BRPI0608467A2

BRPI0608467A2 - roda tensora em um sistema de rotor para turbinas eólicas e hidráulicas

Info

Publication number: BRPI0608467A2
Application number: BRPI0608467-2A
Authority: BR
Inventors: James G P Dehlsen; Matthew Brown
Original assignee: Clipper Windpower Technology
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2010-01-05
Also published as: MX2007011249A; ES2348252T3; KR20070116107A; DK1861619T3; EP1861619B1; PT1861619E; DE602006015927D1; ATE476599T1; CA2600007A1; EP1861619A2; CN101137842A; PL1861619T3; JP2008538597A; WO2006097836A3; NO20075122L; CN101137842B; WO2006097836A2; US20080253892A1

Abstract

RODA TENSORA EM UM SISTEMA DE ROTOR PARA TURBINAS EóLICAS E HIDRáULICAS. A presente invenção refere-se a um sistema de rotor para uma turbina de fluxo de fluido compreendendo um cubo montado em um eixo, uma pluralidade de pás de rotor e uma roda tensora, a roda tensora compreendendo uma estrutura de aro montada no cubo por uma pluralidade de raios. Cada pá de rotor é provida na estrutura de aro da roda tensora. A energia perdida na área do rotor circunscrito pela estrutura de aro da roda tensora é capturada pela aplicação de aerofólios, tais como pás ou velas aos raios da roda tensora ei ou uma seção interna das pás de rotor.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "RODA TEN-SORA EM UM SISTEMA DE ROTOR PARA TURBINAS EÓLICAS E HIDRÁULICAS".

Antecedentes da Invenção

1. Campo Técnico da Invenção

A presente invenção refere-se a um sistema de rotor para uma turbina de fluxo de fluido compreendendo um cubo montado em um eixo, e, uma pluralidade de pás de rotor".

2. Antecedentes da Técnica

Em uma turbina eólica de eixo horizontal típica, uma nacela é montada em uma torre vertical alta. A nacela aloja mecanismos de transmissão de força e o equipamento elétrico e suporta um sistema de rotor em uma extremidade. Os sistemas de rotor para turbinas eólicas de eixo horizontal ordinariamente incluem uma ou mais pás providas em um cubo de rotor emum eixo. O fluxo de vento gira o rotor, que gira o eixo na nacela. O eixo gira as engrenagens que transmitem o torque aos geradores elétricos. A nacela tipicamente gira em torno da torre vertical para tomar vantagem do vento que flui de qualquer direção. O giro em torno deste eixo vertical em resposta às mudanças na direção do vento é conhecido como guinada ou resposta à guinada e o eixo vertical é referido como o eixo da guinada. A medida que os movimentos do vento passam pelas pás com suficiente velocidade, o sistema de rotor gira e a turbina eólica converte a energia do vento em energia elétrica através dos geradores. As saídas elétricas dos geradores são conectadas à uma grade de força.

Os sistemas de rotor convencionais tendem a se mover em resposta às mudanças na direção do vento durante a operação de procura por uma posição de guinada apropriada relativa a uma nova direção do vento, mais do que rastrear tais mudanças em uma maneira estável. A direção do vento muda ou as rajadas de vento giram o sistema de rotor das turbinas eólicas típicas longe de uma posição de guinada apropriada e o sistema então procura por uma posição apropriada relativa à direção de vento média quando o vento transiente se dissipa. Os movimentos de procura instáveisresultam em vibração indesejável e estresse no sistema de rotor. A fadiga de pá e cubo de rotor e conseqüente falha da pá e cubo de rotor onde os mesmos se encontram está diretamente relacionada ao número de movimentos de procura e da velocidade com que eles ocorrem. Mudanças rápidas na guinada aumentam dramaticamente as forças que atuam contra as ínércias rotacionais do sistema de rotor todo, magnificando os momentos de flexão na raiz da pá onde se encontra e é provido no cubo de rotor. A vibração e estresse causam fadiga no cubo de rotor e raiz de pá, reduzindo deste modo a vida útil do equipamento bem como sua confiabilidade.

Um formato hemisférico, isto é, que tem um formato que se aproxima daquele da meia esfera delimitada por um grande circulo, é a geometria ideal para um componente altamente carregado tal como o cubo de uma turbina eólica ou hidráulica. Por tal razão, os cubos hemisféricos estão em uso comum. Todavia, o formato hemisférico é comprometido pela penetração de furos igualmente espaçados para acomodar cada uma das várias raízes da pá. Uma vez que estes furos removem alguma da resistência estrutural do cubo, o material restante do cubo torna-se mais altamente estressado. O tamanho, o peso e o custo do cubo são determinados pela razão dos furos de pás em relação ao diâmetro hemisférico. Os momentos de flexão da pá defletem o formato hemisférico, concentrando o estresse no material restante entre os furos de pá.

A medida que o tamanho do rotor da turbina eólica aumenta na faixa de tamanho de multimegawatts, a extensão da pá impõe exigências estruturais na extremidade da raiz da pá que adiciona peso que por sua vez impõe mesmo exigências estruturais maiores, o que no final limita as possibilidades da escalada da pá.

É, portanto, desejável limitar a extensão da pá para materiais e desenhos que proporcionam margens estruturais de som, porém aumentar o diâmetro do rotor, para prover uma área de varredura de rotor maior, resultando em captura de energia de vento maior.

É, também, desejável prover uma geometria de cubo do rotor que tem uma estrutura de som enquanto aumentando a área de varredurade rotor.

Sumário da Invenção

De acordo com os princípios desta invenção, um sistema de rotor para uma turbina de fluxo de fluido compreende um cubo montado em um eixo e uma pluralidade de pás de rotor e é caracterizado por uma roda tensora, a roda tensora compreendendo uma estrutura de aro montada no cubo por uma pluralidade de raios, as pás de rotor sendo providas na estrutura de aro da roda tensora.

Em uma concretização preferida, as pás de rotor são montadas no cubo e compreende uma seção interna entre o cubo e a estrutura de aro e uma seção externa fora da estrutura de aro. De preferência, não apenas a seção externa compreende pás mas também a seção interna compreende aerofólios, tais como pás ou velas para utilizar a energia do vento na área circunscrita pela estrutura de aro. Em uma concretização preferida também os raios compreendem aerofólios, tais como pás ou velas, para utilizar mais a energia do vento.

A invenção possui a vantagem de limitar a extensão da pá para materiais e desenhos que proporcionam as margens estruturais de som porém aumenta a área de varredura de rotor (diâmetro do rotor) pela substituição de um desenho de cubo convencional com uma construção de cubo de roda tensora com pás providas no aro da roda tensora.

Enquanto o aumento na área de varredura é realizada com pás de uma extensão, que satisfaça exigências estruturais apropriadas, faz-se também no custo de não utilização da energia do vento na área do rotor circunscrita pelo cubo de roda tensora. A energia perdida pode, todavia, ser capturada pela aplicação de aerofólios, tais como pás ou velas, aos raios da roda tensora ou pelas pás compreendendo uma seção de pá externa provida no aro da roda tensora e uma seção de pá interna entre o aro e o cubo.

Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 é uma vista de frente de um sistema de rotor e uma torre de topo bifurcado na qual a invenção da requerente é concretizada;

a figura 2 é uma vista lateral de um sistema de rotor mostrado nafigura 1 tendo trens acionadores simples;

a figura 3 é uma vista lateral de um sistema de rotor mostrado na figura 1 tendo um trem acionador simples;

a figura 4 é uma vista seccional transversal do cubo de roda e pá montados no aro de roda;

a figura 5 é uma vista seccional parcial do cubo de roda com velas ou pás montadas nos raios de roda;

a figura 6 é uma ilustração da captura de energia líquida (net) aproximada realizada pela extensão da varredura da área pelo rotor usando um cubo de roda tensora;

a figura 7 é uma vista esquemática em perspectiva do sistema de rotor mostrando em maiores detalhes a roda tensora;

a figura 8 mostra em maiores detalhes a montagem da pá na roda tensora e cubo;

a figura 9 mostra a montagem da pá interna no cubo;

a figura 10 mostra a montagem da pá externa na estrutura de aro da roda tensora; e

a figura 11 mostra em maiores detalhes a montagem da roda tensora no cubo e do cubo na torre.

Descrição Detalhada da Invenção

Referente à figura 1, que é uma vista de frente de um sistema de rotor e torre de topo bifurcada 1 em que a invenção da requerente é concretizada. O dispositivo gerador de força eólica inclui um gerador elétrico alojado em uma nacela de turbina 2, que é montada por uma seção de topo bifurcado 132, na base de uma guinada 102 em cima de uma estrutura de torre alta 104 ancorada no solo 105. A base de guinada de turbina 102 está livre para girar no plano horizontal de tal modo que se tende a permanecer no trajeto da corrente de vento prevalecente.

A turbina tem uma montagem de cubo de roda tensora 106 compreendendo uma roda tensora montada em um cubo 8. A roda tensora consiste em uma estrutura de aro 3 suportada por raios 7 providos no cubo 8. A estrutura de aro 3 (mostrada em maiores detalhes nas Figuras 4 e 5)compreende um aro interno 112 (ao qual os raios 7 são providos) e um aro externo 107. As pás principais 108 são providas no aro externo 107. As pás 108 giram em resposta à corrente de vento. Cada raiz de pá 122, 124, 126, 128, 130 é montada no aro externo da roda tensora 107. Cada uma das pás 108 pode ter uma seção de extensão da pá que é variável em extensão para prover um rotor de diâmetro variável e pode ser engrenada para mudar o passo.

A nacela 2 aloja mecanismos transmissores de força, equipamento elétrico e um eixo que suporta o rotor. O sistema de rotor mostrado na

Figura 1 possui cinco pás 108 providas no aro externo 107 do conjunto de cubo de roda tensora 106, que gira um eixo na nacela 2. O eixo gira as engrenagens que transmitem torque aos geradores elétricos. A nacela 2 gira em torno de um eixo vertical para tomar vantagem do vento que flui de qualquer direção. O giro em torno deste eixo vertical em resposta às mudanças na direção do vento é conhecido como guinada ou resposta a guinada e o eixo vertical é referido como o eixo da guinada. Quando os movimentos do vento passam as pás 108 com suficiente velocidade, o sistema de rotor gira e a turbina de vento converte a energia eólica em energia elétrica através dos geradores. As saídas elétricas dos geradores são conectadas a uma grade de força.

O diâmetro do rotor pode ser controlado para estender completamente o rotor na velocidade de fluxo baixo e retrair o rotor quando a velocidade de fluxo aumenta de tal modo que as cargas enviadas por ou exercidas no rotor não excedam os limites ajustados. A turbina é mantida pela estrutura de torre no trajeto da corrente de vento de tal modo que a turbina é mantida no lugar horizontalmente, em alinhamento com a corrente de vento. O gerador elétrico é acionado pela turbina para produzir eletricidade e é conectado aos cabos portadores de força interconectando às outras unidades e/ou à uma grade de força.

Referente à Figura 2, que é uma vista lateral do sistema de rotor mostrado na Figura I. Nesta concretização, a base de guinada 102 suporta uma torre de topo bifurcado tendo duas seções 132, 134 em cujo topo duasnacelas 136, 138 são providas.

Referente à Figura 3, que é uma vista lateral de um sistema de rotor alternativo que suporta apenas uma nacela 142. Nesta concretização, a base de guinada 102 suporta uma seção de torre única 140 em cujo topo a nacela 142 é provida.

Referente à Figura 4, que é uma vista seccional transversal do conjunto de cubo de roda tensora 106 ilustrando como a raiz da pá 130 é montada no aro externo da roda 107 usando um mancai de pá 131.

Referente à Figura 5, que é uma vista seccional parcial do cubo de roda com velas ou pás montadas nos raios da roda 7. Uma pá ou vela 150 é provida no raio 7 entre o aro interno 112 e o cubo 8, que é provido no eixo principal da nacela 2. O resultado nesta construção híbrida é que a e-nergia de vento perdida de outro modo na área circunscrita pelo aro de roda tensora 3 é capturada pela pá ou vela 150.

Será entendido por aqueles versados na técnica que as pás principais 108 podem ser estendidas parcial ou inteiramente na área circunscrita pelo aro de roda tensora 3 para capturar a energia eólica perdida na área circunscrita pelo aro de roda tensora. Se as pás principais 108 forem estendidas inteiramente para a área circunscrita pelo aro de roda tensora, elas podem ser providas em um cubo 8 apropriadamente dimensionado em uma maneira convencional. Se necessário, as pás 108 podem ser conifica-das nesta área a fim de acomodar os raios 7. As pás ou velas podem também ser empregadas nos raios 7 para preencher nas áreas restantes a vaga deixada pelas pás principais estendidas.

Nos desenhos híbridos descritos, a tensão no cubo 8 será muito menos que em um rotor convencional, possibilitando o uso de pás muito mais longos 108. Isto porque o desenho da estrutura da roda tensora de a-cordo com a presente invenção alivia a tensão no cubo 8. Será também entendido que na situação em que as pás 108 são estendidas para a área circunscrita pelo aro da roda tensora, o controle do passo para as pás principais 108 e pás/velas montadas no raio pode ser retido no cubo 8 como é convencional.Referente à Figura 6, que ilustra a captura de energia líquida aproximada realizada por estender a área varrida pelo rotor usando um cubo de roda tensora.

Referente às Figuras 7-11, que mostram o sistema de rotor compreendendo a roda tensora em maiores detalhes. A Figura 7 mostra o conjunto de cubo de roda tensora 106 montado em uma nacela 2 que é suportada pela torre 1. O conjunto de cubo de roda tensora 106 compreende uma estrutura de aro 3 suportada por uma pluralidade de raios 7 providos no cubo 8. As pás principais 108 são montadas no cubo 8 e providas na estrutura de aro 3 da roda tensora. As pás 108 são providas na estrutura de aro de roda tensora via um mecanismo de articulação que é mostrado em maiores detalhes na Figura 10. A seção interna 4 das pás 108 entre a estrutura de aro 3 e o cubo 8 compreende um aerofólio, em que um eixo de pá interno 10 (mostrado na Figura 8) prove um suporte estrutural para o aerofólio e prove suporte estrutural para as massas de rotor todo por permitir que o rotor seja suportado por ambos os meios raios inferiores - que atuam em tensão - e meios eixos de pá superiores que atuam em compressão quando a rotação ocorre. A roda tensora adicionalmente prove o suporte estrutural axial (condução ao atraso) entre as pás para reduzir as cargas oscilantes devido aos efeitos de gravidade sobre as pás em cada revolução que particularmente estressa a seção de raio da pá. Assim, a estrutura de roda tensora permite maior diâmetro de rotor em comparação às estruturas de pá/rotor convencionais não suportadas.

As seções externas 5 das pás 108 incluem o aerofólio fora da estrutura de aro da roda tensora 3. Ambas, a seção de pá interna 4 e a seção de pá externa 5, são aerofólios montados em uma longarina ou viga 10 estrutural comum que se estende do cubo 8 para próxima a extremidade da pá. O anel tensor proporciona um suporte estrutural para as pás para cargas de empuxo (vento da frente), cargas de condução ao atraso (efeito de gravidade sobre as pás) e cargas de empuxo negativo (raro caso em que o deslocamento de vento rápido impinge sobre o rotor por trás).

As pás 108 mostradas na Figura 7 podem ter uma seção externaretrátil 6. Além disso, as pás 108 podem operar com controle de passo de pá independente (IBPC). Os grandes rotores se beneficiam do IBPC devido a diferença usual na velocidade de vento, do topo do rotor para o fundo.

Os raios 7 que se estendem das diferentes posições axiais do cubo 8 para a estrutura do aro da roda tensora 3 servem para :

a) prover o suporte estrutural às pás 108 para cargas de empuxo a partir do vento,

b) deter a estrutura de aro 3 de se arquear quando as pás no plano de rotação flexionam (modalidade de condução ao retardo) pela manutenção de um arco rígido estrutural entre as pás, e

c) transmitir o torque das pás/aro ao cubo 8.

O cubo ou fuso 8 suporta o rotor e transmite o torque do rotor ao trem acionado e sistema gerador.

Os raios 7 compreendem raios posteriores 11 e raios dianteiros 12 (vide Figura 8). Os raios posteriores 11 resistem às cargas na direção de avanço e transmite as cargas torcionais provenientes das pás 108 e do aro 3 ao eixo de acionamento de fuso (cubo) da caixa de engrenagem que se conecta aos geradores. Os raios dianteiros 12 suportam a roda tensora e pás para resistir a carga de empuxo proveniente dos ventos. Estes raios 12 são também fixados na extremidade dianteira do fuso (ou cubo) em uma posição tangencialmente localizada no fuso. Isto possibilita que a rotação do aro seja transmitida através da tensão dos raios 12 para a força rotacional no fuso.

Como já mencionado, as pás 108 são suportadas por um suporte de pá externo 9 e um suporte de pá interno 13. O suporte de pá externo 9 é um mecanismo de articulação que fixa a pá à estrutura de aro 3 e prove:

a) para o passo da pá 108 a partir de uma posição de passo bandeira para a faixa completa de posições de operação (ângulos de ataque),

b) suporte estrutural para a pá 108 para possibilitar os diâmetros do rotor maiores do que é possível com as pás apenas fixadas no cubo 8 na raiz de pá, e

c) permite para massa do rotor ser suportada (junto com os raiosem tensão) pela transmissão da carga para os eixos 10. A seção de pá interna 4 compreende um eixo de pá interno 10 que é um membro estrutural que pode ser uma viga ou longarina ou alguma sua combinação quando se estende do cubo 8 ou fuso até o segmento externo 5 da pá 108. O eixo 10 prove o suporte estrutural para as superfícies de pá aerodinâmicas e as cargas encontradas pelas pás e rotor. O eixo 10 e as pás 108, 4, 5 podem ser girados ao longo do eixo da pá para prover um passo aerodinâmico da pá 108,

Os suportes de pá internos 13 suportam a pá 108 na flexão e carga axial e combinam com os eixos de pá 10 e suporte de pá externo 9 e raios 7 para suportar a massa do rotor. Um acionador de passo da pá 14 é montado no fuso (ou cubo 8) e serve para girar as pás em passo, como a-cionado pelo motor de passo das pás 15.

Figura 10 mostra o suporte de pás externo 9 em maiores detalhes. Na sua extremidade externa, a seção de pá interna 4 compreende uma junção de longarina 20 que é a combinação da viga estrutural que conecta as seções de pá interna e externa 4, 5. A estrutura de aro 3 da roda tensora compreende um suporte de mancai 19 e um mancai 18. A seção interna 4 e a seção externa 5 cada qual compreende um retardo 17 para receber um eixo 16 para fixar a seção interna 4 e a seção externa 5 da pá na estrutura de aro 3.

A figura 11 mostra o suporte de roda em maiores detalhes. Um mancai principal dianteiro 21 e um mancai principal traseiro 22 suportam o eixo principal do trem acionador que se conecta ao fuso do rotor e transfere o momento e as cargas de empuxo do rotor à base da máquina 25 e o forque proveniente do rotor através da caixa de engrenagem aos geradores 23.

Na figura 8 é esquematicamente mostrada uma carenagem aerodinâmica 24 para os raios 7 que são providos para reduzir o arrasto dos raios 7.

A invenção foi mostrada e descrita com referência à uma turbina eólica montada no alto de uma torre na base terrestre, e aqueles versados na técnica compreenderão que a invenção é também aplicável às turbinassubaquáticas em que a turbina é amarrada sob água e as pás são giradas pelas forças da corrente de água.

Embora a invenção tenha sido particularmente mostrada e descrita com referência às suas concretizações preferidas, será entendido por aqueles versados na técnica que o acima e outras mudanças na forma e detalhes podem ser realizadas aí, sem se distanciar do escopo da invenção.

Claims

1. Sistema de rotor para uma turbina de fluxo de fluido compreendendo:um cubo (8) montado em um eixo, e uma pluralidade de pás de rotor (108), caracterizado por uma roda tensora, a roda tensora compreendendo uma estrutura de aro (3) montada no cubo (8) por uma pluralidade de raios (7), as pás de rotor (108) sendo providas na estrutura de aro (3) da roda tensora.

2. Sistema de rotor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que os raios (7) compreendem aerofólio, tais como pás ou velas,para utilizar a energia eólica na área circunscrita pela estrutura de aro (3).

3. Sistema de rotor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado em que as pás de rotor são providas no cubo e compreendem uma seção interna (4) entre o cubo (8) e a estrutura de aro (3) e uma seção externa (5) fora da estrutura de aro (3).

4. Sistema de rotor de acordo com a reivindicação 3, em que as seções internas das pás de rotor compreendem aerofólios.

5. Sistema de rotor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado em que a estrutura de aro (3) compreende um aro externo (107) e um aro interno (112) interconectados entre si, em que as pás de rotor (108) são montadas no aro externo (107) e os raios são providos no aro interno (112).