ES2273609A1 - Sistema de transmision para turbinas eolicas. - Google Patents

Abstract

Sistema de transmisión de la energía mecánica de las palas de un aerogenerador a la base de la torre, donde se emplaza un generador para su conversión en energía eléctrica. Dicho sistema de transmisión para turbinas eólicas está constituido por dos ejes concéntricos divididos en una o más secciones que atraviesan la torre longitudinalmente y que llevan acoplados en sus extremos un conjunto de engranajes cónicos con conexiones de ranuras deslizantes para la transmisión del movimiento y una junta Cardan para permitir ligeros desalineamientos entre dichas secciones. La torre del aerogenerador es equipada con una pluralidad de cojinetes concéntricos para evitar el desplazamiento radial de dichos ejes verticales.

Description

Sistema de transmisión para turbinas eólicas.

Objeto de la invención

La presente invención viene relacionada con el campo de las turbinas eólicas y, especialmente, con la transmisión que conecta el conjunto del rotor de la turbina eólica a una o más cargas, tales como generadores eléctricos, bombas, compresores, etc.

Antecedentes de la invención

En general, se tiende a aumentar la capacidad de producción de energía eléctrica de las turbinas eólicas para aprovechar mejor la energía producida por el viento. La mejor utilización de los terrenos disponibles para el emplazamiento de turbinas eólicas es un factor decisivo, al igual que las velocidades inferiores de arranque requeridas para la producción de energía eléctrica con vientos muy débiles. Para ello se necesitan diámetros de rotores de turbinas, multiplicadoras, generadores y equipos auxiliares muy grandes. Por todo esto, será impracticable colocar todos los equipos mencionados en lo alto de la torre. Para una turbina eólica de 10 megavatios se considera que el propio peso de la multiplicadora sería de varios cientos de toneladas, siendo el generador y el transformador del mismo orden. Si la multiplicadora principal, el generador y el transformador se sitúan al nivel del suelo y se accionan mediante ejes verticales a lo largo de la torre, la instalación inicial se simplificará lo que reducirá tiempo y costes. De manera adicional, tal y como se puede apreciar en esta invención, si se divide la energía generada por una gran turbina eólica entre varios generadores más pequeños, se podrá seguir produciendo energía eléctrica en el caso de que uno de los generadores se desconecte para su reparación o mantenimiento, lo que reduciría los efectos que pudiera provocar un gran generador al desconectarse de la red. Además, para la rotación se pueden acoplar dos conjuntos de rotor bipala, preferentemente de dos palas cada uno, a un eje principal común. El tamaño total de cada uno de estos rotores será menor que el de un rotor único que tenga una potencia de trabajo equivalente. Esto simplificará aún más la construcción y el montaje de la turbina eólica.

Descripción de la invención

La presente invención proporciona un sistema en el que un grupo motor de energía eólica de grandes dimensiones, situado en el extremo superior de una torre, transmite una potencia mecánica a una estación de generación situada en la base de la torre, pudiéndose instalar en dicha estación más de un generador. Dos engranajes cónicos fijados al eje principal del rotor de la turbina eólica, situados uno frente al otro, engranan con dos piñones cónicos fijados, para la rotación, a dos ejes verticales concéntricos independientes. Al girar el rotor principal en un sentido, los dos ejes verticales giran con sentidos opuestos accionando otros dos engranajes cónicos en la base de la torre. Estos a su vez, engranan dos piñones cónicos situados uno frente al otro y fijados para la rotación hacia un eje de salida horizontal. De esta forma, la rotación opuesta de los dos ejes concéntricos verticales se recombina para accionar conjuntamente la salida del eje. Esta disposición proporciona dos caminos para la transmisión de la energía mecánica desde el rotor principal de la turbina hasta la base de la torre, reduciendo así la carga que tienen que soportar los engranajes y los ejes. El eje de salida se puede conectar a una carga en cada uno de sus extremos si se accionan, por ejemplo, dos generadores de manera conjunta. Ambos pares de juegos de engranaje cónico, necesarios para el accionamiento vertical, pueden proporcionar unos índices de incremento de velocidad que simplifican la construcción de la multiplicadora que acciona el generador, en caso de necesitarse una. El peso estimado del sistema de engranajes cónicos en el extremo superior de la torre se sitúa en el orden de docenas de toneladas. El terreno en la base de la torre puede soportar, en su totalidad o parcialmente, el peso de los ejes verticales, que se sitúa en el mismo orden que el de los engranajes cónicos. Se debe enfatizar que, de esta forma, se simplifica la instalación de la góndola en la parte superior de la torre y la instalación de la estación generadora de energía eléctrica en la base de la torre, pudiendo ser ésta de construcción modular o montada en obra.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista en corte de la turbina eólica que muestra los juegos de engranajes cónicos, los conjuntos discontinuos de los ejes verticales y las cargas accionadas de acuerdo con una realización de esta invención.

La figura 2 es una vista parcial en perspectiva de la junta Cardan de tipo anillo para el eje vertical concéntrico exterior.

La figura 3 es una vista en corte de la turbina eólica mostrando los conjuntos continuos de los ejes verticales de acuerdo con otra representación de esta invención.

La figura 4 es una vista frontal parcial de un conjunto de rotor con palas de acuerdo con una representación de esta invención.

Descripción detallada de la invención

En referencia a las figuras 1 y 2 adjuntas, un conjunto de rotor R compuesto de, al menos, una pala A, se acopla de forma rotatoria a un eje principal H. Este eje principal viene soportado durante la rotación por los cojinetes S, que a su vez se apoyan en la estructura principal de la góndola. Los engranajes G1 y G11 están acoplados de forma rotatoria al eje principal H. Dichos engranajes se encajan en otro par, G2 y G22, formando dos juegos de engranajes cónicos. El ángulo \gamma, definido por los ejes de los juegos de engranajes, puede ser de 90º o diferente, para dar la inclinación adecuada al eje del rotor R relativo a la torre W. Los ángulos de cono \alpha1 y \alpha2 definen los índices de los juegos de engranajes G1-G11 y G2-G22. El valor numérico de estos índices puede ser igual a uno o no y pueden ser iguales o no. Preferentemente serán índices de multiplicación, de tal forma que las velocidades de rotación de los correspondientes engranajes G2 y G22 serán mayores que la velocidad de rotación \Omega del eje principal H.

Los engranajes G2 y G22 se encuentran acoplados de manera rotativa a los correspondientes ejes concéntricos verticales I1 e I2. Los cojinetes X soportan radialmente dichos engranajes destinados a la rotación concéntrica y pueden o no soportar su peso; por otro lado, pueden o no soportar el peso de los conjuntos de ejes verticales I1 e I2 unidos a ellos. Dichos ejes verticales I1 e I2 pueden o no descender hasta la base de la torre a lo largo de toda su longitud. Todo el conjunto de la góndola descansa sobre una superficie Z en la parte superior de la torre y se puede girar para alinearse con el viento mediante un mecanismo de control de orientación, que no se muestra para simplificar.

En cuanto a la Figura 3, en una primera realización de esta invención, los ejes verticales I1 e I2 se extienden hasta el fondo de la torre. El peso de dichos ejes I1 e I2 puede ir soportado mediante cojinetes X en la parte superior de la torre o mediante cojinetes Y en la base de la torre. Los diámetros de dichos ejes pueden ser constantes o no, siendo el eje exterior I1 necesariamente hueco y el interior I2 macizo o hueco en toda su longitud o en parte de ella.

Para sustentar radialmente dichos ejes a lo largo de sus longitudes y para controlar el movimiento lateral y las sacudidas de los ejes que pudiera haber, se pueden colocar uno o varios cojinetes P1 y P2 a lo largo de la longitud de los ejes. La sujeción de dichos cojinetes se realiza mediante refuerzos Z que se extienden en el interior de la torre W.

Para poder permitir las diferencias de crecimiento en sentido longitudinal de la torre W y de los ejes I1 e I2 debido a diferencias de temperatura u otras causas, se han instalado conexiones de ranura deslizante C1 y C2 entre los ejes I1 e I2 y sus correspondientes engranajes G2' y G22' respectivamente. Asimismo, las conexiones de ranura deslizante entre dichos ejes y los correspondientes engranajes G2 y G22 se pueden situar en el extremo superior de la torre. Estas no se muestran en la figura para simplificar. Dichas ranuras deslizantes pueden situarse en el fondo de la torre ya sea de forma adicional o en sustitución de C1 y C2. El peso de cada uno de los ejes verticales mencionados se puede soportar mediante los cojinetes X en el extremo superior de la torre, mediante los cojinetes Y en el fondo de la torre, mediante los cojinetes intermedios P1 y P2 situados a lo largo de la torre o mediante una combinación de todos ellos. Se puede proporcionar o no una pluralidad de aperturas F a lo largo de la longitud de las secciones huecas de dichos ejes verticales para tareas de inspección y mantenimiento. La construcción de dichos ejes verticales se puede realizar mediante soldaduras en secciones de longitud adecuadas o mediante uniones con pernos. Se puede proporcionar o no una pluralidad de bridas y uniones con pernos K a lo largo de la longitud de los ejes verticales I1 e I2, a intervalos convenientes, para facilitar la construcción.

En referencia a la parte superior de la Figura 3, la fuerza aerodinámica del viento en las palas A acciona el conjunto rotor R haciéndolo girar en el sentido de la velocidad de rotación \Omega que, a su vez, acciona el eje principal H acoplado de forma rotativa a dicho rotor. Se puede interponer o no una multiplicadora T entre el eje principal H y la extensión del eje principal H1 para aumentar la velocidad de rotación del eje con respecto a la velocidad del eje de dicho rotor R. Los engranajes G1 y G11 se accionan de manera rotativa mediante el eje H1 y se encajan en los correspondientes engranajes cónicos de acoplamiento G2 y G22 que giran en sentido opuesto uno respecto al otro a velocidades determinadas por los ángulos cónicos \alpha1 y \alpha2 de sus superficies cónicas. El valor del ángulo \gamma, subyacido por el eje principal H1 y los ejes verticales I1 e I2, determina la inclinación del eje del rotor H respecto al plano horizontal. Las velocidades de rotación de dichos ejes vienen representadas por los vectores curvos \omega1 y \omega2, que preferentemente son iguales y de sentido opuesto o que pueden ser diferentes y de sentido opuesto. La rotación de dichos ejes verticales se recombina en el fondo de la torre mediante los juegos de engranajes cónicos G2'-G1' y G22''-G11' de manera que las velocidades de salida de los engranajes G1' y G11' tengan velocidades de rotación idénticas. Los engranajes G1' y G11' están fijados de manera rotativa al eje D. Por tanto, la carga, como el generador L, se acciona conjuntamente mediante los engranajes G1' y G11'. Se puede conseguir un incremento posterior de la velocidad de rotación interponiendo una multiplicadora M entre el eje D y el generador L. Preferentemente, el par de ángulos cónicos \alpha1 y \alpha2 en el extremo superior de la torre serán iguales entre sí y lo mismo para el par correspondiente \alpha1' y \alpha2' en el fondo de la torre. Es posible conectar a otra carga una extensión D1 del eje de salida D, como un generador, bomba o compresor. Además, se pueden conectar más engranajes a G2' o G22' para accionar ejes adicionales conectados a otras cargas. Estos ejes y las cargas conectadas se dispondrían en el fondo de la torre formando una circunferencia alrededor de la línea central de dichos ejes verticales. Esto no se muestra en las figuras para simplificar.

En cuanto a la Figura 4, se pueden conectar palas B adicionales y un conjunto de rotor Q al eje principal H1 en el extremo opuesto, tal y como muestran las figuras 1 y 2. Los conjuntos de rotor R y Q pueden tener cualquier número de palas A y B, preferentemente dos en cada conjunto. Las palas A y B giran necesariamente en el mismo sentido, a la misma velocidad y mantienen entre ellas la misma posición angular constante, determinada por el ángulo \alpha. Los diámetros máximos de los conjuntos de palas A y B pueden o no ser los mismos, siendo preferente un diámetro del conjunto a sotavento, que es B en este caso, mayor que el de A a barlovento. La posición angular de dichos conjuntos de palas relativa entre los propios conjuntos e indicada por el ángulo \alpha se selecciona de tal forma que se optimicen los efectos aerodinámicos que tiene el viento sobre el conjunto B a sotavento después de atravesar el conjunto de palas A.

En cuanto a la Figura 1, en una segunda realización de esta invención, los ejes verticales I1 e I2 no se extienden hasta la base de la torre sino que se interrumpen y sus extremos acaban con ranuras deslizantes C2 y C1 a una distancia conveniente del extremo superior de la torre. Entre dichas ranuras deslizantes y el fondo de la torre se interpone una pluralidad de conjuntos de ejes I11 e I22 y como mínimo uno. Dichos conjuntos de ejes I11 e I22 pueden o no incorporar juntas Cardan J y J1. La junta Cardan J del eje interno I22 es de construcción estándar, mientras que la junta Cardan J1 del eje externo I11 es de construcción con anillo y pasador, tal y como se indica en la Figura 2. El anillo E transmite el par de los pasadores N conectados a un extremo del eje I11 a los pasadores N1 del otro lado de la unión. La libre rotación alrededor de los cuatro pasadores se asegura mediante cojinetes radiales U. Dos juegos de cojinetes radiales P1' y P2' controlan el movimiento radial de la sección inferior del eje de cada unión Cardan J1.

Es necesario que se entienda que esta descripción es una mera ilustración de las realizaciones preferentes para esta invención sin intención de limitar las consideraciones de detalle del diseño, la geometría, el tamaño o las proporciones.

Claims (5)

1. Sistema de transmisión para una turbina eólica que posee un conjunto de rotor con palas para convertir la energía mecánica de alto par y baja velocidad, generada en la parte superior de la torre, en una energía mecánica de mayor velocidad y menor par para accionar una carga en la base de dicha torre, caracterizado porque consiste en:

un eje principal unido a dicho conjunto de rotor con palas, cojinetes principales para soporte de dicho eje principal y dos engranajes cónicos rotativos encajados en el eje principal separados a una distancia predeterminada y colocados uno frente al otro;

un primer engranaje de piñón cónico que encaja en el primer engranaje cónico de dicho par de engranajes cónicos y un primer eje vertical acoplado para producir movimiento rotativo al primer piñón de engranaje cónico descendiendo verticalmente por dentro de la torre;

un segundo engranaje de piñón cónico engranado con el segundo engranaje cónico del mencionado par de engranajes cónicos, un segundo eje vertical acoplado para producir movimiento rotativo al segundo engranaje de piñón cónico y que desciende verticalmente;

un tercer engranaje cónico fijado para producir movimiento rotativo al primer eje vertical en su extremo inferior en la base de la mencionada torre, un tercer engranaje de piñón cónico que encaje en el tercer engranaje cónico;

un cuarto engranaje cónico acoplado para producir movimiento rotativo a dicho segundo eje vertical en su extremo inferior yen la base de dicha torre, un cuarto engranaje de piñón cónico que encaje en el cuarto engranaje cónico y en el eje del cono primitivo, substancialmente concéntrico al anterior tercer engranaje de piñón cónico;

un primer juego de cojinetes para soportar el peso, controlarla rotación o ambas cosas de los conjuntos primero y segundo de ejes verticales convenientemente situados en el extremo superior de dicha torre;

un segundo juego de cojinetes para soportar el peso, controlar la rotación o ambas cosas de los conjuntos primero y segundo de ejes verticales convenientemente situados en la base de dicha torre;

un eje de salida acoplado para producir movimiento rotativo con el tercer y cuarto engranajes de piñón cónico en la base de la torre, un juego de cojinetes convenientemente situado para proporcionar un soporte eficiente de dicho conjunto de eje de salida y una conexión de un extremo de dicho eje de salida con una primera carga para producir movimiento rotativo (un generador eléctrico);

una conexión adicional para la rotación del otro extremo de dicho eje de salida para accionar una segunda carga (un generador eléctrico);

y por último, una conexión de ranura deslizante para producir movimiento rotativo situada entre el primer y el segundo engranaje de piñón cónico y el primer y segundo eje vertical respectivamente en el extremo superior de la torre, o en la que existe una conexión de ranura deslizante para producir movimiento rotativo entre el tercer y cuarto engranaje de piñón cónico y el primero y segundo eje vertical, o ambos.

2. Sistema de transmisión según la reivindicación primera en la que una pluralidad de juegos de cojinetes concéntricos con dichos ejes verticales están dispuestos a lo largo de la altura de la torre para controlar el desplazamiento radial de dichos ejes verticales.

3. Sistema de transmisión según la reivindicaciones anteriores en la que dichos conjuntos de eje vertical concéntricos están compuestos por una pluralidad de secciones de eje con conexiones de ranura deslizante en cada extremo y equipado con una junta Cardan en cada una de dichas secciones concéntricas de los ejes para permitir el cumplimiento adicional en el desalineamiento de dichos conjuntos de ejes verticales que transmiten el par.

4. Sistema de transmisión según la reivindicaciones anteriores en la cual una pluralidad de engranajes de piñón cónico y los correspondientes ejes acoplados están dispuestos engranados, ya sea con uno del tercer y cuarto engranaje cónico o con el tercer y cuarto engranaje de piñón cónico colocados radialmente alrededor de la línea central del primer y segundo ejes verticales en el extremo inferior de la torre, accionando cargas auxiliares adicionales.

5. Sistema de transmisión según la reivindicaciones anteriores en la que otro conjunto de rotor con palas está conectado para producir movimiento rotativo al otro extremo de dicho eje principal para una recuperación adicional de energía eólica.