ES2273609B1 - Sistema de transmision para turbinas eolicas. - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
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| EC2A | Search report published |
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| FG2A | Definitive protection |
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| FD2A | Announcement of lapse in spain |
Effective date: 20180912 |