ES2348252T3 - Volante tensor en un sistema de rotor para turbinas eolicas e hidraulicas. - Google Patents

Volante tensor en un sistema de rotor para turbinas eolicas e hidraulicas. Download PDF

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Abstract

Un sistema de rotor de turbina de flujo de fluido que comprende: un buje (8) montado sobre un eje, una pluralidad de palas (108) de rotor, y un volante tensor, comprendiendo el volante tensor una estructura (3) de aros montada en el buje (8) con una pluralidad de radios (7), en el que la estructura (3) de aros comprende un aro (107) exterior y un aro (112) interior interconectados entre sí, y las palas (108) del rotor se extienden hacia fuera desde la estructura (3) de aros de manera que las palas (108) pueden inclinarse, caracterizado porque las palas (108) del rotor se extienden a través de los aros (107, 112) exterior e interior hacia dentro del área circundada por la estructura (3) de aros de manera tal que el control de la inclinación de las palas (108) del rotor se puede retener en el buje (8).

Description

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
1.
Campo de la Invención
La invención se refiere a un sistema de rotor para una turbina de flujo de fluido que comprende un buje montado en un eje y una pluralidad de palas de rotor.
2.
Técnica Anterior
En una típica turbina eólica de eje horizontal, está montada una góndola en una torre vertical alta. La góndola aloja mecanismos de transmisión de energía, equipamiento eléctrico y, en un extremo, soporta un sistema de rotor. Los sistemas de rotor de turbinas eólicas de eje horizontal incluyen normalmente una o más palas unidas a un buje del rotor sobre un eje. El flujo de viento hace girar el rotor que, a su vez, hace girar el eje en la góndola. El eje gira engranajes que transmiten par de torsión a generadores eléctricos. La góndola típicamente pivota alrededor de la torre vertical para captación del viento que fluye en cualquier dirección. El pivotado alrededor de este eje vertical en respuesta a cambios en la dirección del viento se conoce como guiñada o respuesta de guiñada y el eje vertical se denomina eje de guiñada. Cuando el viento sobrepasa las palas con velocidad suficiente, el sistema de rotor rota y la turbina eólica convierte la energía eólica en energía eléctrica a través de los generadores. Las salidas eléctricas de los generadores están conectadas a una red eléctrica.
Los sistemas de rotor convencionales tienden a moverse en respuesta a cambios en la dirección del viento durante la operación buscando una posición de guiñada correcta con respecto a una nueva dirección del viento, en vez de seguir dichos cambios de manera estable. Los cambios de la dirección del viento o ráfagas de viento hacen pivotar el sistema de rotor de turbinas eólicas típicas lejos de una posición de guiñada correcta y el sistema, seguidamente, busca una posición correcta con respecto a la dirección media del viento cuando el viento transitorio se disipa. Los movimientos de búsqueda inestables producen vibración indeseable y tensión en el sistema de rotor. Las palas y el buje del rotor se fatigan y finalmente el fallo de palas y buje del rotor donde las palas y el buje del rotor se encuentran está directamente relacionada con el número de movimientos de búsqueda y la velocidad a la que se realizan. Los cambios rápidos en guiñada incrementan espectacularmente las fuerzas que actúan contra la inercia rotatoria de la totalidad del sistema de rotor, ampliando los momentos de curvado en la raíz de las palas donde se encuentran y se unen al buje del rotor. La vibración y el esfuerzo producen fatiga en el buje del rotor y en la raíz de las palas decreciendo así la vida útil del equipo y reduciendo su fiabilidad.
Una forma hemisférica, es decir, que tiene la forma aproximadamente de media esfera definida por un círculo máximo, es la geometría ideal para un componente muy cargado tal como el buje de una turbina eólica o hidráulica. Por esta razón, los bujes hemisféricos son de uso común. Sin embargo, la forma hemisférica está menoscabada por la penetración de orificios espaciados regularmente para albergar cada una de las varias raíces de pala. Dado que estos orificios eliminan algo de la resistencia estructural del buje, el material restante del buje se hace más acentuadamente fatigado. El tamaño, peso y coste del buje están determinados por la relación de orificios de pala a diámetro hemisférico. Los momentos de doblado de la pala ladean la forma hemisférica, concentrando esfuerzo en el material restante entre los orificios de pala.
El documento US 4, 319,865 revela una turbina eólica con un aro interior y un aro exterior, estando el aro exterior acoplado por su periferia a un generador. La estructura del aro consta de varios segmentos, que incluye cada uno una pala, un álabe principal y un álabe auxiliar, en la que las palas están dispuestas firmemente entre el aro interior y el aro exterior.
El documento WO 03/076803 A 1 revela una turbina eólica con un gran número de palas principales. El buje normal está sustituido por una pista de rotación relativamente amplia y cerrada en la que las palas están unidas girablemente, extendiéndose hacia fuera y estando conectadas a un aro exterior. Las palas auxiliares están unidas a una pista de rotación, que se extiende hacia dentro y está conectada a un aro circular interior. Además, la turbina comprende varias palas auxiliares que se extienden hacia fuera desde el aro exterior y están conectadas a un aro exterior, es decir, la turbina eólico comprende tres secciones de palas entre el centro y el aro exterior.
Cuando se incrementa el tamaño del rotor de la turbina eólica al orden de magnitud de multimegavatios, la longitud de la pala impone exigencias estructurales sobre el extremo de la raíz de la pala que añaden peso que, a su vez, impone exigencias estructurales aún mayores que, en el extremo, limitan las posibilidades de incrementar el dimensionamineto de la pala. Sin embargo, los diseños de turbinas eólicas conocidos de técnica anterior no son adecuados para incrementar el dimensionamiento de las palas del rotor y, por consiguiente, es deseable limitar la longitud de la pala hasta materiales y diseños que proporcionen márgenes estructurales correctos pero que incrementen el diámetro del rotor, para obtener un área de barrido del rotor mayor que dé lugar a una captación de energía eólica mayor.
Es también deseable establecer una geometría del buje del rotor que tenga una
estructura sólida incrementando al mismo tiempo el área de barrido del rotor.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
De acuerdo con los principios de esta invención, un sistema de rotor de una turbina de flujo de fluido comprende un buje montado sobre un eje, una pluralidad de palas de rotor, y un volante tensor, comprendiendo el volante tensor una estructura de aros montada en el buje con una pluralidad de radios, en el que la estructura de aros comprende un aro exterior y un aro interior interconectados entre sí.
Las palas del rotor se extienden hacia fuera desde la estructura de aros del volante tensor, están unidas a la estructura de aros pudiendo inclinarse y se extienden a través de los aros exterior e interior en el área circundada por la estructura de aros de manera tal que el control de la inclinación de las palas del rotor se puede retener en el buje.
En una realización preferente, las palas del rotor están montadas en el buje y comprenden una sección interior entre el buje y la estructura de aros y una sección exterior fuera de la estructura de aros. Preferiblemente, no solamente la sección exterior comprende palas, sino que también la sección interior comprende superficies aerodinámicas, tales como palas o velas, para captar energía eólica en el área circundada por la estructura de aros. En una realización preferente, también los radios comprenden superficies aerodinámicas, tales como palas o velas, para captar más energía eólica.
La invención tiene la ventaja de limitar la longitud de las palas a materiales y diseños que presentan márgenes estructurales apropiados aunque incrementan el área de barrido del rotor (diámetro del rotor) sustituyendo el diseño del buje convencional por una disposición del buje de volante tensor con palas unidas al aro del volante tensor.
Aunque el incremento del área de barrido se realiza con palas que cumplen las exigencias estructurales, lo hace al coste de no captar energía eólica en el área del rotor circundada por el buje del volante tensor. Sin embargo, la energía perdida se puede captar aplicando superficies aerodinámicas tales como palas o velas, a los radios del volante tensor o palas que comprenden una sección de pala exterior unida al aro del volante tensor y una sección de pala interior entre el aro y el buje.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 es una vista frontal de un sistema de rotor y torre de horquilla superior; La figura 2 es una vista lateral del sistema de rotor mostrado en la figura 1 con unidades
motrices gemelas; La figura 3 es una vista lateral del sistema de rotor mostrado en la figura 1 con una sola unidad motriz; La figura 4 es una vista en sección transversal del buje del volante y pala montada sobre el aro del volante; La figura 5 es una vista en sección parcial del buje del volante con velas o palas montadas sobre los radios del volante; La figura 6 es una ilustración, en primer plano, de la red de captación de energía realizada extendiendo el área barrida por el rotor usando un buje de volante tensor; La 7 es una vista esquemática en perspectiva de un sistema de rotor en el que la invención del solicitante está realizada mostrando más detalladamente el volante tensor; La figura 8 muestra más detalladamente la pala montada en el volante tensor y el buje; La figura 9 muestra la pala interior montada en el buje; La figura 10 muestra la pala exterior montada en la estructura de aro del volante tensor; y La figura 11 muestra más detalladamente el montaje del volante tensor para el buje para la torre.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Se hace referencia a la figura 1, que es una vista frontal de un sistema de rotor y torre y parte superior de horquilla 1. El dispositivo generador de energía eólica incluye un generador eléctrico alojado en una góndola 2 de turbina 2, que está montada por una sección con parte superior de horquilla, 132, para una base de guiñada 102 encima de una estructura 104 de torre alta anclada al suelo 105. La base 120 de guiñada de la turbina es libre de rotar en el plano horizontal de manera tal que tiende a permanecer en la ruta de la corriente de viento predominante. La turbina tiene un conjunto 106 de buje de volante tensor que comprende un volante tensor montado sobre un buje 8. El volante tensor consta de una estructura 3 de aros soportada por radios 7 unidos al buje 8. La estructura 3 de aros (mostrada más detalladamente en las figuras 4 y 5) comprende un aro 112 interior (al que están unidos los radios 7) y un aro 107 exterior. Las palas 108 principales están unidas al aro 107 exterior. Las palas 108 rotan en respuesta a una corriente de viento. Cada raíz 122, 124, 126, 128, 130 de pala está montada en el aro 107 exterior del volante tensor. Cada una de las palas puede tener una sección de extensión de pala que es variable en longitud para constituir un rotor de diámetro variable y puede estar preparada para cambiar de inclinación.
La góndola 2 aloja mecanismos de transmisión de energía, equipo eléctrico y un eje que
soporta el rotor. El sistema de rotor mostrado en la figura 1 tiene cinco palas 108 unidas al aro 107 exterior del conjunto 106 de buje de volante tensor, que hace rotar un eje en la góndola 2. El eje hacer girar engranajes que transmiten par torsor a generadores eléctricos. La góndola 2 pivota alrededor de un eje vertical para captación de viento que fluye en cualquier dirección. El pivotado alrededor de este eje vertical en respuesta a cambios de dirección del viento se conoce como guiñada o respuesta de guiñada y el eje vertical se denomina eje de giñada. Cuando el viento se mueve hasta pasadas las palas 108 con velocidad suficiente el sistema de rotor rota y la turbina eólica convierte la energía eólica en energía eléctrica a través de generadores. Las salidas eléctricas de los generadores están conectadas a una red eléctrica.
El diámetro del rotor se puede controlar para extender totalmente el rotor a caudal bajo y replegar el rotor cuando el caudal se incrementa de manera tal que las cargas liberadas por
o ejercidas sobre el rotor no superen los límites establecidos. La turbina es sostenida por la estructura de la torre en la ruta de la corriente de viento de manera tal que la turbina se mantiene en posición horizontalmente en alineación con la corriente de viento. El generador eléctrico es impulsado por la turbina para producir electricidad y está conectada a otras unidades y/o a una red eléctrica.
Se hace referencia a la figura 2, que es una vista lateral del sistema de rotor mostrado en la figura 1. La base 102 de guiñada soporta una torre de horquilla superior que tiene dos secciones 132, 134 encima de las cuales están unidas dos góndolas 136, 138.
Se hace referencia a la figura 3, que es una vista lateral de un sistema de rotor alternativo que soporta solamente una góndola 142. La base 102 de guiñada soporta una sola sección 140 de torre encima de la cual está unida una góndola.
Se hace referencia a la figura 4, que es una vista en sección transversal del conjunto 106 de buje de volante tensor que ilustra cómo está la raíz de la pala sobre el aro 107 exterior del volante usando un soporte 131 de pala.
Se hace referencia a la figura 5, que es una vista en sección parcial del buje de volante con velas o palas montadas sobre los radios 7 del volante. Se muestra una pala o vela 150 unida al radio 7 entre el aro 112 interior y el buje 8, que está unido al eje principal de la góndola
2. El resultado de esta disposición híbrida es que la energía eólica perdida de otra manera en el área circundada por el aro 3 del volante tensor es captada por la pala o vela 150.
Los expertos en la técnica entenderán que las palas 108 principales pueden extenderse parcial o totalmente en el área circundada por el aro del volante tensor. Si las palas 108 principales están extendidas totalmente en el área circundada por el aro del volante tensor dichas palas pueden unirse a un buje 8 dimensionado adecuadamente de manera convencional. Si es necesario, las palas 108 principales pueden estar ahusadas en esta área con el fin de dar cabida a los radios 7. Las palas o velas también se pueden emplear sobre los radios 7 para llenar las áreas restantes dejadas vacantes por las palas principales extendidas.
En los diseños híbridos descritos, la tensión sobre el buje 8 será mucho menor que en un rotor convencional, permitiendo el uso de palas 108 mucho más largas. Esto se debe a que el diseño de la estructura del volante tensor de acuerdo con la presente invención libera tensión del buje 8. Se entenderá también que en la situación en la que las palas 108 están extendidas en el área circundada por el aro del volante tensor, el control de la inclinación de las palas 108 principales y de las palas/velas montadas en radios puede ser retenido en el buje 8 que es lo convencional.
Se hace referencia a la figura 6, que ilustra, en primer plano, la captación de energía por la red realizada extendiendo el área de barrido del rotor usando un buje de volante tensor.
Las figuras 7 -11 muestran el sistema de rotor en el que la invención del solicitante está realizada comprendiendo el volante tensor más detallado. La figura 7 muestra el conjunto 106 de buje de volante tensor montado en una góndola 2 que está soportada por la torre 1. El conjunto 106 de buje de volante tensor comprende una estructura de aros soportada por una pluralidad de radios 7 unidos al buje 8. Las palas 108 principales están montadas en el buje 8 y unidas a la estructura 3 de aros del volante tensor. Las palas 108 están unidas a la estructura de aros del volante tensor por medio de un mecanismo de engoznado que se muestra con más detalle en la figura 10. La sección 4 interior de las palas 108 entre la estructura 3 de aros y el buje 8 comprende una superficie aerodinámica, donde un eje 10 de pala interior (mostrado en las figuras) da soporte estructural a la superficie aerodinámica y da soporte estructural parcial a la totalidad de al masa del rotor posibilitando que el rotor sea soportado tanto por la mitad inferior de los radios –que actúan en tensión-como por la mitad superior de los ejes de pala que actúan en compresión cuando se produce la rotación. Además, el volante tensor da soporte estructural axial (corrector) entre las palas para reducir las cargas cíclicas debidas a efectos de la gravedad sobre las palas en cada revolución que estresa especialmente la sección de raíz de la pala. Así que la estructura del volante tensor permite un diámetro de rotor mayor comparado con las estructuras de pala/rotor convencionales no soportadas.
Las secciones 5 exteriores de las palas 108 incluyen la superficie aerodinámica fuera de la estructura 3 de aros del volante tensor. Tanto la sección 4 de la pala interior como la sección 5 de la pala exterior son superficies aerodinámicas montadas sobre un larguero o travesaño estructural común que se extiende desde el buje 8 hasta cerca de la punta de la pala. El anillo tensor da soporte estructural a las palas contra cargas de empuje (viento frontal), cargas correctoras (efecto de la gravedad sobre las palas) y cargas de empuje negativas (el raro suceso cuando el cambio rápido del viento incide sobre el rotor desde atrás).
Las palas 108 mostradas en la figura 7 pueden tener una sección 6 exterior plegable. Además, las palas 108 pueden operar con control de inclinación de las palas independiente IBPC debido a la diferencia usual en la velocidad del viento entre la parte superior del rotor y la inferior.
Los radios 7 que se extienden desde diferentes posiciones axiales del buje 8 hasta la estructura 3 de aros del volante tensor sirven para:
a) dar soporte estructural a las palas 108 contra cargas de empuje del viento, b) mantener la estructura 3 de aros contra el arqueado cuando las palas se flexionan en el plano de rotación (modo de corrección) manteniendo un arco estructural rígido entre las palas, y c) transmitir el par de torsión de las palas/aros al buje 8.
El buje o eje 8 soporta el rotor y transmite el par de torsión l unidad motriz y sistema de generación.
Los radios 7 comprenden radios 11 posteriores y radios 12 anteriores (véanse las figuras). Los radios 11 posteriores resisten cargas en el sentido hacia delante y transmiten cargas torsionales de las palas 108 y del aro 3 al árbol motriz del eje (buje) de la caja de engranajes de conexión a los generadores. Los radios 12 anteriores apoyan el volante tensor y las palas para resistir las cargas de empuje de los vientos. Estos radios están unidos también al extremo anterior del eje (buje) en una posición situada tangencialmente sobre el buje. Esto posibilita la rotación del aro a transmitir a través de la tensión de los radios 12 hasta una fuerza rotatoria sobre el buje.
Como se mencionó anteriormente, las palas 108 están soportadas por un montaje 9 de pala exterior y un montaje 13 de pala interior. El montaje 9 de pala exterior es un mecanismo de engoznado que une la pala a la estructura 3 de aros y facilita:
a) el cabeceo de la pala 108 desde una posición enchavetada hasta el rango total de posiciones operativas (ángulos de ataque), b) soporte estructural a la pala 108 para posibilitar diámetros del rotor mayores que son posibles solamente con palas unidas al buje 8 en la raíz de la pala, y c) posibilita que la masa del rotor sea soportada (junto con los radios en tensión) transmitiendo la carga a los árboles 10 de las palas. La sección 4 interior de la pala comprende un árbol 10 de pala interior que es un miembro estructural que puede ser un travesaño o un larguero o alguna combinación de los mismos que se extiende desde el 8 o eje hasta el segmento 5 exterior de la pala 108. El árbol 10 da soporte estructural a las superficies aerodinámicas de las palas y a las cargas encontradas por las palas y el rotor. El árbol 10 y las palas 108, 4, 5 pueden ser rotados a lo largo del eje de la pala para facilitar el cabeceo aerodinámico de la pala 108.
Las monturas 13 de pala soportan la pala 108 contra cargas de flexión y axiales, y se combinan con los árboles 10 de pala y el montaje 9 de pala exterior y radios 7 para soportar la masa del rotor. Un accionamineto 14 de inclinación de la pala está montado sobre el buje 8 (o eje) y sirve para hacer rotar las palas en inclinación, como accionadas por un motor 15 de inclinación de la pala.
La figura 10 muestra el montaje 9 de pala exterior con más detalle. En su extremo interior, la sección 4 de la pala comprende un empalme 20 de larguero que es el acoplamiento del travesaño estructural que conecta las secciones 4, 5 de pala interior y exterior. La estructura 3 de aro del volante tensor comprende un montaje 19 de soporte y un soporte 18. La sección 4 interior y la sección 5 exterior cada una comprende un espacio vacío 17 para recibir un eje 16 para unir la sección 4 interior y la sección 5 exterior de la pala a la estructura 3 de aro.
La figura 11 muestra el montaje del volante con más detalle. Un soporte 21 principal anterior y un soporte 22 principal posterior soportan el árbol principal de la unidad motriz que se conecta al buje (eje) del rotor y transfiere el momento y cargas de empuje del rotor a través de la caja de engranajes a los generadores 23.
En la figura 8 se muestra esquemáticamente un carenado 24 aerodinámico de los radios 7 que están instalados para reducir la resistencia aerodinámica de los radios 7.
La invención ha sido mostrada y descrita con referencia a una turbina eólica montada encima de una torre basada en el suelo, los expertos en la técnica se darán cuenta de que la invención es aplicable también a turbinas subacuáticas en las que las turbinas se anclan bajo el agua y las palas son impulsadas en su rotación por la fuerza de corriente de agua.
Aunque la invención ha sido mostrada y descrita especialmente con referencia a realizaciones preferentes de la misma, los expertos en la técnica entenderán el cambio anterior y otros en forma y detalle pueden hacerse sin salir del alcance de la invención definido en las reivindicaciones.

Claims (6)

  1. Reivindicaciones
    1. Un sistema de rotor de turbina de flujo de fluido que comprende:
    un buje (8) montado sobre un eje, una pluralidad de palas (108) de rotor, y un volante tensor, comprendiendo el volante tensor una estructura (3) de aros montada en el buje (8) con una pluralidad de radios (7), en el que la estructura (3) de aros comprende un aro
    (107) exterior y un aro (112) interior interconectados entre sí, y las palas (108) del rotor se extienden hacia fuera desde la estructura (3) de aros de manera que las palas (108) pueden inclinarse, caracterizado porque las palas (108) del rotor se extienden a través de los aros (107, 112) exterior e interior hacia dentro del área circundada por la estructura (3) de aros de manera tal que el control de la inclinación de las palas (108) del rotor se puede retener en el buje (8).
  2. 2.
    El sistema de rotor de la reivindicación 1, caracterizado porque los radios (7) comprenden superficies aerodinámicas, tales como palas o velas, para captar la energía eólica en el área circundada por la estructura (3) de anillos.
  3. 3.
    El sistema de rotor de la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque las palas (108) del rotor comprenden una sección (4) interior entre el buje (8) y la estructura (3) de aros, y una sección (5) exterior que se extiende hacia fuera desde la estructura (3) de aros.
  4. 4.
    El sistema de rotor de la reivindicación 3, en el que las secciones interiores de las palas de rotor comprenden superficies aerodinámicas.
  5. 5.
    El sistema de rotor de cualquiera de las reivindicaciones 1 -4, caracterizado porque la estructura (3) de aros comprende un aro (107) exterior y un aro (112) interior interconectados entre sí, en el que las palas (108) del rotor están montadas en el aro (107) exterior y los radios están unidos al aro (112) interior.
  6. 6.
    El sistema de rotor de cualquiera de las reivindicaciones 1–5, caracterizado porque las palas (108) operan con un control de la inclinación de las palas independiente.
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