ES2278530B1 - Turbina eolica con multiplicadora totalmente integrada. - Google Patents
Turbina eolica con multiplicadora totalmente integrada. Download PDFInfo
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Abstract
Tren de potencia para turbina eólica que comprende un buje (11) de rotor, un eje no rotativo (29) y que soporta el buje (11) por medio de dos cojinetes (31, 33) sometidos a fuerza radial unido, una multiplicadora (17) del tipo planetario de al menos una etapa, un eje de alta velocidad (19), un generador (20), y una estructura principal de soporte (21) en el que el buje (11) del rotor y la multiplicadora (17) tienen medios para acoplarse, de manera que el par motor se transfiera directamente a la multiplicadora (17) por medio del buje (11) del rotar, externamente al eje no rotativo (29). La unidad primaria de la multiplicadora está integrada en el conjunto mediante medios que permiten desmontarla con fines de mantenimiento.
Description
Turbina eólica con multiplicadora totalmente
integrada.
Esta invención se refiere a una turbina eólica
y, en particular, al tren de potencia de una turbina eólica.
En el pasado, se han sugerido diversos diseños
para la parte mecánica del tren de potencia de una turbina eólica.
A continuación figura la descripción de tres de ellos.
1. Solución tradicional de dos cojinetes. En
este diseño, el eje principal se apoya sobre dos cojinetes
sometidos a fuerza radial, lo cual significa que los momentos
asimétricos que el viento induce sobre el rotor, i.e. los momentos
de rotación y de orientación, se transfieren a la estructura
principal mediante un par de fuerzas radiales sobre los cojinetes.
El eje principal está sometido al par motor y al empuje, así como a
los momentos flectores debidos a los momentos asimétricos sobre el
rotor y al peso del mismo. En recientes solicitudes de patente,
tales como WO03031811 y US2003/0201647, se describe también un
mecanismo de acoplamiento en el cual el eje del rotor se apoya sobre
la góndola del aerogenerador mediante dos cojinetes.
2. Solución de un cojinete. En este diseño, el
buje del rotor está conectado directamente con la estructura
principal por medio de un cojinete principal sometido a momentos,
lo cual significa que no es necesario un eje principal de gran
longitud. La solicitud de patente WO02079644 describe una turbina
eólica de este tipo. La solicitud de patente WO04046582 describe en
particular una turbina en la cual la multiplicadora acopla
directamente con el buje del rotor, transmitiendo las fuerzas y
momentos generados por las palas a la góndola mediante cojinetes
situados en la multiplicadora.
3. Solución de eje no rotativo. En este diseño
el rotor está incorporado a la estructura principal mediante un eje
hueco no rotativo con dos cojinetes principales sometidos a fuerza
radial, transfiriéndose el par motor a la multiplicadora por medio
de un eje rotativo que está situado dentro del eje hueco no
rotativo. Con esta solución, los momentos asimétricos sobre el
rotor, el empuje y el peso del rotor se transfieren a la estructura
principal mediante el eje hueco no rotativo, lo cual significa que
el peso del rotor no contribuye a la carga de fatiga del eje
principal. La solicitud de patente WO9611338 y las patentes
US4527072, US05663600 describen turbinas eólicas de este tipo.
Ninguno de los trenes de potencia mencionados
resuelve de manera satisfactoria los requerimientos que presentan
las turbinas eólicas de alta potencia que la industria necesita.
Esta invención trata de satisfacer estas necesidades.
La presente invención proporciona un tren de
potencia para turbina eólica que comprende un buje del rotor, una
multiplicadora del tipo planetario de al menos una etapa, un eje de
alta velocidad, un generador y una estructura principal de soporte,
con las siguientes características:
a) comprende también un eje no rotativo unido a
la estructura principal y que soporta el buje del rotor por medio
de dos cojinetes sometidos a fuerza radial;
b) el buje del rotor y la multiplicadora tienen
medios para acoplarse, de manera que el par motor se transfiera
directamente a la multiplicadora por medio del buje del rotor.
Otras características y ventajas de la presente
invención se harán evidentes de la siguiente descripción detallada
de una realización ilustrativa pero no limitativa de su objeto, en
relación con las figuras que se acompañan.
La Figura 1 es una vista en sección transversal
de una primera realización de la turbina eólica según esta
invención.
La Figura 2 es una vista en sección de la
turbina eólica mostrada en la Fig. 1 a lo largo de la línea
A-A'.
La Figura 3 es una vista en sección transversal
de una segunda realización de la turbina eólica según esta
invención.
La Figura 4 es una vista en sección transversal
de una segunda realización de la turbina eólica según esta
invención.
Los componentes estructurales del tren de
potencia de una turbina eólica tradicional consisten en un buje del
rotor, un eje principal soportado por uno o dos cojinetes
principales y una multiplicadora que está conectada al generador por
medio del eje de alta velocidad, mientras que el alojamiento de la
multiplicadora está conectado a la estructura principal de la
turbina eólica. El propósito principal de estos componentes
estructurales es transferir el par motor generado por el rotor al
generador e incrementar la velocidad del eje, con objeto de
conseguir una velocidad de rotación del rotor del generador
adecuada. Un propósito secundario es transferir el peso del rotor,
el empuje y los momentos asimétricos sobre el rotor, es decir, los
momentos de rotación y de orientación, a la estructura principal, y
de ahí posteriormente a la torre y a la base.
Uno de los principales problemas a la hora de
aumentar el tamaño de una turbina eólica es que la disposición
principal de cojinetes se hace desproporcionadamente cara y
técnicamente compleja en relación a la solución tradicional de dos
cojinetes, así como en relación a la solución de un cojinete.
Igualmente, la solución de eje no rotativo presenta problemas cuando
se aumenta de escala, ya que la conexión entre el eje interior
rotativo y el buje se hace complicada.
El tren de potencia propuesto por esta invención
en la primera realización mostrada en las Figuras 1 y 2 resuelve
este problema, como se explicará a continuación.
El tren de potencia comprende un buje rotativo
11 de rotor al cual están conectadas una o más palas 13 por medio
de cojinetes 15, una multiplicadora 17 del tipo planetario que tiene
la unidad primaria en el alojamiento 47 y las otras posibles
unidades en el alojamiento 49, un eje de alta velocidad 19, un
generador 20 y una estructura principal de soporte 21.
Según la invención, el buje 11 de rotor
comprende un cuerpo de rodillo 23 para transferir el par motor a
los planetarios primarios 25 que están situados para tal propósito
con sus superficies externas por fuera de la estructura principal
21 a través de apropiados orificios 37 y el tren de potencia
comprende un eje no rotativo 29 conectado a la estructura principal
21 que soporta el buje 11 de rotor por medio de dos cojinetes 31,
33 sometidos a fuerza radial. En esta realización, el citado eje no
rotativo 29 tiene una forma exterior similar a la forma interior
del buje 11 de rotor, si bien el experto en la materia entenderá
fácilmente que estas formas pueden ser diferentes.
El eje no rotativo 29, al igual que el eje no
rotativo del diseño 3 de la técnica anterior, transfiere los
momentos asimétricos sobre el rotor, el empuje y el peso del rotor
a la estructura principal 21 a través de dos cojinetes principales
31, 33, sometidos a fuerza radial, mientras que el par motor se
transfiere directamente a la multiplicadora 17 por medio del buje
11 de rotor que está fuera del eje no rotativo, lo cual significa
que no es necesario un eje interior rotativo sometido a un par.
Una consecuencia importante de esta disposición
es que el peso del rotor no contribuye a la carga de fatiga sobre
el eje no rotativo 29. Además, se anticipa que el buje 11 de rotor
podría ser más ligero que el de las soluciones tradicionales con
empalme de bridas entre el buje y el eje principal, ya que el buje
11 de rotor se soporta en dos secciones. De hecho, las fuerzas de
tracción y de compresión sobre el pie de la pala se pueden
transferir casi directamente al eje no rotativo 29 a través de los
dos cojinetes principales 31, 33.
Con las soluciones tradicionales, la
multiplicadora tiene un cuerpo de rodillo fijo y un
portaplanetarios rotativo, mientras que los planetarios 25 en la
solución propuesta están fijados directamente a la estructura
principal 21 ya que el cuerpo de rodillo 23 gira con el buje 11 de
rotor. La relación de transmisión resultante del planetario
primario se hace así más pequeña (n en comparación con n+1 en las
multiplicadoras tradicionales, donde n es la relación entre los
diámetros del cuerpo de rodillo y de la rueda solar). Sin embargo,
la multiplicadora 17 según esta invención es más simple debido a la
ausencia de portaplanetarios.
En la segunda realización mostrada
esquemáticamente en la Figura 3, los componentes del tren de
potencia están dispuestos de tal manera que el planetario primario
se pueda desmontar por completo para su mantenimiento. El
alojamiento 47 y el cuerpo de rodillo 23 están atornillados a la
estructura. principal 21, al eje 29 no rotativo y al buje 11 a
través de las chapas 41, 43.
Se puede incluir un tercer cojinete (no
mostrado) entre el cuerpo de rodillo 23 y el alojamiento 47 del
planetario primario, que no interfiera con los planetarios, para
fijar el cuerpo de rodillo 23 durante la operación de desmontaje.
También se puede incluir un sistema de fijación especial (no
mostrado) a la estructura principal 21, con objeto de evitar la
utilización de una grúa muy grande para desmontar el rotor durante
la operación de desmontaje del planetario
primario.
primario.
En la tercera realización mostrada
esquemáticamente en la Figura 4, los componentes del tren de
potencia también están dispuestos de tal manera que el planetario
primario se pueda desmontar por completo para su mantenimiento
Mientras que en la segunda realización, el alojamiento 47 de la
unidad primaria de la multiplicadora 17 es situada enfrente del
rotor, en la tercera realización el alojamiento 47 está situado
detrás del buje 11 del rotor (desde el punto de vista de la
góndola). En este caso, el alojamiento 47 está fijado al eje no
rotativo 29 por medio de tornillos 53 y el cuerpo de rodillo 23
está fijado al buje 11 del rotor por medio de tornillos 51 y tiene
una cubierta externa 55 unida al cuerpo de rodillo 23 por medio de
tornillos 57.
Una ventaja de esta invención es que las
estructuras rotativas a baja velocidad con par motor y momentos
flectores relativamente grandes tienen grandes diámetros para
limitar las tensiones en el material, mientras que las estructuras
rotativas a alta velocidad con par motor relativamente pequeño
tienen diámetros más pequeños.
Otra ventaja de esta invención, en su primera y
segunda realización, es que el primario de la multiplicadora está
totalmente integrado en la estructura principal, lo cual significa
que esta unidad no tiene alojamiento separado, con lo que se reduce
el peso de la góndola completa.
Aunque la presente invención se ha descrito por
entero en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se
pueden introducir aquellas modificaciones que estén comprendidas en
el ámbito de la invención, no considerando como limitativas estas
realizaciones, según las reivindicaciones siguientes.
Claims (7)
1. Tren de potencia para turbina eólica que
comprende un buje (11) de rotor, una multiplicadora (17) del tipo
planetario de al menos una etapa, un eje de alta velocidad (19), un
generador (20) y una estructura principal de soporte (21),
caracterizado porque:
a) también comprende un eje no rotativo (29)
unido a la estructura principal (21) y que soporta el buje (11) del
rotor por medio de dos cojinetes (31, 33) sometidos a fuerza
radial;
b) el buje (11) del rotor y la multiplicadora
(17) tienen medios para acoplarse, de manera que el par motor se
transfiera directamente a la multiplicadora (17) por medio del buje
(11) del rotor, externamente al eje no rotativo (29).
2. Tren de potencia para turbina eólica según la
reivindicación 1, caracterizado porque el buje (11) de rotor
comprende un cuerpo de rodillo (23) para transferir el par motor a
los planetarios primarios (25) de la multiplicadora (17) que están
dispuestos para tal propósito con sus superficies externas por fuera
de la estructura principal (21).
3. Tren de potencia para turbina eólica según la
reivindicación 2, caracterizado porque la multiplicadora
(17) está estructurada con un primer alojamiento (47) que incluye
la unidad primaria y con un segundo alojamiento (49) que incluye
las otras posibles unidades.
4. Tren de potencia para turbina eólica según la
reivindicación 3, caracterizado porque el primer alojamiento
(17) está situado enfrente del buje (11) del rotor.
5. Tren de potencia para turbina eólica según la
reivindicación 4, caracterizado porque el primer alojamiento
(47) comprende uniones atornilladas a la estructura principal (21),
al eje no rotativo (29) y al buje (11) de rotor, de modo que la
unidad primaria se pueda desmontar con fines de mantenimiento.
6. Tren de potencia para turbina eólica según la
reivindicación 3, caracterizado porque el primer alojamiento
(17) está situado detrás del buje (11) del rotor.
7. Tren de potencia para turbina eólica según la
reivindicación 6, caracterizado porque el primer alojamiento
(47) está atornillado al eje no rotativo (29) y el cuerpo de
rodillo (23) está atornillado al buje (11) de rotor, de modo que la
unidad primaria se pueda desmontar con fines de mantenimiento.
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