ES2353852T3 - Generador para una turbina eólica, módulo de estator para su uso en el generador de este tipo y uso del generador de este tipo. - Google Patents

Generador para una turbina eólica, módulo de estator para su uso en el generador de este tipo y uso del generador de este tipo. Download PDF

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Abstract

Generador, preferiblemente una para turbina eólica y especialmente del tipo accionado directamente por el rotor de la turbina eólica sin caja (5) de engranajes instalada entre el rotor y el generador, en el que al menos el estator del generador (12) está realizado con al menos dos módulos (20) que están completamente encerrados y sellados, y en el que estos al menos dos módulos (20) pueden montarse y desmontarse independientemente uno de otro, uno o más cada vez sin desmontar todo el devanado (25), caracterizado porque cada módulo (20) de estator individual está contenido individualmente en un receptáculo (23) con un grado de sellado sustancialmente correspondiente al grado de sellado que se desea en el generador (12) acabado, y porque un número dado de receptáculos (23) yuxtapuestos unos adyacentes a otros forman un anillo cerrado de módulos (20) de estator.

Description

Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere a un generador para una turbina eólica del tipo accionado directamente por el rotor de la turbina eólica sin caja de engranajes instalada entre el rotor y el generador, en el que al menos el estator del generador está formado por módulos de los que uno o más módulos de estator pueden desmontarse independientemente sin tener que desmontar todo el devanado.
Se sabe que es necesario insertar una caja de engranajes de multiplicación de la velocidad entre el rotor y el generador de una turbina eólica. La velocidad de rotación es del orden de 20 rpm para turbinas eólicas grandes, mientras que un generador normal de 4 polos tiene una velocidad de rotación sincrónica de 1500 rpm. Una caja de engranajes de multiplicación de la velocidad adecuada tendrá por tanto una relación de transmisión de 1:75.
Se sabe que la caja de engranajes principal de multiplicación de la velocidad de una turbina eólica constituye una parte sustancial del precio de coste, y además de eso se trata de un componente principal relativamente vulnerable. En muchos casos, debido a posibles daños, será necesario desmontar la caja de engranajes para su reparación. Teniendo en cuenta la caja de engranajes para una turbina eólica en la clase 2 MW con un peso de hasta 15 toneladas y montada en una máquina dispuesta sobre una torre con una altura de 60-100 m, resulta evidente que tal sustitución puede resultar muy costosa.
El riesgo de incurrir en considerables gastos debido a una posible sustitución se multiplica en caso de grandes turbinas eólicas construidas en alta mar. La manipulación de pesos de 15 toneladas o más a 60-100 m de altura sólo puede realizarse con grúas flotantes muy grandes o grúas móviles muy grandes situadas sobre grandes barcazas. El trabajo con este tipo de equipos en mar abierto sólo puede realizarse con buen tiempo. Por tanto, puede haber periodos de varios meses durante el invierno en los
que no es posible sustituir una caja de engranajes dañada.
El propio generador es también un componente principal pesado, normalmente con un peso de 5 toneladas en el caso de una salida nominal de 2 MW. Al igual que con la caja de engranajes, no puede evitarse que haya un cierto riesgo de avería del generador. Las condiciones para su sustitución son igual de malas que para la caja de engranajes.
También se sabe que existen sistemas de transmisión sin engranajes para turbinas eólicas en los que la caja de engranajes y el generador se sustituyen por un generador multipolar de rotación lenta. Un generador accionado directamente de este tipo puede realizarse como un generador sincrónico con rotor devanado o con imanes permanentes, o puede diseñarse como tipos alternativos de generadores. En los generadores multipolares, accionados directamente, es común que sus dimensiones sean grandes. El diámetro de entrehierro en el caso de una salida nominal de 2 MW puede ser, por ejemplo, del orden de 5 m en el caso de una realización con rotor devanado, y un poco menos en el caso de una realización con rotor magnetizado permanentemente.
En el caso de un generador multipolar accionado directamente, la caja de engranajes resulta superflua. Habitualmente, será necesario insertar un convertidor de frecuencia entre el generador y la red ya que es difícil conseguir un número de polos correspondiente a la frecuencia de la red eléctrica de 50 Hz por rpm nominal. Por tanto, los generadores multipolares normalmente generan corriente alterna con una frecuencia algo inferior, por ejemplo 20 Hz, por lo que el número de polos puede reducirse a 2/5, y se proporciona más espacio para los devanados de bobina. A pesar de que el convertidor de frecuencia supone una mayor complejidad en relación con un sistema generador en el que el generador está acoplado directamente a la red, puede apreciarse que la reducción de la complejidad mediante la eliminación de la caja de engranajes principales compensa con creces esto.
Un inconveniente sustancial en un generador multipolar accionado directamente, son las dimensiones físicas. En el caso de un diámetro de entrehierro de 5 m, el diámetro externo se vuelve del orden de 6 m, y la carga permanente se vuelve aproximadamente la carga permanente de los componentes sustituidos, la caja de engranajes y el generador normal, es decir, 20 toneladas o más. El gran diámetro externo hace que el transporte sea difícil, y la carga permanente no reduce el problema de la sustitución para reparaciones debidas a posibles averías.
Una dificultad adicional surge en las configuraciones normales con generadores multipolares en los que el generador está situado entre el rotor y la torre con el fin de dar lugar a una construcción de máquina compacta. Además, en este caso será necesario desmontar todo el rotor en caso de un eventual desmontaje del generador.
A partir del documento WO-A1-98/20595 se conoce un estator ensamblado a partir de módulos, en el que los devanados de estator en cada módulo pueden ser prefabricados, y el devanado completo puede ensamblarse después in situ. Esta construcción hace que el transporte hasta el sitio de construcción sea más sencillo. Esta construcción requiere un alojamiento de estator como tal, y este alojamiento de estator requiere un diámetro que sea sustancialmente más grande que el diámetro de entrehierro.
A partir del documento US-A-4.594.552 se conoce otro generador que tiene un estator construido a partir de módulos, módulos que pueden desmontarse sin tener que desmontar todo el devanado. Esta construcción, sin embargo, también requiere un alojamiento de estator como tal, y que el alojamiento de estator tenga un diámetro sustancialmente más grande que el diámetro de entrehierro.
Se conoce una realización de un generador accionado directamente, patente estadounidense 5.844.341, en la que el estator del generador está realizado con módulos que constituyen, en gran medida, pares polares individuales y que se
disponen sobre brazos de soporte fuera de los polos. La ventaja de esta construcción es que una parte dañada del generador puede sustituirse sin tener que bajar todo el generador. El inconveniente con esta configuración es, sin embargo, que las propiedades electromecánicas en esta forma de construcción modular con pares de polos individuales separados por entrehierros pueden ser desventajosas, y que el posible desmontaje de un módulo de estator individual puede implicar que tenga que abrirse el generador completo in situ lo que implica el riesgo de humedad, suciedad, etc., y que puede ser molesto si
el
módulo de estator tiene que extraerse en una dirección
desventajosa.
Se
conoce otro diseño de un generador accionado
directamente, patente estadounidense 4.866.321, en el que un generador axial tiene un estator diseñado con módulos que contienen, cada uno, un único polo enrollado alrededor de una bobina e instalado en una disposición en la que la bobina puede sacarse radialmente del estator. La ventaja de esta construcción es, al igual que con la anterior, que un polo dañado en el generador puede sustituirse sin tener que bajar el generador completo. Como consecuencia de la construcción mecánica, es probable que las propiedades electromecánicas sean mejores que en la disposición anterior. El inconveniente es, sin embargo, que un posible desmontaje de un módulo de estator individual puede implicar que tenga que abrirse el generador completo in situ lo que implica riesgos de humedad, suciedad, etc., y que puede resultar molesto si el módulo de estator tiene que sacarse en una dirección desventajosa.
La finalidad de la presente invención es proporcionar un generador del tipo descrito anteriormente, en el que se mantengan las ventajas de un generador multipolar accionado directamente, y en el que se palien los inconvenientes asociados con los generadores conocidos de manera que sea posible no disponer de un alojamiento de estator como tal, con lo cual el diámetro de la construcción puede limitarse, y realizarse con un
tamaño sustancialmente correspondiente al diámetro de entrehierro.
Esta finalidad se consigue, según la presente invención, con un generador peculiar porque cada módulo de estator individual está contenido individualmente en un receptáculo con un grado de sellado sustancialmente correspondiente al grado de sellado que se desea en el generador acabado, y porque un número dado de receptáculos yuxtapuestos adyacentes unos otros forman un anillo cerrado de módulos de estator.
Al diseñar el generador según la invención, se consiguen diversas ventajas en comparación con la técnica anterior.
Las ventajas de un generador multipolar, accionado directamente en comparación con sistemas de transmisión más convencionales con caja de engranajes y generador estándar se mantienen en un generador según la invención.
Al diseñar la parte eléctricamente activa del estator del generador como módulos, cada uno con el grado necesario de sellado (normalmente hay un sellado deseado correspondiente a IP54), un alojamiento de estator como tal no es necesario, la parte estructural del alojamiento de estator adaptada para el montaje de los módulos puede diseñarse con un diámetro externo sustancialmente igual que el diámetro de entrehierro. De este modo, el diámetro externo de la parte del estator que normalmente se instala cuando se transporta la turbina eólica al sitio de construcción se reduce al mínimo determinado por el entrehierro. En cuanto al transporte, hay una ventaja sustancial en tener el mínimo diámetro externo posible. Los módulos de devanado del estator tienen entonces que instalarse posteriormente en el sitio de construcción.
Al realizar el devanado como módulos, los requisitos de espacio y la complejidad en el devanado se reducen considerablemente. Los módulos de estator pueden realizarse en producción en serie, y los módulos individuales pueden acabarse con sellado, caja terminal, etc. en condiciones convenientes. Por tanto, se reduce mucho el riesgo de daños de devanado
provocados por una manipulación en condiciones de difícil acceso en una construcción grande.
Una realización especial de un módulo de estator según la invención se caracteriza porque el módulo de estator está previsto para constituir una parte de un estator completo, y porque el módulo de estator está contenido en un receptáculo con
estanqueidad
correspondiente a un grado deseado dado del
receptáculo.
Al
hacer los módulos de estator con la estanqueidad
necesaria de modo que puedan instalarse y desmontarse in situ, se consigue una ventaja muy esencial en caso de posibles daños. Los daños en un devanado de generador surgen normalmente por una descarga disruptiva inicial en una ubicación, por ejemplo, debido a daños de aislamiento accidentales, humedad o similares. Debido a las grandes cantidades de energía liberada por el quemado, el daño, sin embargo, normalmente provoca más efectos generales sobre la totalidad del devanado en un generador estándar. Grandes partes del devanado pueden dañarse por fusión, por otros efectos térmicos y por engrasamiento. En el generador de construcción modular, sin embargo, el daño se limita habitualmente simplemente al módulo en el que se ha producido la descarga disruptiva inicial. Por tanto, no es necesario desmontar todo el devanado ya que la reparación puede limitarse al (a los) módulo(s) afectado(s).
La construcción segmentada del generador ofrece la posibilidad de utilizar propiedades de materiales particularmente ventajosas normalmente no disponibles en máquinas eléctricas giratorias. El hecho es que puede realizarse hierro con propiedades magnéticas direccionales. Este tipo de hierro orientado al campo se usa en transformadores y se denomina por tanto normalmente chapa para transformadores. En una máquina giratoria normal en la que se troquela la chapa para el estator y el rotor en una pieza, la chapa para transformadores no puede usarse ya que las líneas de campo magnético tendrán todas las direcciones alrededor del eje de
rotor. La ventaja de las buenas propiedades magnéticas en la dirección de campo más ventajosa queda compensada con creces, por tanto, por las correspondientes malas propiedades magnéticas perpendiculares a la dirección de campo más ventajosa. Por tanto, en máquinas giratorias se usa la denominada chapa para motores, que no presenta propiedades magnéticas direccionales.
Las
pérdidas de hierro son por tanto algo mayores en las
máquinas
giratorias que en los transformadores con
correspondientes variaciones en flujo.
En el generador segmentado, sin embargo, la situación es distinta a las máquinas giratorias normales. Al hacer el generador con seis o más módulos de estator, puede conseguirse que las líneas de campo magnético en cada segmento no se desvíen más de 10 grados respecto a la dirección más ventajosa en el hierro. El uso de chapa para transformadores por tanto se vuelve pertinente, y de este modo se consigue la posibilidad de una considerable reducción de las pérdidas de magnetización en comparación con las pérdidas cuando se usa chapa para generadores. Además, se consigue una conductividad magnética mejor, con lo cual se consigue una mayor inducción e intensidad del campo en el entrehierro con, de manera consiguiente, mayor potencia magnética y par motor.
Mediante la propia manipulación se consiguen también ventajas esenciales. Cada módulo individual tendrá un peso muy inferior al del generador completo, y también muy inferior al peso de una caja de engranajes normal o un generador normal. En el caso de un generador multipolar, accionado directamente con un peso de 20 toneladas, los módulos pueden realizarse de manera conveniente en un número tal que cada uno tenga un peso de 500 kg. En el caso de un peso de esta magnitud, los módulos pueden sustituirse individualmente mediante unos cuantos mecánicos instaladores por medio de una pequeña grúa que puede estar construida, de manera ventajosa, en la cabina de una turbina eólica.
La ventaja en comparación con la técnica anterior es
especialmente importante cuando se construyen grandes turbinas eólicas en el mar. Puede prescindirse por completo de las enromes grúas flotantes o las enormes grúas móviles en grandes barcazas necesarias para los trabajos de reparación en sistemas de transmisión conocidos, ya sean convencionales con caja de engranajes y generador estándar, o con generador multipolar, accionado directamente. La única condición para la reparación es que sea posible hacer llegar personal de servicio a la turbina. Los módulos de generador sustituidos pueden descenderse mediante una pequeña grúa integrada, y pueden transportarse por barco hacia y desde la turbina eólica en una embarcación de servicio normal. Varios módulos de generador pueden incluso almacenarse en la parte superior de la turbina como piezas de recambio, con lo cual el descenso y el transporte por mar puede posponerse hasta periodos con condiciones meteorológicas favorables.
Al realizar el generador en una versión montada sobre árbol en la que el par motor se absorbe en algunos puntos específicos mediante soportes de momento, puede lograrse la ventaja de que el estator del generador pueda girarse a la posición más optima para los trabajos de reparación. La instalación y el desmontaje de módulos pueden producirse por tanto en una posición definida independientemente de dónde esté dispuesto cada módulo en el generador cuando el generador está en su posición de funcionamiento normal. Por ejemplo, el estator del generador puede girarse de modo que el módulo que debe sustituirse gire hacia abajo y por tanto pueda descenderse inmediatamente a través de una escotilla en la parte inferior de la cabina de la turbina eólica.
Descripción del dibujo
La invención se describe más detalladamente a continuación haciendo referencia al dibujo, en el que:
la figura 1 es una ilustración de un tipo, de la técnica anterior, de sección superior de torre de una turbina eólica,
la figura 2 es una ilustración de una realización de una
sección superior de torre de una turbina eólica con un generador según la invención,
la figura 3 es una ilustración detallada de un generador según la invención visto en perpendicular a un eje del generador,
la figura 4 es una ilustración más detallada de un generador según la invención,
la figura 5 es una ilustración detallada de un generador según la invención visto en paralelo a un eje del generador,
la figura 6 es una segunda ilustración detallada de un generador según la invención, y
la figura 7 es una ilustración de una realización de un módulo de estator según la invención.
En el diseño mostrado en las figuras, el generador tiene 120 polos en 24 módulos de estator. El generador está permanentemente magnetizado. También son adecuadas otras realizaciones, incluyendo con magnetización sin escobillas así como por anillo de fricción de un rotor devanado. En este caso puede ser pertinente diseñar un rotor devanado de manera que el rotor también tenga módulos. Tal realización especial no se describe adicionalmente en el presente documento.
La figura 1 muestra una turbina eólica de la técnica anterior en diseño normal con caja de engranajes y generador estándar. Las palas 1 del rotor están montadas en el cubo 2 de la turbina que está fijado al árbol 3 principal. El árbol principal está soportado por un cojinete 4 principal en la parte frontal y por la caja 5 de engranajes en la parte trasera. La caja de engranajes está conectada al generador 7 con un acoplamiento 6 elástico.
La figura 2 muestra una turbina eólica diseñada según la invención. El árbol 8 principal está soportado por un cojinete 9 principal frontal y un cojinete 10 principal trasero. El cojinete principal tiene un casquillo 11 dividido en forma de pestaña en la parte trasera. El generador 12 tiene un árbol 14 (véase la figura 3) que está soportado por la pestaña 11 del
árbol principal.
La figura 3 muestra una sección longitudinal ampliada del generador. El árbol 14 del generador soporta la estructura 15 del rotor que en su periferia tiene la chapa 16 de rotor y los imanes 17 permanentes. El alojamiento 18 de estator está soportado por los cojinetes 19 del generador y tiene los módulos 20 de estator en su periferia.
La figura 4 muestra más ampliada una sección longitudinal del estator. El alojamiento 18 de estator está conectado al módulo 20 de estator mediante una conexión de perno roscado (no mostrada). El módulo de estator tiene un receptáculo 23 alrededor de la chapa 24 de estator y el devanado 25 de estator. En la versión mostrada, el generador está realizado con un alojamiento de estator con un diámetro externo d que es exactamente igual que un diámetro externo del rotor. El módulo de estator se instala por tanto de manera que el módulo de estator forma un diámetro interno D que es mayor que el diámetro externo d del rotor y del alojamiento del rotor. Un entrehierro A puede ajustarse fácilmente, por ejemplo, por medio de medios de ajuste, en la realización mostrada por medio de cuñas 26, en la unión entre el alojamiento de estator y el módulo de estator, y de este modo pueden compensarse posibles desviaciones dimensionales en el módulo de estator.
La figura 5 muestra en parte una sección transversal del estator. El polo 27 individual tiene un devanado 28 y está protegido por el receptáculo 29. El polo 30 de rotor individual tiene un imán 17 permanente. En la estructura de rotor, se recortan bocas 32 de acceso para el paso conveniente del generador.
La figura 6 muestra el generador completo visto desde el lado del árbol principal. Uno de los módulos 20 de estator se muestra desmontado. Los demás módulos de estator se encuentran en sus respectivos lugares en el alojamiento 18 de estator. Las bocas 35 de acceso garantizan la posibilidad de paso independientemente de la posición del rotor. Están previstos
adaptadores para soportes 36 de par motor en el mismo número que los módulos de estator, con lo cual el estator del generador puede sujetarse para el descenso vertical de cada módulo individual.
La conexión eléctrica entre los módulos de estator y no se muestra en la figura. Por ejemplo puede establecerse de manera que esté montada una caja de terminales central en el alojamiento de estator, y que desde una caja de terminales en cada módulo de estator se extraiga un cable trifásico aislado desde el módulo de estator hasta la caja de terminales central. Alternativamente, puede establecerse una forma de conexión con anillos trifásicos previstos concéntricamente alrededor del árbol principal a un lado del alojamiento de estator con una cobertura adecuada. Se extraen cables trifásicos aislados radialmente de los anillos trifásicos hacia las cajas de terminales de cada uno de los módulos de estator, y los cables principales que transmiten la potencia al convertidor de frecuencia o directamente a la red se instalan directamente en los anillos de fase.
Independientemente de las conexiones locales en el generador, será conveniente realizar los cables principales desde el generador con un cierto juego que pueda absorber los desplazamientos que se produzcan entre cada módulo de estator y una caja de terminales central si el estator del generador va a girarse para cada sustitución de uno o más módulos de estator. El juego puede reducirse posiblemente para el estator para que pueda girarse sólo media vuelta en sentido horario o antihorario dependiendo de en qué lado de un plano vertical esté situado el módulo de estator que va a sustituirse.
La figura 7 muestra un módulo de estator en sección transversal y como vista de extremo. El polo 27 tiene su devanado 28 y está protegido por un receptáculo 23. El módulo 20 ensamblado aparece completamente encerrado.

Claims (11)

1.
2.
3.
4.
5.


13
Generador, preferiblemente una para turbina eólica y especialmente del tipo accionado directamente por el rotor de la turbina eólica sin caja (5) de engranajes instalada entre el rotor y el generador, en el que al menos el estator del generador (12) está realizado con al menos dos módulos (20) que están completamente encerrados y sellados, y en el que estos al menos dos módulos (20) pueden montarse y desmontarse independientemente uno de otro, uno o más cada vez sin desmontar todo el devanado (25), caracterizado porque cada módulo (20) de estator individual está contenido individualmente en un receptáculo (23) con un grado de sellado sustancialmente correspondiente al grado de sellado que se desea en el generador (12) acabado, y porque un número dado de receptáculos (23) yuxtapuestos unos adyacentes a otros forman un anillo cerrado de módulos
(20) de estator. Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque cada módulo (20) de estator individual, cuando se instalan en un estator, forman juntos un anillo cerrado de módulos de estator que tiene un diámetro que no supera sustancialmente el diámetro del entrehierro del generador. Generador según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque cada módulo (20) de estator individual puede desplazarse radialmente en la estructura de estator con el fin de ajustar el entrehierro (A). Generador según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque el circuito magnético en cada módulo de estator individual se proporciona completa o sustancialmente por hierro con propiedades magnéticas direccionales. Generador según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque el generador (12) está montado sobre un árbol (14), y el estator durante el trabajo de montaje y reparación puede girarse con respecto al árbol (8)
principal de la turbina eólica sin que esto requiera un desmontaje sustancial más allá del soporte del momento del generador.
6.
Generador según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque el generador (12) durante los trabajos de montaje y reparación puede girarse con respecto a un árbol (8) principal de una turbina eólica, de tal manera que cada módulo (20) de estator individual esencialmente puede descenderse en vertical al suelo o a la superficie marina.
7.
Generador según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque el estator comprende entre 2 y 48 módulos (20), preferiblemente 24 módulos.
8.
Generador según la reivindicación 1, caracterizado porque los receptáculos (23) yuxtapuestos tienen una superficie interna dirigida internamente hacia el rotor (15) y que forma la periferia interna (D) para el estator, porque la periferia interna (D) del estator es circular, porque el rotor tienen una periferia externa (d) que también es circular, y porque el entrehierro (A) entre la periferia externa (D) del rotor y la periferia interna (d) del estator sustancialmente tienen una anchura constante entre 2 mm y 10 mm, preferiblemente 5 mm.
9.
Generador según cualquier reivindicación anterior, caracterizado porque la anchura del entrehierro (A) entre el rotor y el estator puede ajustarse individualmente para cada módulo (20) de estator e independientemente entre sí mediante medios de ajuste adecuados, por ejemplo cuñas (26), ajustando una distancia entre una periferia externa
(d) de la estructura de estator y una periferia interna (D) de un módulo (20) de estator dado.
10.
Módulo de estator para su uso en un generador según cualquier reivindicación anterior, módulo de estator que comprende al menos dos polos y varios devanados alrededor de los polos, caracterizado porque el módulo de estator
está previsto para constituir una parte de un estator completo, y porque el módulo de estator está contenido en un receptáculo con un grado de sellado correspondiente a un grado deseado dado del receptáculo.
11.
Uso de un generador según cualquier reivindicación anterior en una turbina eólica.
ES00914063T 1998-12-15 2000-03-31 Generador para una turbina eólica, módulo de estator para su uso en el generador de este tipo y uso del generador de este tipo. Expired - Lifetime ES2353852T3 (es)

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