ES2308827T3 - Absorbedor de vibraciones para turbinas eolicas. - Google Patents
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Abstract
Un absorbedor de vibraciones adecuado para la amortiguación de vibraciones en turbinas eólicas, compuesto esencialmente por masa de inercia, barra de péndulo, cojinete o articulación de péndulo y medios de amortiguación, donde la masa de inercia, la longitud del péndulo y la fuerza de los medios de amortiguación están adaptados a las características físicas de la turbina eólica de tal forma que la masa de inercia vibra con desplazamiento de fase en comparación con la construcción, caracterizado porque los medios de amortiguación (40) forman junto con la articulación de péndulo (4) una unidad cerrada en cuanto a la construcción y se componen esencialmente de uno o varios módulos elastoméricos (7), donde el absorbedor se puede acelerar en cualquier dirección en un plano.
Description
Absorbedor de vibraciones para turbinas
eólicas.
La invención se refiere a un absorbedor de
vibraciones que presenta la función de disminuir o igualar
vibraciones que se presentan de forma no deseada en construcciones
altas similares a torres, particularmente en torres de turbinas
eólicas.
Las torres altas como chimeneas y similares
están expuestas a menudo a fuerzas eólicas muy elevadas, por lo que
comienzan a vibrar de forma correspondiente a sus características de
resonancia. Sin embargo, las vibraciones de amplitudes mayores
generalmente no son deseadas.
El problema es particularmente flagrante en
turbinas eólicas que presentan frecuentemente altas torres alargadas
superiores a 50 metros en las que se monta una sala de máquinas con
grandes palas de rotor, por lo que junto con las fuerzas eólicas
actúan diferentes fuerzas sobre toda la construcción. Con turbinas
eólicas cada vez mayores y las torres, por ello, cada vez más
altas, las torres o las turbinas cada vez son más sensibles a
vibraciones.
En las turbinas en la zona costera directa
(onshore/offshore) que, además de por las fuerzas eólicas, también
se mueven por las corrientes marinas y el oleaje, es de particular
importancia una solución de los problemas de vibraciones.
Las turbinas eólicas tienen en parte máquinas
con un número variable de revoluciones, por lo que se produce el
problema adicional de que el número de revoluciones de accionamiento
pasa a menudo por las frecuencias naturales de la torre, de tal
forma que en la torre se producen grandes movimientos por
manifestaciones de resonancia.
Las dificultades indicadas se pueden disminuir o
eliminar por la utilización de absorbedores de vibraciones de
acuerdo con la presente invención. La utilización de absorbedores de
vibraciones de acuerdo con la invención provoca adicionalmente que
las turbinas eólicas con los tamaños constructivos habituales
actualmente puedan presentar un menor peso, lo que tiene como
consecuencia un ahorro de material y, por lo tanto, una construcción
más económica.
Adicionalmente, la fatiga de materiales que se
produce por el movimiento de la torre se ha disminuido por la
utilización de los absorbedores de vibraciones de acuerdo con la
invención y, por lo tanto, la vida útil de las torres ha aumentado
claramente. Al mismo tiempo también se descargan otros componentes
como el generador, los engranajes y no por último, las palas del
rotor por la disminución del movimiento, de tal forma que también
aumenta la vida útil de los mismos.
Las torres tienen varias frecuencias naturales,
que se manifiestan con diferentes alturas de torre en forma de
fuertes movimientos. La primera frecuencia natural de la torre se
manifiesta de tal forma que la torre se dobla desde abajo hacia
arriba y la máxima desviación (vientre de vibración) tiene su máximo
efecto en la zona superior, es decir, en la sala de máquinas que se
sitúa sobre la torre (Figura 6). Esta vibración natural tiene la
menor frecuencia. Las vibraciones naturales adicionales con mayores
frecuencias tienen uno o varios vientres de vibración, es decir,
sitios en los que la torre presenta movimientos transversales. Una
forma de vibración de este tipo se muestra de forma esquemática en
la Figura 8.
Los absorbedores de vibraciones tienen en la
zona de la mayor desviación de la torre el mayor efecto y, de forma
razonable, en ese lugar también se acoplan a un sistema de
amortiguación (por ejemplo, Figuras 6, 8, 9). Para absorber la
primera frecuencia natural, el mismo es la zona superior de la torre
o la sala de máquinas. Para absorber frecuencias de mayor orden es
razonable acoplar el absorbedor de vibraciones en la mayor
desviación de la torre que vibra.
Los absorbedores con el tipo de construcción más
sencillo, que se componen por norma de una masa de vibración fijada
con una barra de péndulo, una cadena o un cable de acero, se conocen
en principio a partir del estado de la técnica (Figura 1), véase,
por ejemplo, el documento
WO-A-98/38392. Se utilizan
parcialmente en torres y chimeneas. Sin embargo, hasta ahora no se
han montado absorbedores de vibraciones concebidos de forma
correspondiente en turbinas eólicas. La torre de las turbinas
eólicas actuales se realiza con una rigidez correspondientemente
elevada, de tal forma que la estabilidad de las turbinas eólicas se
garantiza por una utilización de material relativamente grande.
Ya que, sin embargo, las torres de
aerogeneradores, para utilizar de forma máxima la energía eólica,
cada son más altas y también, por motivos estéticos, cada vez más
alargadas, y la propia turbina, al contrario de, a modo de ejemplo,
chimeneas estáticas sencillas, genera mediante las palas del rotor
accionadas por el viento movimientos de giro activos, que
transmiten fuerzas centrífugas, de rotación y otras fuerzas en parte
complicadas (particularmente con desequilibrios siempre presentes,
más o menos intensos) sobre la construcción total, donde las
frecuencias de accionamiento se pueden situar parcialmente próximas
a las frecuencias naturales de los componentes generalmente no
amortiguados (si la frecuencia de accionamiento y la natural en
sistemas no amortiguados son idénticas, esto significa la
destrucción de la turbina), se produce el problema de la generación
o la disminución heterogénea de vibraciones a pesar de los
materiales modernos disponibles actualmente. Al contrario de los
demás edificios elevados, de hecho, las turbinas eólicas se componen
de dos sistemas en vibración (torre, rotor) alineados de forma
sucesiva y móviles entre sí que tienen ambos frecuencias naturales
de magnitud similar, que a su vez se sitúan próximas al intervalo de
las frecuencias producidas por el funcionamiento de la turbina.
Por lo tanto se plantea el objetivo de
desarrollar nuevos absorbedores de vibraciones de alta tecnología
que cumplan los requerimientos, particularmente en turbinas eólicas
grandes. Tales absorbedores de vibraciones, sin embargo,
evidentemente también se pueden utilizar en otras construcciones
elevadas y alargadas, a modo de ejemplo, en chimeneas de
ventilación de centrales térmicas, centrales de incineración de
basuras, en mástiles de alta tensión, torres de retransmisión o
en/sobre pilares de apoyo de puentes elevados o en los propios
puentes.
Ahora se ha observado que los absorbedores de
vibraciones, que se componen esencialmente de masa de inercia,
péndulo (barra/tubo) y una unidad de amortiguación pueden resolver
de forma excelente en una disposición constructiva determinada los
problemas que se han enumerado anteriormente, particularmente
durante su uso en turbinas eólicas grandes con una frecuencia
natural entre 0,1 y 30 hercios. Se ha demostrado que se obtienen
resultados particularmente buenos cuando la unidad de amortiguación
(40) se dispone en la barra de péndulo (3) en la zona del cojinete
de péndulo o la articulación de péndulo (4). Tales absorbedores de
vibraciones tienen ventajas en una serie de usos con respecto a
tales absorbedores en los que los elementos de amortiguación/resorte
se aplican directamente en la masa de inercia (1) con ayuda de las
paredes de la torre (36) (Figura 1). Particularmente, tales
absorbedores de vibraciones tienen características de amortiguación
excelentes no esperadas en turbinas eólicas con sus relaciones de
vibraciones complejas que se han descrito anteriormente. Por lo
demás poseen debido a su construcción compacta con ahorro de
espacio ventajas constructivas con respecto a absorbedores conocidos
utilizados para construcciones normales. Ya que en turbinas
eólicas, al contrario de chimeneas altas o mástiles telegráficos
altos se tiene que conducir una pluralidad de conducciones de
alimentación desde la sala de máquinas por el corte transversal
habitualmente muy estrecho de la torre, los absorbedores
amortiguados de forma habitual, cuyos medios de amortiguación están
en contacto directamente con las paredes de la torre y, por lo
tanto, restan un espacio valioso, apenas son adecuados para dichas
turbinas eólicas.
Por lo tanto, el objeto de la invención es un
absorbedor de vibraciones adecuado para la amortiguación de
vibraciones en turbinas eólicas, que se compone esencialmente de
masa de inercia, barra de péndulo, cojinete o articulación de
péndulo y medios de amortiguación, donde la masa de inercia, la
longitud del péndulo y la fuerza de los medios de amortiguación se
adaptan a las características físicas de la turbina eólica de tal
forma que la masa de inercia vibra con desplazamiento de fase en
comparación con la construcción, que se caracteriza por que los
medios de amortiguación (40) forman junto con la articulación de
péndulo (4) una unidad cerrada en cuanto a la construcción y se
componen esencialmente de uno o varios, preferiblemente cuatro
módulos elastoméricos (7), donde el absorbedor se puede acelerar en
cualquier sentido en un plano.
La amortiguación por elementos elásticos también
se requiere para conseguir mayores frecuencias naturales de péndulo
de lo que seria el caso con la frecuencia de péndulo predeterminada
por la gravedad natural. Con mayores frecuencias >
aproximadamente a 1 Hz, de lo contrario, la barra de péndulo sería
demasiado corta para poder asumir la masa (Figura 21).
La elasticidad puede mostrar diferentes
rigideces en diferentes sentidos en el plano de vibración de la
masa, de tal forma que en el sentido x, y se producen diferentes
frecuencias naturales del absorbedor. La rigidez de los elastómeros
(7) se puede regular de acuerdo con la invención por el uso de
discos de separación (8) dentro de los medios de amortiguación.
El absorbedor de vibraciones de acuerdo con la
invención puede poseer adicionalmente a los módulos elastoméricos
medios hidráulicos o mecánicos (por ejemplo, amortiguadores de
resorte) como se conocen en el estado de la técnica. Por lo tanto,
también es objeto de la invención un absorbedor de vibraciones
correspondiente que se caracteriza por que comprende medios de
amortiguación adicionales de tipo hidráulico (17) o de tipo mecánico
(5), (6). Los medios de amortiguación adicionales se montan
preferiblemente en cuanto a la construcción de tal forma que
requieren poco espacio.
Se prefieren tales absorbedores de vibraciones
en los que los medios de amortiguación (40) se componen
esencialmente de tres a seis módulos elastoméricos (7), que se
disponen preferiblemente alrededor de la articulación de péndulo
(4) y, en un caso dado, uno o varios módulos hidráulicos, donde
dichos módulos hidráulicos en realizaciones preferidas de forma
diversa de la invención se pueden accionar junto con los componentes
elastoméricos de modo pasivo, semi-activo o activo,
es decir, accionados por energía del exterior.
Además es objeto de la invención un absorbedor
de vibraciones correspondiente, cuya propia barra de péndulo (3) es
elástica de forma amortiguadora de tal manera que puede sustituir la
unidad de amortiguación (40) en cierta medida o puede reforzar la
misma con una configuración igual, donde particularmente son
adecuados tales péndulos que se fabrican a partir de componentes
elastoméricos o entramados de alambre y/o plástico y, en un caso
dado, que presentan un coeficiente de elasticidad diferente en el
sentido x e y por, a modo de ejemplo, materiales diferentes en el
corte transversal y/o que presentan un perfil asimétrico. Con tales
absorbedores de vibraciones se pueden absorber al mismo tiempo
varias frecuencias en diferentes sentidos.
Además son objeto de la invención absorbedores
de vibraciones en los que la masa de inercia (1) se compone en
algunas realizaciones de partes de masa, de tal forma que la masa se
puede adaptar de forma correspondiente a las condiciones físicas de
la construcción. En otras realizaciones, un recipiente sirve como
masa de inercia, que puede alojar diferentes objetos de diverso
peso, por ejemplo, producto a granel o componentes de la propia
turbina eólica.
Los absorbedores de vibraciones de acuerdo con
la invención comprenden preferiblemente una perforación de orificio
central dispuesta en sentido longitudinal (a través de masa de
inercia, barra de péndulo, elemento de amortiguación), que
posibilita, a modo de ejemplo, un paso de cables.
Los absorbedores de vibraciones de acuerdo con
la invención se montan preferiblemente en turbinas eólicas,
particularmente en las que presentan una frecuencia natural entre
0,1 y 30 hercios, preferiblemente entre 0,2 y 10 hercios.
De forma sorprendente se ha observado que las
características de amortiguación de absorbedores de vibraciones con
el tipo de construcción de acuerdo con la invención se pueden
continuar mejorando, particularmente con relaciones de vibraciones
difíciles y complejas en la construcción que se tiene que
amortiguar, cuando el absorbedor de vibraciones comprende varias
barras de péndulo, preferiblemente de dos a cuatro, que llevan la
masa de péndulo (1). Un absorbedor de este tipo comprende dos
articulaciones de péndulo (4) para cada barra de péndulo (Figura
22). Pueden estar presentes medios de amortiguación elásticos (40)
en solamente una o en ambas articulaciones de péndulo de cada barra
de péndulo. Por la disposición de varias barras de péndulo, la masa
vibra en el plano paralelo a la superficie de suspensión
(desplazamiento paralelo).
Finalmente son objeto de la invención turbinas
eólicas en las que se montan los absorbedores de vibraciones de
acuerdo con la invención. Los absorbedores de vibraciones, en
realizaciones preferidas, se pueden aplicar en el interior de la
torre (35) por debajo de la sala de máquinas (39) o en la sala de
máquinas en el exterior de la torre. Esto último es sobre todo
ventajoso cuando la góndola o la sala de máquinas, lo que la mayoría
de las veces es el caso, puede girar en sentido horizontal. En este
caso, el absorbedor de vibraciones actúa adicionalmente con efecto
de amortiguación o frenado con respecto al movimiento giratorio de
la góndola.
En una realización particular, el absorbedor de
acuerdo con la invención también se puede montar de forma
"inversa" en la turbina, es decir, la masa de péndulo se sitúa
por encima de la construcción de soporte para el absorbedor ya no
suspendido.
Las turbinas eólicas que están equipadas con los
absorbedores de vibraciones de acuerdo con la invención, por lo
tanto, trabajan particularmente sin dañar el material y de forma
silenciosa y, por lo tanto, también contribuyen a un menor impacto
ambiental.
A continuación se describe la invención con más
detalle:
Los elementos del dibujo tienen la siguiente
asignación y significado
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\vskip1.000000\baselineskip
Las Figuras representan lo siguiente:
Figura 1: absorbedor de vibraciones en la torre,
suspendido con vibración libre, resorte (5) y amortiguación (6) por
apoyo en la pared de la torre;
Figura 2: absorbedor de vibraciones con unidad
de amortiguación (40) enganchado en la torre;
Figura 3: absorbedor de vibraciones con unidad
de amortiguación elastomérica de resorte (40) en la construcción de
soporte (37) y amortiguadores adicionales (hidráulicos) externos
(6), rigidez (5) de la articulación de péndulo ajustable;
Figura 4: absorbedor de vibraciones con unidad
de amortiguación elastomérica hidráulica (pasiva);
Figura 5: absorbedor de vibraciones en el
exterior de la torre (36) suspendido en la góndola y rotando con
acimut;
Figura 6: turbina eólica con torre que vibra
(36) y absorbedor de vibraciones dispuesto directamente por debajo
de la sala de máquinas (39), vientre de vibración arriba (vibración
de 1. orden);
Figura 7: absorbedor de vibraciones en la torre,
masa de inercia (1) dirigida hacia arriba;
Figura 8: turbina eólica con torre que vibra
(36) y absorbedor de vibraciones en el vientre de vibraciones
dispuesto en la torre (vibración de mayor orden);
Figura 9: absorbedor de vibraciones con unidad
de amortiguación compuesto por barra de péndulo de entramado de
cable de acero (44), fijado en la torre (36) en el interior de la
sala de máquinas (39);
Figura 10: unidad de amortiguación (40) con
elementos elastoméricos (7) y construcción de soporte del absorbedor
(37) y orificio de paso (38);
Figura 11: barra de amortiguación de componentes
elastoméricos (cojinete de tipo ultra) de gran amortiguación
alineados de forma sucesiva (de manera desplazada);
Figura 12: barra de absorbedor de tubo de
entramado de cable de acero de alta amortiguación (amortiguación
por rozamiento);
Figura 13: comportamiento de vibración de un
sistema no amortiguado;
Figura 14: comportamiento de vibración de un
sistema amortiguado;
Figura 15: absorbedor de vibraciones en la sala
de máquinas (3) situada de forma giratoria, masa dirigida hacia
arriba, sobresaliendo de la góndola;
Figura 16: absorbedor de vibraciones semiactivo
para la absorción de vibraciones en la torre con unidad de
amortiguación elastomérica hidráulica con unidad de control y
ordenador electrónica;
Figura 17: absorbedor de vibraciones semiactivo
en una turbina eólica para la absorción de vibración en el rotor y
la torre con unidad de amortiguación elastomérica hidráulica con
unidad de control y ordenador electrónica;
Figura 18: absorbedor de vibraciones activo con
bomba/compresor (22) en una turbina eólica con unidad de
amortiguación elastomérica hidráulica con unidad de control y
ordenador electrónica;
Figura 19: elementos de amortiguación pasivos y
activos;
Figura 20: modo de acción/funcionamiento de un
absorbedor de vibraciones que trabaja en una turbina eólica.
Figura 21: diagrama de frecuencia natural del
absorbedor en Hz con respecto a longitud del péndulo.
Figura 22: Elemento de amortiguación de un
absorbedor de vibraciones en una vista lateral y en alzado, que
comprende dos barras de péndulo con en total cuatro articulaciones
de péndulo elásticas.
Los absorbedores de vibraciones de acuerdo con
la invención se componen preferiblemente de un sistema de masa de
resorte amortiguado, que se ajusta a la respectiva frecuencia de la
torre y, por lo tanto, vibra con desplazamiento de fase con
respecto a la torre. La vibración opuesta de la masa del absorbedor
disminuye la vibración de la torre. Los absorbedores de vibraciones
se pueden amortiguar de forma diversa. Si el absorbedor de
vibraciones estuviera sin amortiguar, la vibración natural de la
torre estaría prácticamente suprimida del todo. Sin embargo, los
dos nuevos picos de vibración típicos que se producirían en un
sistema de amortiguación de este tipo se manifestarían de forma
negativa sobre el comportamiento de vibración de la torre. Las
Figuras 13 y 14 muestran la función de transmisión de un absorbedor
de vibraciones no amortiguado y uno amortiguado. Por la
amortiguación adicional se retira energía del sistema por lo demás
prácticamente no amortiguado, de tal forma que se producen las dos
manifestaciones de resonancia típicas que se han indicado, sin
embargo, se reducen por la amortiguación hasta tal punto que no se
influye apenas en el comportamiento de vibración de la torre.
La masa de inercia, la frecuencia natural y el
grado de amortiguación se pueden ajustar de forma óptima de acuerdo
con las bases físicas respectivamente presentes.
Para poder equilibrar las tolerancias de las
masas, las rigideces y las frecuencias naturales, que se dispersan
de forma natural durante la fabricación de turbinas eólicas, los
absorbedores de vibraciones se pueden fabricar de forma ajustable y
se pueden adaptar a la respectiva turbina eólica. En total se pueden
ajustar las siguientes magnitudes: masa, longitud de péndulo,
rigidez de los elementos de resorte elásticos o que tienen
amortiguación elástica, características de amortiguación.
Los absorbedores de vibraciones se pueden
realizar en varias variantes, que se indican en parte también en
las Figuras (véase leyendas anteriores de los dibujos).
El absorbedor de vibraciones de acuerdo con la
invención se puede fijar en principio con dos variantes en la
construcción y, de hecho, como absorbedor de péndulo en la torre,
suspendido con vibración libre con resorte y amortiguación
adicionales opcionales por apoyo en la pared de la torre.
Adicionalmente se puede accionar como absorbedor de vibraciones,
que se engancha en la torre con construcción de soporte (37) fijada
en la pared de la torre o directamente en la parte inferior en la
sala de máquinas y cuyo péndulo no tiene contacto con la pared de
la torre. Se prefiere esta realización, particularmente cuando por
motivos de espacio no se desea el contacto con la pared de la
torre.
De acuerdo con la invención, el absorbedor de
vibraciones también se puede fijar de forma adicional en un gancho,
que también asume parte del peso con una construcción suspendida. La
masa del peso del absorbedor (1) puede ser fija o ajustable. La
masa de inercia (1) puede ser un recipiente de producto a granel con
peso ajustable por espacios huecos que se pueden llenar con
producto a granel. Es posible mezclar entre sí incluso diferentes
productos a granel y/o líquidos o también introducir productos en
pedazos. El recipiente se puede producir a partir de acero o
plástico u hormigón. La capacidad de ajuste del peso se puede
conseguir por diferentes pesos de volumen de los productos a granel
o también por el diferente grado de llenado de los recipientes
usados. El peso puede contener una escotadura en la zona de los
conductores situados en la torre, para la que el ascenso habitual
hasta ahora en la torre no se vea en peligro por el absorbedor. La
masa de inercia también se puede componer de masas individuales de
tal forma que se pueden apilar de forma superpuesta varios discos
con una perforación central. La perforación central sirve para el
alojamiento de la barra de péndulo (3). El peso se puede ajustar de
este modo por la cantidad, el grosor y el material de los elementos
individuales. Como complemento de los pesos de carga se pueden
utilizar adicionalmente o como alternativa componentes de la
turbina eólica como grupos hidráulicos y dispositivos eléctricos
como masa de amortiguación. La capacidad de ajuste en altura (2) de
la masa de inercia (1) y, por lo tanto, el ajuste de frecuencias del
absorbedor de vibraciones se consigue por un huso roscado, una
cadena con elementos que se tienen que suspender de forma diversa o
de forma continua por cables ajustables por guardacabos.
La masa de péndulo puede obtener, si es
necesario, una perforación para el alojamiento del paso para cables
(38).
El cable de potencia suspendido de forma libre
en la zona superior de la torre realiza con un movimiento acimutal
un movimiento relativo con respecto a la torre y, por lo tanto, con
respecto al absorbedor de vibraciones. Al unir el absorbedor de
vibraciones a la altura del cable de potencia giratorio es necesario
pasar el cable a través del absorbedor de vibraciones. Para esto,
el absorbedor de vibraciones, la suspensión del absorbedor y la
barra del absorbedor se realizan huecos.
Con utilización de un absorbedor de vibraciones
suspendido de forma vertical en forma de un péndulo, la fuerza de
la gravedad juega un papel importante. Si no se utilizan resortes
adicionales, la frecuencia natural del absorbedor de vibraciones se
determina por la fuerza de gravedad y, por lo tanto, exclusivamente
por la longitud de la barra del absorbedor y la distribución del
peso del péndulo sobre la barra del absorbedor. Para el ajuste
exacto de la frecuencia natural, por un lado se puede modificar la
masa Pos 1 del absorbedor de vibraciones, por otro lado se puede
modificar la longitud del péndulo Pos 3.
Por la utilización de elementos de resorte
adicionales se determina la frecuencia natural del absorbedor de
vibraciones por la longitud del péndulo y adicionalmente por la
rigidez del resorte de los elementos de resorte. Por esta
disposición se puede determinar libremente la longitud del péndulo.
La longitud del péndulo comprenderá en tales elementos entre 0,1 m
y 15 m. Particularmente con frecuencias mayores de >1 Hz puede
ser necesario ese sistema, ya que de lo contrario la longitud del
péndulo sería demasiado corta para colocar la masa necesaria. Los
resortes se disponen entre el absorbedor de vibraciones y la torre.
Los mismos se pueden unir entre la pared de la torre y la masa o la
pared de la torre y la barra de péndulo, por encima de la masa así
como por debajo de la masa con el péndulo.
De acuerdo con la invención, el término
"resorte" se tiene que considerar en su sentido más amplio. Se
incluyen en este término todos los elementos constructivos que se
pueden utilizar de forma preferente debido a su función de resorte
y elástica. Por lo tanto, el término resorte comprende piezas de
acuerdo con la invención como resortes en espiral, barra de
flexión, muelles de hojas, elastómeros, resortes de cable de acero y
similares.
Para mantener las dos frecuencias nuevas que se
producen durante la función de absorción lo más pequeñas posibles
es razonable amortiguar los absorbedores de vibraciones. Las Figuras
13, 14 muestran la diferencia de la desviación de torre con
absorbedor de vibraciones amortiguado y no amortiguado.
El absorbedor de vibraciones puede poseer al
mismo tiempo funciones amortiguadoras y elásticas. Ambas funciones
se pueden realizar con dos componentes diferentes o con un
componente individual que contenga ambas funciones. Los mismos
pueden ser, por ejemplo, componentes elastoméricos con
características correspondientes de amortiguación, resortes de
cable de acero o incluso resortes elásticos no amortiguados junto
con amortiguadores adicionales integrados o dispuestos de forma
separada. Los elementos se pueden disponer en diferentes sitios
entre el absorbedor de vibraciones móvil con respecto a la torre y
componentes unidos con la torre, que realizan el movimiento de
vibración de la torre.
Preferiblemente, los absorbedores de vibraciones
de acuerdo con la invención se accionan independientemente de la
pared de la torre, ya que no se requieren fijaciones laterales. La
construcción de conexión global está integrada en la articulación
de péndulo. Se pueden accionar suspendidos de forma vertical,
horizontal, situados de forma vertical y en todos los demás ejes
del espacio. De este modo se produce la ventaja de que el mismo se
puede fijar en cualquier sitio y las fuerzas de absorción se
transmiten solamente en el punto de suspensión, es decir, el
absorbedor se puede fijar en la sala de máquinas que gira con
respecto a la torre y al mismo tiempo puede introducirse en la
torre estacionaria sin ponerse en contacto con la misma. Sin
embargo, adicionalmente también se puede acoplar con la pared de la
torre.
La rigidez del componente elastomérico (7)
dispuesto en la articulación de péndulo superior se puede configurar
de forma ajustable por variación de la distancia de los elementos
de goma. Por el ajuste de la rigidez se varía la longitud requerida
del péndulo de tal forma que la longitud de péndulo ideal por la
masa específica y la dimensión de la torre se puede realizar
prácticamente independientemente de la longitud de péndulo
predeterminada por lo demás por la fuerza de la gravedad. El
componente se compone de dos componentes elastoméricos (7) con
forma de cono con simetría rotatoria tensados entre sí. Los
componentes elastoméricos también pueden realizarse de forma
esférica, convexa o cóncava o incluso en forma de cilindros con
perforación central. El material elastomérico usado tiene una gran
amortiguación con un ángulo de amortiguación entre 8º y 25º,
preferiblemente entre 12º y 18º. La rigidez cardánica de los
elementos depende de la distancia entre los elementos cónicos. Esta
distancia y, por lo tanto, la rigidez aumentan por la inclusión de
discos de separación adicionales (8) o disminuyen por retirada o
disminución de discos de separación. Para el paso de los cables de
alimentación, la barra de péndulo (3), la parte interna que se
conecta a la barra de péndulo y los discos de separación se pueden
realizar con una perforación. Para el ajuste de diferentes rigideces
y, por lo tanto, diferentes frecuencias naturales en la dirección x
e y, los componentes elastoméricos se pueden realizar con ventanas
(escotaduras en el cuerpo elastomérico) dispuestas de forma
simétrica o asimétrica en la periferia de los cuerpos
elastoméricos.
La amortiguación requerida para la función de
absorción se aplica por el material elastomérico usado. De forma
complementaria o alternativamente a esto se pueden utilizar
amortiguadores hidráulicos adicionales. Los mismos se pueden
disponer de forma separada, véase las Figuras (3), (6) o incluso se
pueden integrar en varios componentes elastoméricos. Es una ventaja
de este sistema que se puede disponer de forma libremente
suspendida, es decir, que se dispone sin unión con respecto a la
torre de forma giratoria en la sala de máquinas y, por lo tanto,
con una modificación de la dirección del viento, el absorbedor
fijado en la sala de máquinas en rotación no se pone en contacto
con la torre. Adicionalmente no se produce ningún movimiento
relativo en el sentido de torsión entre el absorbedor de
vibraciones y los cables. En esta realización, el cable se puede
conducir por la construcción del absorbedor hueca de forma central
o se puede pasar lateralmente por la construcción del absorbedor.
Una realización adicional es posible por la utilización de una barra
de péndulo (Figura 11) elástica fijada en la góndola, que se
compone de material de gran amortiguación. La misma se compone de
varios componentes elastoméricos alineados de forma sucesiva,
tubulares, en los que se incluye una capa de goma (10) entre dos
tubos con diferentes diámetros. Los mismos se configuran de acuerdo
con la Figura 11 de tal manera que el tubo interno (11) y el tubo
externo (12) están unidos de forma alterna, de tal modo que se
produce la deformación durante la flexión de la barra que se
produce a partir de esto por el elastómero en forma de un movimiento
cardánico. Los componentes elastoméricos se pueden realizar de
forma cilíndrica, cónica y esférica (convexa y cóncava).
La propia barra de péndulo se puede realizar
como una barra sólida o incluso como tubo para el alojamiento de
los cables de potencia. Como una barra de péndulo amortiguada se
puede utilizar alternativamente un cable de acero, que se compone
de muchos elementos longitudinales unidos entre sí (entrelazados).
Las fibras individuales se pueden realizar redondas, poligonales o
planas. La amortiguación de estos elementos se produce por
rozamiento entre los cables. Alternativamente se puede incluir un
elastómero amortiguador entre los elementos longitudinales de tal
forma que se realice la amortiguación por impulso en el elemento
intermedio incluido.
Para el alojamiento de los cables se pueden
conducir los cables retorcidos (Figura 12) alrededor de un tubo
elástico (manguera) que puede alojar las conducciones de cable. Por
lo demás, las conducciones de cable se pueden usar como elementos
de soporte y de amortiguación. La longitud del péndulo se puede
prolongar por elementos rígidos.
Adicionalmente, la barra de péndulo se puede
producir a partir de un perfil asimétrico de tal forma que la misma
presente una rigidez diferente en sentido x e y, por lo tanto, se
puedan absorber dos frecuencias diferentes. También se puede
producir un efecto correspondiente por el uso de materiales
diferentes.
De acuerdo con la invención también se pueden
utilizar absorbedores de vibraciones amortiguadas de forma
hidráulica. Para esto se pueden usar amortiguadores hidráulicos en
los que la amortiguación se aplica por rozamiento de líquido o
incluso por rozamiento por aire. Adicionalmente son posibles
cojinetes elastoméricos hidráulicos como se representa en la Figura
4 (17) y la Figura 19 (30). En estos sistemas se incluye en un
espacio de desplazamiento (15) un líquido hidráulico (13) o gas.
Con un movimiento del péndulo se modifica el volumen del espacio de
desplazamiento (15), de tal forma que el medio (13) se bombea al
interior o hacia el exterior del espacio de desplazamiento. Ahora
se consigue la amortiguación conduciendo el medio respectivamente
por una válvula reguladora (16) ajustable o incluso ajustada de
forma fija. En la válvula reguladora se frena el medio, es decir,
se retira energía del sistema. De este modo, el péndulo experimenta
una amortiguación ajustable. El sistema puede estar construido,
como se representa en la Figura 4, de tal forma que respectivamente
dos o incluso más elementos están unidos con una conducción.
Alternativamente, cada elemento se puede amortiguar de forma
individual junto con un recipiente de depósito, en el que se puede
bombear el líquido sobrante durante el sometimiento a la fuerza del
resorte y del que se puede volver a retirar el volumen faltante
durante la liberación. Este recipiente de depósito se puede usar
incluso para varias válvulas.
El número de los elementos de amortiguación
hidráulicos puede comprender desde un elemento (junto con una
articulación cardánica) hasta aproximadamente 10 elementos,
preferiblemente 4 elementos. Los elementos, para conseguir
rigideces iguales y amortiguación igual, se pueden distribuir de
forma simétrica en todas las direcciones en la periferia del
absorbedor. Sin embargo, también se pueden montar de forma asimetría
para conseguir diferentes rigideces y diferente amortiguación en el
plano del péndulo. De este modo se pueden realizar de forma dirigida
diferentes frecuencias naturales en diferentes direcciones del
plano del péndulo x/y.
Los elementos se pueden incluir como se
representa en la Figura 4 en la zona superior de la articulación de
péndulo. Al mismo tiempo es posible introducir los mismos, como los
elementos de amortiguación de resorte que se han descrito
anteriormente, en cualquier sitio entre la torre estacionaria y el
péndulo. Los elementos de amortiguación hidráulicos pueden añadir
por los componentes elastoméricos (7) una rigidez adicional al
sistema. Los componentes elastoméricos, sin embargo, también se
pueden configurar tan blandos que su rigidez tenga una influencia
no significativa sobre el sistema del absorbedor. Adicionalmente,
para conseguir una gran rigidez también se pueden tensar entre sí
dos cuerpos elastoméricos (7).
De acuerdo con la invención también se pueden
usar absorbedores de vibraciones hidráulicos semiactivos. Estos
absorbedores están construidos básicamente como los absorbedores que
se han descrito anteriormente. La diferencia decisiva es que las
válvulas reguladoras (16) se pueden controlar mediante un componente
electrónico o por un dispositivo mecánico que está influido por
vibraciones de componentes. De este modo, la amortiguación se puede
ajustar dependiendo de las vibraciones que se presentan en la torre
y en los demás componentes, como, por ejemplo, las palas del rotor.
En el caso extremo, el amortiguador se puede unir por una regulación
completa de las válvulas de regulación (16) de forma fija con la
torre y se puede volver a liberar en el momento preciso con una
amortiguación ajustada de forma dirigida de tal forma que puede
contrarrestar de forma dirigida una vibración que se presente. De
este modo es capaz de contrarrestar incluso vibraciones que se
presentan con frecuencias diferentes de la frecuencia ajustada de
absorbedor.
En el absorbedor semiactivo de acuerdo con la
invención, la válvula reguladora (16) se controla de forma eléctrica
dependiendo de las vibraciones en la torre, en la sala de máquinas
o las palas. Se puede controlar tanto cada válvula de forma
individual como combinaciones compuestas por varias o todas las
válvulas. Las señales de vibración se detectan por detectores de
aceleración (18), que se disponen en los componentes críticos, y se
envían por cable o por emisora (23) y receptor (24) hasta el
ordenador (19). El ordenador detecta adicionalmente el estado
respectivo del péndulo por los detectores de aceleración (18)
dispuestos en el péndulo en las direcciones de vibración
horizontales decisivas. El ordenador (19) transforma las señales de
entrada en órdenes con las que realiza por el amplificador (20) el
control de la válvula reguladora (16). Con este sistema, el
absorbedor también puede contrarrestar por regulación dirigida o
abertura de una o varias válvulas reguladoras (16) incluso
vibraciones en el exterior de la torre. Las vibraciones que se
producen en la torre se pueden absorber mejor con la misma masa de
absorción con este sistema que con una amortiguación constante.
Los nuevos absorbedores de vibraciones de
acuerdo con la invención con amortiguación activa poseen
características particularmente ventajosas. Estos absorbedores
tienen una construcción similar a los absorbedores semiactivos que
se han descrito anteriormente. La diferencia esencial es que el
péndulo se puede mover por energía de exterior introducida de forma
adicional. La energía del exterior se puede suministrar por una
bomba, un compresor o un motor. Los sistemas activos se pueden
conectar y desconectar de forma aleatoria. Existe adicionalmente la
posibilidad de accionar, con el sistema desconectado, los
absorbedores de forma pasiva o semiactiva (por ejemplo, como
sistema de emergencia). En el sistema de absorbedor activo se puede
disponer cualquier número de elementos activos en la periferia. Los
elementos activos (Figura 18, (17)) se pueden disponer en forma de
círculo alrededor del eje central del péndulo o incluso de forma
asimétrica. Los elementos activos se pueden disponer en cualquier
punto entre la masa principal y la masa de absorción. El mínimo es
un elemento activo con articulación de péndulo adicional. La
articulación de péndulo se puede introducir como articulación
cardánica de forma análoga a la Figura 1, (4) o incluso como
elemento elastomérico de forma análoga a la Figura 2, (4). La
articulación de péndulo también se puede integrar de forma diferente
a la Figura 18 en los elementos activos, de tal forma que no se
necesita ninguna suspensión de péndulo adicional.
El péndulo también se puede acelerar con mayor
intensidad por los componentes activos que el péndulo pasivo. De
este modo, la masa de péndulo puede disminuir claramente con fuerzas
de reacción iguales. Se puede montar cualquier número de
absorbedores activos en una turbina eólica.
La Figura 20 muestra la función principal de un
absorbedor de vibraciones de acuerdo con la invención durante la
absorción de vibraciones de palas. Mientras que la pala del rotor
(35) se mueve en el plano de la imagen hacia la izquierda, la masa
de absorción se mueve hacia la derecha, lo que proporciona a la
torre de la turbina eólica como fuerza de reacción un impulso hacia
la izquierda. Con una asignación temporal correcta con respecto a
la vibración de la pala de rotor, la misma se aquieta por este
motivo. El sistema se puede usar con vibraciones en el plano de la
pala del rotor y en el sentido periférico. Evidentemente, de este
modo también disminuyen las vibraciones posteriores de las
palas.
Con una disposición del absorbedor en el
exterior de la torre, como se representa en la Figura 5 para el
absorbedor pasivo, también se pueden disminuir movimientos de
guiñada (movimientos circulares alrededor del eje de la torre) de
la góndola. Esto es ventajoso al conectar y al frenar el
accionamiento acimutal. Además, con este absorbedor activo
suspendido en el exterior o de pie se pueden disminuir los
movimientos de guiñada de la turbina provocados por el viento, lo
que disminuye la complejidad del accionamiento acimutal y los frenos
acimutales y el dimensionado de los demás componentes de
soporte.
El absorbedor se puede disponer en cualquier
posición (vertical, horizontal o cualquier otro eje del espacio) y
se puede acelerar en cualquier dirección en un plano y, por lo
tanto, puede contrarrestar todas las vibraciones que producen en la
turbina eólica. El cojinete elastomérico hidráulico (accionador)
puede tener por sí mismo una rigidez significativa como en la
Figura 18 o contribuir solamente de forma subordinada a la rigidez
del sistema total. Cuando se accionan de forma activo los elementos
de amortiguación hidráulicos que se han descrito hasta ahora, se
pueden usar como accionadores. En la Figura 19 se representan varios
tipos adicionales de accionadores posibles, como cilindro
hidráulico de funcionamiento sencillo (27), cilindro hidráulico de
funcionamiento doble (28), cilindro hidráulico con refuerzo de
resorte (18), cojinete elastomérico activo hidráulicamente (30),
resorte neumático (31), accionador con accionamiento magnético (32),
accionador con accionamiento por motor (33), accionador con
accionamiento excéntrico (34).
El accionamiento del absorbedor se realiza por
una bomba (22) o un compresor o por elementos de ajuste eléctricos
directos. Para poder realizar en un accionamiento hidráulico pequeño
o un compresor movimientos cortos rápidos es adecuada la
utilización de depósitos (Figura 18 (25)). Son posibles depósitos
hidráulicos (22) (Figura 18) o incluso depósitos de gas. El control
y la regulación de los elementos activos se realizan con el control
hidráulico (26). Alternativamente se puede usar un control
neumático. Los elementos de ajuste adicionales, véase la Figura 19
((32), (33), (34)), se accionan directamente de forma eléctrica.
El control de los absorbedores de vibraciones de
acuerdo con la invención se realiza dependido de las vibraciones
que se presenten en la turbina eólica. Las mismas se pueden medir
directamente en el sitio de generación, por el ejemplo, en la pala
(Figura 18, (18)). Con la medición en la pala se tiene que
transmitir la señal por anillos colectores o por radio. Para evitar
esta complejidad, las vibraciones también se pueden medir
directamente en la góndola. La frecuencias críticas conocidas se
pueden filtrar en el ordenador desde las señales y transformar como
las señales medidas directamente en señales correspondientes para el
control del absorbedor, de tal forma que el absorbedor contrarreste
las vibraciones perturbadoras que se presentan en la centra eólica.
El absorbedor puede realizar al mismo tiempo varias frecuencias en
ejes del espacio iguales y diferentes. Sin embargo, también puede
contrarrestar de forma dirigida las diferentes vibraciones que se
presentan con desplazamiento temporal.
Como ya se ha descrito anteriormente, la
invención también comprende tales absorbedores que comprenden varias
barras de péndulo, en las que fija la masa de péndulo (1).
Preferiblemente, tales absorbedores tienen de dos a cuatro,
particularmente tres barras de péndulo. Las barras de péndulo no
comprenden solamente articulaciones cardánicas provistas de medios
de amortiguación, que se fijan en la construcción de soporte (37,
52), que en una realización preferida articulaciones
correspondientes incluso en su otro extremo, en el que se sitúa la
masa (1). Por esta disposición, la masa oscila paralela con respecto
a la dirección x/y. La rigidez del rodamiento de péndulo se compone
de la suma de las rigideces de todas las articulaciones. También la
segunda articulación puede comprender los medios de amortiguación
de acuerdo con la invención (40), que se componen esencialmente de
varios módulos elastoméricos (7), preferiblemente de tres a seis y,
en un caso dado, medios de amortiguación adicionales que se han
descrito anteriormente, hidráulicos o incluso mecánicos. Las barras
de péndulo también se pueden unir con la segunda articulación de
péndulo por encima de la masa de péndulo con la misma. También
pueden introducirse, como se dibuja en la Figura 22, en la masa de
péndulo, pasar a través de la masa de péndulo o aplicarse incluso
en el exterior de la masa de péndulo en la misma.
Los absorbedores de vibraciones con varias
barras de péndulo son particularmente adecuados para el montaje
preferiblemente en la parte posterior de la góndola y contribuyen a
la disminución eficaz de vibraciones horizontales, que se generan
particularmente por las palas del rotor giratorias.
\vskip1.000000\baselineskip
La lista de referencias citadas por el
solicitante es, únicamente, para conveniencia del lector. No forma
parte del documento de patente europea. Si bien se ha tenido gran
cuidado al compilar las referencias, no pueden excluirse errores u
omisiones y la OEP declina toda responsabilidad a este respecto.
\bullet WO 9838392 A [0010]
Claims (12)
1. Un absorbedor de vibraciones adecuado para la
amortiguación de vibraciones en turbinas eólicas, compuesto
esencialmente por masa de inercia, barra de péndulo, cojinete o
articulación de péndulo y medios de amortiguación, donde la masa de
inercia, la longitud del péndulo y la fuerza de los medios de
amortiguación están adaptados a las características físicas de la
turbina eólica de tal forma que la masa de inercia vibra con
desplazamiento de fase en comparación con la construcción,
caracterizado porque los medios de amortiguación (40) forman
junto con la articulación de péndulo (4) una unidad cerrada en
cuanto a la construcción y se componen esencialmente de uno o
varios módulos elastoméricos (7), donde el absorbedor se puede
acelerar en cualquier dirección en un plano.
2. El absorbedor de vibraciones de acuerdo con
la reivindicación 1, caracterizado porque comprende medios
de amortiguación adicionales de tipo hidráulico (17) o de tipo
mecánico (5), (6).
3. El absorbedor de vibraciones de acuerdo con
la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los módulos
elastoméricos (7), para la regulación de su rigidez, comprenden uno
o varios discos de separación (8).
4. El absorbedor de vibraciones de acuerdo con
una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los
medios de amortiguación (40) se componen de cuatro módulos
elastoméricos (7), que se distribuyen alrededor de la articulación
de péndulo (4).
5. El absorbedor de vibraciones de acuerdo con
una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la
propia barra de péndulo (3) es elástica.
6. El absorbedor de vibraciones de acuerdo con
la reivindicación 5, caracterizado porque la barra de péndulo
(3) se compone esencialmente de componentes elastoméricos
individuales.
7. El absorbedor de vibraciones de acuerdo con
la reivindicación 5, caracterizado porque la barra de péndulo
(3) se compone esencialmente de un cable de acero entrelazado o un
entramado de cable de acero tubular.
8. El absorbedor de vibraciones de acuerdo con
una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la
masa de inercia (1) se fija en varias barras de péndulo (3) con
varias de dichas articulaciones de péndulo (4) y varios de dichos
medios de amortiguación (40).
9. Una turbina eólica compuesta esencialmente
por una torre (36) y una sala de máquinas (39) en y sobre la que se
disponen medios de accionamiento y palas de rotor (35),
caracterizada porque comprende un absorbedor de vibraciones
de acuerdo con las reivindicaciones 1-8.
10. La turbina eólica de acuerdo con la
reivindicación 9, caracterizada porque el absorbedor de
vibraciones se aplica en la articulación de péndulo (4) con
libertad de movimientos en la construcción de soporte (37) sin
unión adicional con respecto a la torre o la sala de máquinas.
11. La turbina eólica de acuerdo con la
reivindicación 9 ó 10, caracterizada porque el absorbedor de
vibraciones se dispone de tal forma que su masa de inercia (1) se
sitúa por encima de la articulación de péndulo (4).
12. La turbina eólica de acuerdo con una de las
reivindicaciones 9 a 11, caracterizada por que dicho
absorbedor de vibraciones se dispone en el exterior de la torre en
o sobre dicha sala de máquinas (39).
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