ES2296821T3 - Generador eolico. - Google Patents
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Abstract
Central eólica con una turbina eólica que comprende un eje de la turbina rotativo (8) y un eje del generador (22), que puede ser una prolongación del eje de la turbina (8), y que está conectado al rotor (12) de un generador eléctrico (11), en la que el rotor (12) está rodeado radialmente por un estator (19), el eje de la turbina (8) está apoyado sobre dos cajas de cojinete (6, 7) con cojinetes (9, 10) dispuestas sobre una base (4) situada en la parte superior de una torre (1), y el eje del generador (22) está integrado con el eje de la turbina rotativo (8) o está conectado rígidamente al mismo, para flexionar con el eje de la turbina bajo la acción de momentos flectores que actúan sobre el eje de la turbina desde su cubo, caracterizado por que el estator (19) y el rotor (12) están soportados por el eje de la turbina/generador rotativo (22, 8), para permitir que el generador (11) siga al movimiento flector del eje de la turbina (8) y el estator (19) está bloqueado contra el giro mediante unacoplamiento no rotativo (20) que sustancialmente no transfiere momento flector o fuerza axial que actúe contra la flexión del eje de la turbina (8), estando provistos los cojinetes (9, 10) de modo que permitan la flexión del eje de la turbina (8).
Description
Generador eólico.
La invención se refiere a una central eólica
según la introducción de la reivindicación 1.
Un reto técnico importante en el diseño y
desarrollo de centrales eólicas radica en asegurar que el momento
flector que actúa sobre el cubo de la turbina desde los álabes no
genere deformaciones que dañen la estructura restante. Esto se
refiere particularmente a deformaciones que pueden influir sobre el
entrehierro entre el rotor y el estator cuando el eje de la turbina
soporta un generador eléctrico sin ninguna caja de velocidades
intermedia, o a deformaciones que someten a esfuerzos a los
engranajes de la caja de velocidades y que reducen la vida útil
cuando se emplea una caja de velocidades entre el eje de la turbina
y el generador.
Se conoce la turbina eólica que acciona a un
generador dispuesto en la parte superior de una columna o torre.
Una solución consiste en conectar el cubo de la turbina eólica
directamente al rotor. El rotor está soportado, a su vez, por una
base conectada a la parte superior de la torre, y el estator está
soportado por la base sin realizar ningún esfuerzo para coordinar
los movimientos del rotor y del estator. La experiencia demuestra
que este diseño no proporciona el control necesario del entrehierro
entre el rotor y el estator cuando el cubo de la turbina eólica
ejerce el esfuerzo del momento flector sobre el eje de la turbina.
Asimismo, no puede dejarse listo para su uso antes de proceder al
montaje. Otra solución se propone en la publicación de patente
alemana 4402184 A1, en la que el cubo de la turbina eólica está
conectado directamente al rotor del generador sin ninguna caja de
velocidades intercalada y en la que el rotor y el estator están
conectados a través de dos cojinetes que proporcionan un movimiento
coordinado. Esta solución permite el montaje previo del generador
en fábrica como una unidad completa, y analizarse previamente a su
montaje en el emplazamiento definitivo.
Los cálculos ponen de manifiesto que este diseño
tampoco proporcionará un entrehierro constante deseable cuando la
turbina eólica supera un cierto tamaño en potencia y peso, sin hacer
innecesariamente grandes las dimensiones de la base de soporte.
Se ha propuesto también disponer el generador en
el lado opuesto de la turbina eólica en relación con la parte
superior de la torre y conectar la turbina eólica al generador a
través de un eje de turbina entre el cubo y el rotor del generador,
o bien con una conexión rígida o bien mediante un acoplamiento que
no transfiere ningún momento flector, y sin una caja de velocidades
intermedia,- y en que el eje de la turbina y el generador se apoyan
con cojinete sobre un soporte con dos o más cojinetes integrados en
el soporte. La finalidad de este soporte es reducir la flexión que
actúa sobre la parte del eje colindante con el generador forzando al
eje a través de fuerzas de reacción radiales del cojinete, para que
vuelva a la posición neutra relativa a la flexión del eje sin este
soporte, para obtener un entrehierro lo mas estrecho posible entre
el rotor y el estator. Con esta solución, los cojinetes están
sometidos a elevadas fuerzas de apoyo, y además, el diseño requiere
una base muy rígida para poder soportar la fuerza de apoyo
aumentada.
El documento WO 0159296 proporciona una
disposición de central eólica en la que el estator (3) está fijado
a un eje no rotativo (15). El eje (15) no gira ya que está conectado
a un soporte (4). Un cubo de la turbina (12) presenta un
dispositivo de conexión (14) que lo acopla al rotor sin transmisión
simultánea del momento flector, o si la hay, es insignificante.
Cuando la parte del eje (16) está sometida a flexión, el momento
flector que se origina no se transmitirá al rotor (6), por tanto, el
rotor (6) no se verá sometido a ninguna deformación que provoque
daños. Esta técnica anterior no está relacionada con una central
eólica en la que el generador puede moverse libremente
conjuntamente con el eje de la turbina en todas las direcciones de
la fuerza salvo para la dirección del par del eje de la turbina.
Esta técnica anterior no contempla que el estator y el rotor estén
soportados por el eje de turbina/generador rotativo para permitir
que el generador siga al movimiento flector del eje de la turbina
con una mínima transferencia de fuerza entre los respectivos ejes en
todas las direcciones salvo en la dirección del par.
El principal objetivo de la invención es
proporcionar una central eólica en la que, durante su
funcionamiento, el rotor y el estator mantengan la distancia entre
sí (entrehierro), independientemente de la flexión del eje de la
turbina debida al momento flector que actúa en el cubo de la turbina
eólica en los casos en los que el eje de la turbina está conectado
directamente al generador. En las formas de realización en las que
está dispuesta una caja de velocidades entre el eje de la turbina y
el generador, la invención ha de liberar la caja de velocidades de
fuerzas no esperadas, que pueden reducir la vida útil con respecto a
la que sería normal.
La presente invención se describe en la
reivindicación de patente 1. Ésta puede realizarse en diferentes
modos y diseños, que se pueden adaptar a diversos tamaños de
turbinas eólicas y diferentes diseños de generador.
La presente invención se refiere al apoyo sobre
cojinetes del eje de la turbina en una central eólica accionada por
una turbina eólica en un extremo del eje, y en la que un generador
eléctrico está conectado al eje o bien en el lado de fuera respecto
a las dos cajas de cojinete, o bien entre una caja de cojinete
encarada a la turbina eólica y una caja de cojinete posterior, para
reducir el efecto del momento flector que actúa sobre el eje,
debido a las fuerzas que actúan sobre el cubo de la turbina eólica,
sobre el entrehierro entre el rotor y el estator del generador,
utilizando un apoyo sobre cojinetes según la reivindicación de
patente 1.
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Esto proporciona una combinación ventajosa de
estructura simple y características de apoyo favorables, que
contribuye a mantener el entrehierro entre el rotor y el estator del
generador tan pequeño y constante como sea posible durante el
funcionamiento de la central eólica, y sin someter a solicitaciones
excesivas a los cojinetes, debidas a las fuerzas creadas por el
momento flector que actúa sobre el cubo.
Esto permite una transferencia del par desde el
eje de la turbina al rotor, y desde el rotor, a través del campo
eléctrico, al estator y, a través de un acoplamiento no rotativo, a
una o a las dos cajas de cojinete, o directamente a la base.
Otras características ventajosas se describen en
las reivindicaciones 2 a 10.
Al utilizar una caja de velocidades interpuesta
entre el eje de la turbina y el generador, la invención permite una
conexión directa del eje de entrada de la caja de velocidades con el
eje de la turbina, que lleva entonces la caja de velocidades que a
su vez lleva una base del generador que soporta al generador, y en
la que el rotor del generador está conectado al eje de salida de la
caja de velocidades, con un acoplamiento rígido o elástico. La
transferencia del par desde el rotor al estator, y desde allí a la
base se realizará también en este caso mediante el acoplamiento no
rotativo que se describirá para el generador accionado
directamente.
La invención se describe a continuación haciendo
referencia a los dibujos en los que:
La figura 1 ilustra una sección vertical de una
forma de realización con un apoyo sobre cojinete del estator sobre
el eje en los dos lados,
la figura 2 ilustra una sección vertical de una
forma de realización con un apoyo sobre cojinete del estator sobre
el eje en un solo lado,
la figura 3 ilustra una sección vertical de una
tercera forma de realización con un apoyo sobre cojinete del
estator en los dos lados, que está soportado por el eje,
la figura 4 ilustra una sección vertical de otra
forma de realización de la invención, con el generador dispuesto
entre dos cojinetes,
la figura 5 ilustra una vista en perspectiva de
una forma de realización alternativa de un acoplamiento no
rotativo,
la figura 6 ilustra una vista en perspectiva de
una forma de realización alternativa, con una caja de velocidades
conectada al eje de la turbina, con un generador que está dispuesto
además sobre un soporte del generador que está soportado por la
caja de velocidades en la extensión, y en la que la transmisión del
par a la base principal se realiza mediante un acoplamiento no
rotativo adaptado, y
la figura 7 ilustra una vista en perspectiva de
una forma de realización adicional, con una caja de velocidades
conectada al eje de la turbina, y con un generador dispuesto sobre
una base del generador soportada por la caja de velocidades sobre
el eje de la turbina, y en la que la transmisión del par a la base
principal la realiza un acoplamiento no rotativo adaptado.
La invención ilustrada en la figura 1 se basa en
un acoplamiento del eje de la turbina directamente con el
generador. Ilustra una sección vertical longitudinal a través de un
cojinete del eje según una forma de realización de la invención. En
la parte superior de una torre 1 está fijada una transmisión de
piñón-corona 2, que se usa para hacer girar las
partes mas altas de una central eólica que se describe a
continuación con un mayor detalle. Sobre la transmisión de
piñón-corona hay una base rígida 4 que sirve como un
soporte para el eje. La base 4 puede girar en relación con la
transmisión de piñón-corona 2 alrededor de su eje
vertical mediante un cojinete adecuado. La rotación se activa
mediante un motor 3 dispuesto en el lado de la base 4 con un eje
dependiente con un engranaje 5 que engrana con la transmisión de
piñón-corona 2.
La base 4 proporciona soporte para dos cajas de
cojinete, una caja de cojinete frontal 6 encarada a la turbina, y
una caja de cojinete posterior 7. Las cajas de cojinete soportan
conjuntamente el eje de turbina 8, que a su vez soporta un
generador 11 completo. Cada caja de cojinete contiene un cojinete 9,
10, y está sujeta a la base 4 mediante tornillos 21.
El rotor del generador está sostenido por un eje
de generador 22 que puede ser una continuación del eje de la
turbina 8. La carcasa del estator 17 está soportada por los
cojinetes 15, 16 en el eje 8. Los cojinetes 15, 16 proporcionan un
entrehierro 18 que es tan constante y pequeño como sea posible,
entre el estator 19 y el rotor 12, independientemente de la flexión
del eje.
\global\parskip1.000000\baselineskip
El par ejercido por el eje de la turbina 8, que
a través del campo eléctrico se transfiere a la carcasa del estator
17, se transfiere a la base a través de un acoplamiento no rotativo
20.
En las figuras 6 y 7 se ilustra una forma de
realización alternativa de la invención. Una caja de velocidades
está dispuesta entre el eje de la turbina 8 y el generador 31,
correspondiendo ambos principalmente a la descripción anterior. La
caja de velocidades 29, la base del generador 30 y el generador 31
están todos libres para seguir el movimiento del eje de la turbina
8 en la abertura entre la caja de cojinete 7 y su conexión con la
caja de velocidades 29, salvo en la dirección del par. Un
acoplamiento no rotativo 33 proporciona transferencia del par desde
el eje de turbina a través de la caja de velocidades 29, hasta el
generador 31 y la base principal 4 y limita o elimina totalmente
las fuerzas destructivas, que de lo contrario originarían
deformaciones perjudiciales de la caja de velocidades y del
generador. El acoplamiento no rotativo 33 comprende una escuadra 34
en forma de dos brazos que se prolongan desde la base principal 4
hacia el generador 31. La escuadra 34 está sujeta rígidamente a la
base principal y en el extremo libre está conectada con la horquilla
transversal 35. Además, en el extremo libre, una varilla de
refuerzo con dos brazos articulados 36, 37 están unidos al extremo
de la escuadra o horquilla 35 y a una escuadra 38 en el lado de la
caja de velocidades 29. En el lado opuesto puede colocarse una
varilla de refuerzo correspondiente dispuesta simétricamente.
La función de esta disposición se describe
principalmente mediante la descripción y la figura 1. El peso y las
fuerzas que actúan sobre el eje 8 y el generador 11 los soportan los
cojinetes 9, 10 y se transfieren a la base 4. El eje de la turbina
8 transmite el par directamente al rotor 12 del generador. La
carcasa del estator 17 está soportada directamente en el eje de la
turbina. Un tamaño adecuado del eje en la proximidad del generador
11 proporciona una rigidez suficiente para mantener en última
instancia un entrehierro 18 constante y pequeño entre el rotor 12 y
el estator 19. Un acoplamiento 20 no rotativo en forma de un plato
anular con un pliegue central, circunferencial aumenta la
flexibilidad en la dirección axial y da como resultado la
transferencia del par que actúa sobre la carcasa del estator 17,
debido al campo eléctrico desde el rotor 12, a la base 4 con un
momento flector mínimo.
El acoplamiento no rotativo 20 está diseñado y
dimensionado para transferir sólo el par de la turbina eólica, sin
flexión del eje del generador 22 debida al par que actúa sobre el
cubo de la turbina eólica.
La carcasa del estator 17 seguirá, por tanto, el
movimiento del rotor 12 y eje del generador 22 y el entrehierro 18
se mantiene prácticamente constante.
La estructura total permite el ensayo de la
turbina eólica y del generador como una unidad completa antes del
montaje in situ, y su izado y montaje en la parte superior de
la torre como una unidad prefabricada.
En la figura 2 se ilustra una forma de
realización alternativa, proporcionándose componentes similares con
números de referencia idénticos a los de la figura 1, y en la que el
eje del generador 22 está soportado por un manguito 23 con doble
apoyo de cojinete que proporciona un cubo del estator, que con otro
cojinete 24 soporta el rotor 12. El eje del generador 22 tiene un
plato 25 en el extremo libre sujeto al rotor 12 para transferir par
a éste.
En la figura 3 se ilustra otra forma de
realización que emplea el mismo principio. En este caso, un plato
del estator 17 con un cubo está soportado por el eje del generador
22 con un doble cojinete (16), y se prolonga hasta una brida en un
lado, que soporta los componentes activos del estator.
En la figura 4 se ilustra una forma de
realización en la que se emplean los mismos números de referencia
que en las figuras anteriores, pero que difiere de las formas de
realización de las figuras 1-3 en que presenta el
generador dispuesto entre las cajas de cojinete 6, 7. El
acoplamiento no rotativo 20 está sujeto correspondientemente a la
caja de cojinete 6 colindante a la turbina eólica.
Generalmente, el acoplamiento no rotativo 20
puede fijarse a una caja de cojinete arbitraria, o a la base 4.
En la figura 5 se ilustra otra forma de
realización modificada de la base 4 y los cojinetes 6, 7. En este
caso el estator 19 está provisto de un par radial de brazos 26 que
se prolongan horizontalmente en la base 4. La base 4 soporta una
viga 27 que está dispuesta paralelamente al par de brazos 26. En
ambos extremos, el conjunto del par de brazos y la viga está
conectado a un elemento amortiguador 28, que puede absorber el par
pero no el momento flector y las fuerzas axiales. Los elementos
amortiguadores 28 se colocan para absorber los posibles picos
bruscos del par, por ejemplo debidos a cortocircuito.
Las figuras 6 y 7 ilustran un tratamiento de la
invención en el que una caja de velocidades 29 está dispuesta entre
el eje de la turbina 8 y el generador 31. Otras formas de
realización del acoplamiento no rotativo para transferir el par
desde el eje de la turbina a través de la caja de velocidades 29 y
el generador 31, siempre que se consiga que exista una
transferencia mínima de fuerza entre el eje de la turbina 8 y los
mismos elementos en todas las direcciones salvo en la dirección del
par.
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante se presenta únicamente para facilitar la tarea al
lector. No forma parte del documento de patente europeo. A pesar de
haberse dedicado la máxima atención al recopilar las referencias,
no puede excluirse la posibilidad de que se hayan cometido errores u
omisiones, y la EPO (Oficina Europea de Patentes) declina toda
responsabilidad al respecto.
- \bullet DE 4402184 A1 [0003]
- \bullet WO 0159296 A [0006]
Claims (5)
1. Central eólica con una turbina eólica que
comprende un eje de la turbina rotativo (8) y un eje del generador
(22), que puede ser una prolongación del eje de la turbina (8), y
que está conectado al rotor (12) de un generador eléctrico (11), en
la que el rotor (12) está rodeado radialmente por un estator (19),
el eje de la turbina (8) está apoyado sobre dos cajas de cojinete
(6, 7) con cojinetes (9, 10) dispuestas sobre una base (4) situada
en la parte superior de una torre (1), y el eje del generador (22)
está integrado con el eje de la turbina rotativo (8) o está
conectado rígidamente al mismo, para flexionar con el eje de la
turbina bajo la acción de momentos flectores que actúan sobre el
eje de la turbina desde su cubo, caracterizado porque el
estator (19) y el rotor (12) están soportados por el eje de la
turbina/generador rotativo (22, 8), para permitir que el generador
(11) siga al movimiento flector del eje de la turbina (8) y el
estator (19) está bloqueado contra el giro mediante un acoplamiento
no rotativo (20) que sustancialmente no transfiere momento flector o
fuerza axial que actúe contra la flexión del eje de la turbina (8),
estando provistos los cojinetes (9, 10) de modo que permitan la
flexión del eje de la turbina (8).
2. Central eólica según la reivindicación 1, en
la que el generador (11) está dispuesto en un lado de la base (4),
opuesto a la turbina eólica o entre las cajas de cojinete (6, 7)
caracterizado porque el estator está conectado a un
acoplamiento no rotativo (20) provisto para transferir un par y
sustancialmente ningún momento flector, preferentemente un plato
anular con un pliegue circunferencial, que conecta el estator con
una caja de cojinete.
3. Central eólica según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque el acoplamiento no rotativo (20) está
provisto para transferir el par y amortiguar las fuerzas creadas
cuando se produce un cortocircuito en el generador.
4. Central eólica según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el estator (19)
está fijado al eje del generador (22) en uno de sus extremos o con
un doble cojinete y por qué el rotor (12) está fijado directamente
al eje del generador o con un plato al extremo del eje del
generador.
5. Central eólica según la reivindicación 1,
caracterizado porque el estator (11) está soportado en ambos
lados con elementos laterales (17) que soportan al estator de forma
no flexible.
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