em um acoplamento de acordo com a presente invenção.
DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO
[0028] A figura 2 ilustra esquematicamente uma primeira modalidade de turbina eólica de acordo com a presente invenção. O cubo 10 é girato- riamente montado na estrutura 20. O cubo carrega uma pluralidade de pás (não mostrado) que pode ser montada no ajuste da base da lâmina 15. O cubo compreende um número de protuberâncias 14. Na modalidade particular mostrada na figura 2, seis protuberâncias foram fornecidas, mas dentro do escopo da invenção, esse número pode ser livremente variado.
[0029] Um eixo do rotor (não mostrado) pode ser fornecido na abertura central 31 da peça central 40. A peça central 40 pode, por conseguinte, ser montada no eixo do rotor através, por exemplo, de soldagem, conexão com parafusos, um ajuste de interferência ou ainda de outras maneiras. Nessa modalidade, seis raios se estendendo radialmente 44 são fornecidos na peça central 40, e doze elementos flexíveis 42 conectam os raios 44 para as protuberâncias 14.
[0030] A figura 3 ilustra um acoplamento alternativo do eixo do rotor ao cubo de acordo com a presente invenção. Uma peça central 40a é montada no eixo do rotor 30 através de um disco de encolhimento 45. O dito disco de encolhimento 45 é fornecido em torno de uma extensão tubular da dita peça central (não visível na figura 3) e é montado de modo a comprimir a dita extensão tubular e, desse modo, estabelecer um ajuste seguro. Seis raios 44, se estendendo substancialmente radiais, são fornecidos na dita peça central. Esses raios são fornecidos em pares. As aberturas 47 são criadas entre as extremidades distais dos pares de raios 44. As protuberâncias adequadas no cubo (não mostradas nessa figura) podem ser ajustadas nessas aberturas. Os elementos flexíveis 42 são fornecidos para conectar os raios 44 para essas protuberâncias do cubo. Nessa modalidade, os segmentos anulares 49 conec- tam pares de raios 44 uns aos outros. Esses segmentos anulares 49 podem servir para eventualmente distribuir as cargas. Os orifícios de acesso 48 foram fornecidos os quais facilitam a inspeção e a manutenção do cubo e de componentes fornecidos dentro do cubo. O sinal de referência 51 indica um elemento de fechamento que substancialmente fecha o eixo e pode proteger seu interior do ambiente.
[0031] A figura 4 ilustra ainda um outro acoplamento do eixo do rotor ao cubo de acordo com a presente invenção. Uma peça central 40b é montada no eixo do rotor 30 usando um disco de encolhimento 45. Se estendendo radialmente os raios 44 podem ser ajustados entre os pares de protuberâncias no cubo (não mostrado nessa figura). Os elementos flexíveis 42 conectam os três raios 44 aos pares de protuberâncias no cubo.
[0032] A figura 5 ilustra ainda uma modalidade adicional de uma turbina eólica de acordo com a presente invenção. Um cubo 10 é conectado a um eixo do rotor 30. O eixo do rotor 30 é conectado a um primeiro estágio de uma caixa de engrenagens. O sinal de referência 60 é usado para indicar essa conexão. Similarmente à modalidade da figura 3, uma peça central 40c carrega três pares de raios 44. Cada par de raios define um espaço entre eles. Cada protuberância 14 no cubo é conectada a tal par de raios usando elementos flexíveis 42. Uma diferença notável com a modalidade da figura 3 é que a peça central 40c não compreende segmentos anulares conectando os raios.
[0033] Na modalidade da figura 5, a peça central 40c é soldada no eixo 30. Para instalações e reparo, é importante que pelo menos uma da conexão do eixo com um estágio da caixa de engrenagens ou da conexão do eixo com a peça central seja removível. Na modalidade mostrada, por exemplo, o eixo compreende um flange que é parafusado ao primeiro estágio da caixa de engrenagens.
[0034] Em algumas modalidades, cada um dos elementos flexíveis descritos nas figuras de 2 - 5 compreende uma câmara hidráulica. Preferivelmente nessas modalidades, os elementos compreendendo uma câmara hidráulica são conectados por um ou mais circuitos hidráulicos. Essa espécie de configuração permite a redução de cargas radiais transmitidas do cubo para o rotor do gerador que pode ser causada, por exemplo, por desalinhamento radial dos eixos do rotor do gerador e do rotor da turbina eólica.
[0035] Em modalidades preferidas, os elementos flexíveis que são comprimidos pelo torque do rotor da turbina eólica podem ser conectados a um circuito hidráulico comum, de modo que as cargas radiais sejam igualmente divididas entre os vários raios. Similarmente, os elementos flexíveis que estão sendo descomprimidos pelo torque do rotor da turbina eólica também podem ser conectados a um outro circuito hidráulico comum.
[0036] As figuras 6a - 6d ilustram um método de montar elementos flexíveis em um acoplamento de acordo com a presente invenção. A figura 6a ilustra uma primeira etapa de tal método. Um elemento flexível 42 é posicionado entre uma primeira protuberância 14 e uma extremidade distal de um primeiro raio 44. Além do mais, ilustrados na figura 6a estão os orifícios de montagem 16 na protuberância 14 que servem para montar uma primeira ferramenta de montagem. Similarmente, um segundo raio 44' compreende tais orifícios de montagem 51.
[0037] A figura 6b ilustra uma etapa seguinte no processo de mon-tagem: o primeiro suporte de montagem 61 e o segundo suporte de montagem 62 são parafusados na primeira protuberância do cubo de rotor 14 e no segundo raio 44', respectivamente, usando os orifícios de montagem. Um pistão (hidráulico) 63 é fornecido entre esses suportes de montagem.
[0038] Subsequentemente acionando o pistão 63, da figura 6c, os suportes de montagem 61 e 62 podem ser empurrados para longe e o primeiro elemento flexível 42 é comprimido. A primeira protuberância do cubo de rotor 14 e o segundo raio 44'são, por isso, também empurrados para longe. Esse processo cria espaço suficiente para ajustar um segundo elemento flexível 42' no outro lado da protuberância 14 (atrás dos suportes de montagem), como indicado com uma seta na figura 6c.
[0039] O pistão pode subsequentemente ser liberado. O pistão 63 e os suportes de montagem 61 e 62 podem então ser removidos. Como um resultado desse processo, os elementos flexíveis 42 e 42'são pré-carregados entre as protuberâncias no cubo 14 e os raios 44, 44' na peça central (figura 6d).
[0040] O processo de montagem descrito pode ser realizado, um por um ou pode ser realizado por diversos elementos flexíveis ao mesmo tempo: um primeiro conjunto de elementos flexíveis é então montado, múltiplos suportes de montagem são montados e múltiplos pistões são subsequentemente acionados para comprimir o primeiro conjunto de elementos flexíveis.
[0041] O método de montagem dos elementos flexíveis como ilustrado nas figuras 6a - 6d, foi mostrado para uma configuração compreendendo uma pluralidade de protuberâncias no cubo, cada protuberância sendo localizada entre um par de raios (uma configuração similar como a mostrada, por exemplo, na figura 3). Estará claro, no entanto que um método similar pode ser usado quando montando os elementos flexíveis em outras modalidades da presente invenção, tais como, por exemplo, as modalidades mostradas na figura 2 (número igual de raios e protuberâncias) e figura 4 (cada raio posicionado entre um par de protuberâncias).
[0042] Além do mais, estará claro que as protuberâncias no cubo, os raios na peça central e os elementos flexíveis podem tomar muitas outras conformações adequadas do que as umas mostradas nas figuras. A seção transversal dos elementos flexíveis pode, por exemplo, ser circular, retangular, quadrada ou outras. As protuberâncias no cubo podem, por exemplo, ser subs- tancialmente de parede delgada como mostrado na figura 2, ou mais sólidas como mostrado na figura 5.
[0043] A presente invenção, além disso, não é limitada de qualquer maneira a espécies de mancais usados para montar o cubo na estrutura ou para montar o gerador na estrutura. Mancais de fluido adequados, particularmente mancais hidrodinâmicos ou hidrostáticos, podem ser empregados. Alternativamente, os mancais de elemento rolante adequados, tais como mancais de rolo, mancais de rolo de afunilamento duplo, ou mancais esféricos também podem ser usados. Os mancais podem ainda ser puramente mancais radiais ou mancais radiais e axiais.
[0044] A presente invenção, além do mais, não é limitada ao uso de uma caixa de engrenagens na turbina eólica. O mesmo acoplamento do cubo ao eixo pode ser usado, por exemplo, em uma configuração de acionamento direto.
[0045] Embora essa invenção tenha sido descrita no contexto de certas modalidades e exemplos preferidos, será entendido por aqueles versados na técnica que a presente invenção se estende além das modalidades especificamente descritas para outras modalidades alternativas e/ou usos da invenção e modificações óbvias e equivalentes dela. Por conseguinte, é pretendido que o escopo da presente invenção aqui descrita não deva ser limitado pelas modalidades particulares descritas antes, mas deve ser determinado somente por uma leitura justa das reivindicações que seguem.