ES2358702A1 - Improved wind-turbine power train - Google Patents
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Abstract
Description
Tren de potencia mejorado de un aerogenerador.Enhanced power train of a wind turbine
Esta invención se refiere a un aerogenerador y, en particular, a un aerogenerador con un tren de potencia accionado directamente.This invention relates to a wind turbine and, in particular, to a wind turbine with a powered power train directly.
Los aerogeneradores son dispositivos que convierten energía mecánica en energía eléctrica. Un aerogenerador típico incluye una góndola montada sobre una torre que alberga un tren de potencia para transmitir la rotación de un rotor a un generador eléctrico y otros componentes tal como los motores de orientación mediante los que se gira el aerogenerador, varios controladores y un freno. El rotor soporta varias palas que se extienden radialmente para capturar la energía cinética del viento y causan un movimiento rotatorio del tren de potencia. Las palas del rotor tienen una forma aerodinámica de manera que cuando el viento pasa a través de la superficie de la pala se crea una fuerza ascensional que causa la rotación de un eje al que está conectado -directamente o a través de un dispositivo de multiplicación- un generador eléctrico. La cantidad de energía producida por los aerogeneradores depende de la superficie de barrido del rotor de palas que recibe la energía del viento y, consecuentemente, el incremento de la longitud de las palas implica normalmente un incremento de la producción de energía del aerogenerador.Wind turbines are devices that convert mechanical energy into electrical energy. A wind turbine typical includes a gondola mounted on a tower that houses a power train to transmit the rotation of a rotor to a electric generator and other components such as engines orientation through which the wind turbine is rotated, several controllers and a brake. The rotor supports several blades that are extend radially to capture wind kinetic energy and they cause a rotational movement of the power train. The shovels of rotor have an aerodynamic shape so that when the wind passes through the surface of the blade creates a force ascensional that causes the rotation of an axis to which it is connected -directly or through a multiplication device- a Electric generator. The amount of energy produced by the wind turbines depends on the sweeping surface of the rotor of shovels that receives wind energy and, consequently, the Increasing the length of the blades normally implies a increased wind turbine energy production.
Se conocen en la técnica diversas configuraciones de trenes de potencia sin multiplicadoras.Various are known in the art Power train configurations without multipliers.
En una de estas configuraciones, la torre está situada entre el buje del rotor y el generador. Un ejemplo de esas configuraciones está descrito en WO 01/94779 A1 en la que la estructura conectora entre el buje del rotor y el generador es un eje dividido en dos partes y soportado por dos unidades de cojinetes. Otro ejemplo se describe en WO 02/33254 A1 en el que la estructura conectora entre el buje del rotor y el generador es un eje principal soportado por dos cojinetes dispuestos encima de una base situada en lo alto de la torre.In one of these configurations, the tower is located between the rotor hub and the generator. An example of those configurations is described in WO 01/94779 A1 in which the connecting structure between the rotor hub and the generator is a axis divided into two parts and supported by two units of bearings Another example is described in WO 02/33254 A1 in which the connecting structure between the rotor hub and the generator is a main shaft supported by two bearings arranged on top of one base located on top of the tower.
En otra de esas configuraciones, el generador, con un rotor y un estator de gran diámetro, está situado entre el buje del rotor y la torre y la estructura conectora entre el buje del rotor y el generador consiste en un eje hueco soportado por cojinetes en un miembro tubular (interior al eje hueco) unido a la estructura de soporte del aerogenerador. Un ejemplo de estas configuraciones se describe en US 2004/0108733 A1 en la que el eje hueco está soportado por medio de un único cojinete que asimismo transmite momentos al miembro tubular. Esta configuración está orientada a la reducción del tamaño y el peso de los elementos del aerogenerador que se montan encima de la torre pero tiene el inconveniente de un mantenimiento costoso, particularmente cuando se necesita desmontar componentes.In another one of those configurations, the generator, with a rotor and a large diameter stator, it is located between the rotor bushing and tower and connecting structure between bushing of the rotor and generator consists of a hollow shaft supported by bearings in a tubular member (inside the hollow shaft) attached to the wind turbine support structure. An example of these configurations is described in US 2004/0108733 A1 in which the axis hollow is supported by means of a single bearing that also transmits moments to the tubular member. This setting is aimed at reducing the size and weight of the elements of the wind turbine that are mounted on top of the tower but it has the inconvenient of expensive maintenance, particularly when You need to disassemble components.
DE 102004030929 B3 describe otra configuración en la que el generador está situado aguas arriba del rotor. Se indica que esta configuración supone varias ventajas respecto a las configuraciones con el generador situado entre el buje del rotor y la torre tal como, particularmente, la de permitir el cambio del generador sin desmontar el rotor eólico, reducir las cargas y los riesgos de rayos en el generador y facilitar el acceso al buje del rotor para tareas de mantenimiento. No se conoce sin embargo ninguna implementación comercial porque esta configuración tiene varios problemas.DE 102004030929 B3 describes another configuration in which the generator is located upstream of the rotor. Be indicates that this configuration has several advantages over configurations with the generator located between the rotor hub and the tower such as, in particular, that of allowing the change of generator without disassembling the wind rotor, reduce loads and lightning hazards in the generator and facilitate access to the bushing rotor for maintenance. It is not known however no commercial implementation because this configuration has various problems.
Uno de ellos se refiere a las conexiones entre generador, rotor y estructura de soporte que no aseguran una transferencia eficiente del par motor y del momento flector estático creado por la masa del generador.One of them refers to the connections between generator, rotor and support structure that do not ensure a efficient transfer of torque and static bending moment created by the mass of the generator.
Esta invención está orientada a la solución de ese problema.This invention is oriented to the solution of that problem.
Es un objeto de la presente invención proporcionar un aerogenerador con el generador situado delante del rotor eólico y con una configuración que permita una transferencia eficiente de cargas a la estructura de soporte.It is an object of the present invention provide a wind turbine with the generator located in front of the wind rotor and with a configuration that allows a transfer Efficient loads to the support structure.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar un aerogenerador con el generador situado delante del rotor eólico y con una configuración que permita optimizar el funcionamiento del generador.It is another object of the present invention provide a wind turbine with the generator located in front of the wind rotor and with a configuration that optimizes the generator operation
Es otro objeto de la presente invención proporcionar un aerogenerador con el generador situado delante del rotor eólico y con una configuración que facilite el mantenimiento del generador.It is another object of the present invention provide a wind turbine with the generator located in front of the wind rotor and with a configuration that facilitates maintenance of the generator.
Estos y otros objetos se consiguen
proporcionando un aerogenerador que comprende una torre, una
estructura de soporte montada sobre la torre, un tren de potencia
incluyendo un generador de imanes permanentes situado delante del
rotor eólico que está accionado directamente por el rotor eólico y
una cubierta frontal cubriendo el frente abierto del generador,
comprendiendo el rotor eólico un buje de rotor y al menos una pala y
estando soportado por un eje hueco no rotatorio unido a la
estructura de soporte por medio de al menos un cojinete frontal
cercano al generador, estando situado el rotor del generador, que
comprende una carcasa de rotor y una placa trasera de rotor,
exteriormente al estator y unido rígidamente al frente del buje del
rotor, estando el estator del generador, que comprende una carcasa
de estator y una placa trasera de estator, unido rígidamente al eje
princi-
pal.These and other objects are achieved by providing a wind turbine comprising a tower, a support structure mounted on the tower, a power train including a permanent magnet generator located in front of the wind rotor that is directly driven by the wind rotor and a front cover covering the open front of the generator, the wind rotor comprising a rotor bushing and at least one blade and being supported by a non-rotating hollow shaft attached to the support structure by means of at least one front bearing close to the generator, the generator rotor, comprising a rotor housing and a rotor rear plate, externally to the stator and rigidly attached to the front of the rotor bushing, the generator stator being, comprising a stator housing and a stator back plate, attached rigidly to the main axis
pal.
En una realización preferente, la unión entre el rotor del generador y el buje del rotor se hace atornillando la placa trasera del rotor al frente del buje del rotor con los tornillos montados desde el lado del buje del rotor. Se consigue con ello un aerogenerador con el generador situado delante del rotor eólico que aprovecha las ventajas de una configuración abierta del generador con pocos componentes lo que permite una conexión simplificada entre el buje del rotor y el rotor del generador a los efectos de su montaje/desmontaje y de su funcionamiento.In a preferred embodiment, the union between the generator rotor and rotor bushing is made by screwing the rotor rear plate to the front of the rotor bushing with the screws mounted from the side of the rotor bushing. Is achieved with it is a wind turbine with the generator located in front of the rotor wind power that takes advantage of an open configuration of the generator with few components allowing a connection simplified between the rotor hub and the generator rotor at effects of its assembly / disassembly and its operation.
En otra realización preferente, la unión entre el estator del generador y el eje principal se hace atornillando la placa trasera del estator al extremo frontal del eje principal. Se consigue con ello un aerogenerador con el generador situado delante del rotor eólico que aprovecha las ventajas de una configuración abierta del generador con pocos componentes lo que permite una conexión simplificada entre el eje principal y el estator del generador a los efectos de su montaje/desmontaje y de su funcionamiento.In another preferred embodiment, the union between the generator stator and the main shaft is made by screwing the Stator back plate to the front end of the main shaft. Be get a wind turbine with the generator in front of the wind rotor that takes advantage of a configuration open generator with few components allowing a simplified connection between the main shaft and the stator of the generator for the purpose of assembly / disassembly and its functioning.
En otra realización preferente, la cubierta frontal tiene una toma de aire para usar el aire exterior para refrigerar el generador. Se consigue con ello un aerogenerador con el generador situado delante del rotor eólico que aprovecha las ventajas de una configuración abierta del generador para mejorar su refrigeración.In another preferred embodiment, the cover front has an air intake to use outside air to Cool the generator. This achieves a wind turbine with the generator located in front of the wind rotor that takes advantage of advantages of an open generator configuration to improve your refrigeration.
En otra realización preferente, el rotor eólico está soportado por el eje principal por medio de un cojinete de doble hilera de rodillos cónicos próximo al generador y un cojinete de rodillos cilíndricos próximo a la estructura de soporte. Se consigue con ello un aerogenerador con el generador situado delante del rotor eólico con una configuración de cojinetes que no es sensible a movimientos axiales porque el cojinete de rodillos cilíndricos no está fijado en la dirección axial.In another preferred embodiment, the wind rotor is supported by the main shaft by means of a bearing double row of tapered rollers next to the generator and a bearing of cylindrical rollers close to the support structure. Be get a wind turbine with the generator in front of the wind rotor with a bearing configuration that is not sensitive to axial movements because the roller bearing Cylindrical is not fixed in the axial direction.
En otra realización preferente, el rotor eólico está soportado por el eje principal por medio de un cojinete de una hilera de rodillos cónicos próximo al generador y un cojinete de una hilera de rodillos cónicos próximo a la estructura de soporte. Se consigue con ello un aerogenerador con el generador situado delante del rotor eólico con una configuración de cojinetes que permite minimizar el entrehierro entre el rotor del generador y el estator del generador para un rango dimensional medio-alto.In another preferred embodiment, the wind rotor it is supported by the main shaft by means of a bearing of a row of tapered rollers next to the generator and a single bearing row of tapered rollers close to the support structure. Be get a wind turbine with the generator in front of the wind rotor with a bearing configuration that allows minimize the air gap between the generator rotor and the stator of the generator for a dimensional range medium-high
En otra realización preferente, el rotor eólico está soportado por el eje principal por medio únicamente de un cojinete de doble hilera de rodillos cónicos próximo al generador. Se consigue con ello un aerogenerador con el generador situado delante del rotor eólico con una configuración de cojinetes simplificada.In another preferred embodiment, the wind rotor it is supported by the main shaft by means of only one double row tapered roller bearing close to the generator. This achieves a wind turbine with the generator located in front of the wind rotor with a bearing configuration simplified
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la siguiente descripción detallada de una realización ilustrativa y no limitativa de su objeto en relación con la figura que se acompaña.Other features and advantages of this invention will follow from the following detailed description of an illustrative and non-limiting embodiment of its object in relation With the accompanying figure.
La Figura 1 es una vista esquemática en sección transversal de un aerogenerador según una primera realización de la presente invención.Figure 1 is a schematic sectional view. cross section of a wind turbine according to a first embodiment of the present invention
La Figura 2 es una vista esquemática en sección transversal de un aerogenerador según una segunda realización de la presente invención.Figure 2 is a schematic sectional view. cross section of a wind turbine according to a second embodiment of the present invention
La Figura 3 es una vista esquemática en sección transversal de un aerogenerador según una tercera realización de la presente invención.Figure 3 is a schematic sectional view. cross section of a wind turbine according to a third embodiment of the present invention
En la realización preferente mostrada en la Figura 1 el aerogenerador comprende una torre 11 soportando, como medio para convertir la energía rotacional del rotor eólico 15 en energía eléctrica, un generador 41 de imanes permanentes accionado directamente con los imanes montados en la superficie del rotor del generador y los devanados alrededor de cada uno de los dientes laminados del estator. Toda la producción del generador 41 se procesa y entrega a, usualmente, una red eléctrica por medio de un completo sistema de electrónica de potencia.In the preferred embodiment shown in the Figure 1 the wind turbine comprises a tower 11 supporting, as means to convert the rotational energy of the wind rotor 15 into electric power, a permanent magnet generator 41 powered directly with the magnets mounted on the rotor surface of the generator and windings around each of the teeth stator laminates. All production of generator 41 is processes and delivers to, usually, a power grid through a Complete power electronics system.
Los generadores accionados directamente son ventajosos porque eliminan la necesidad de multiplicadora, un componente sujeto a una significativa fatiga acumulada por la carga del par motor y a los costes de mantenimiento asociados. Por otra parte la configuración de imanes permanentes accionados directamente es particularmente ventajosa porque supone una reducción significativa en tamaño, peso y coste comparado con un tren de potencia que lleva un rotor de generador con bobinas.Directly driven generators are advantageous because they eliminate the need for a multiplier, a component subject to significant fatigue accumulated by the load of torque and associated maintenance costs. For other part configuration of activated permanent magnets directly it is particularly advantageous because it is a significant reduction in size, weight and cost compared to a Power train carrying a generator rotor with coils.
El rotor eólico 15 comprende un buje de rotor 17 y, típicamente, tres palas (no mostradas en las Figuras). El buje del rotor 17 está situado sobre dos cojinetes 21, 23, estando situado el primer cojinete 21, un cojinete de doble hilera de rodillos cónicos, cerca de la parte frontal del buje del rotor 25 y el segundo cojinete 23, un cojinete de rodillos cilíndricos, cerca de la parte trasera del buje del rotor 27. Ambos cojinetes 21, 23 están posicionados sobre un eje principal no-rotatorio 29 conectado con la estructura de soporte 13 del aerogenerador.The wind rotor 15 comprises a rotor bushing 17 and, typically, three blades (not shown in the Figures). Bushing of the rotor 17 is located on two bearings 21, 23, being located the first bearing 21, a double row bearing of tapered rollers, near the front of the rotor hub 25 and the second bearing 23, a cylindrical roller bearing, near from the rear of the rotor bushing 27. Both bearings 21, 23 are positioned on a main axis non-rotary 29 connected to the structure of wind turbine support 13.
El generador 41 está situado delante el buje del rotor 17, es decir aguas arriba.The generator 41 is located in front of the bushing of the rotor 17, that is upstream.
El estator del generador 43 con los devanados está rígidamente conectado al eje principal no-rotatorio 29. La energía producida se conduce a través de cables fijos (no mostrados en la Figura 1) montados dentro del eje principal 29.The generator 43 stator with the windings is rigidly connected to the main shaft non-rotary 29. The energy produced is conducted to through fixed cables (not shown in Figure 1) mounted inside of the main shaft 29.
El rotor del generador 45 con los imanes está unido rígidamente al buje del rotor 17 en un sector del mismo cercano al primer cojinete 21.The rotor of generator 45 with the magnets is rigidly attached to the rotor hub 17 in a sector thereof close to the first bearing 21.
Desde un punto de vista estructural el rotor del generador 45 comprende dos componentes básicos: una carcasa cilíndrica 51 y una placa trasera 53. La carcasa cilíndrica es el componente en el que se montan los imanes y la placa trasera es el componente unido al rotor eólico 15.From a structural point of view the rotor of the Generator 45 comprises two basic components: a housing cylindrical 51 and a back plate 53. The cylindrical housing is the component on which the magnets are mounted and the back plate is the component attached to the wind rotor 15.
La placa trasera 53 está centrada en un hueco cercado al primer cojinete 21 y se atornilla a la parte frontal del buje del rotor 25 con tornillos (no mostrados en las Figuras) montados desde el lado del buje del rotor 17 porque cuando el generador está montado estos tornillos son los primeros a ser atornillados y, al contrario, cuando el generador se desmonta, estos tornillos son los últimos a ser desatornillados. Esto es importante por razones de seguridad ya que nadie puede permanecer dentro del generador cuando está colgando de una grúa.The back plate 53 is centered in a recess encircled to the first bearing 21 and screwed to the front of the rotor hub 25 with screws (not shown in Figures) mounted from the side of the rotor bushing 17 because when the generator is mounted these screws are the first to be screwed and, conversely, when the generator is disassembled, these Screws are the last to be unscrewed. This is important for security reasons since no one can remain inside the generator when hanging from a crane.
Análogamente los componentes del estator del generador 43 son una carcasa cilíndrica 55 en la que están montados los devanados y una placa trasera 57 centrada y unida al extremo frontal del eje principal 26. La configuración del estator del generador también incluye placas rigidizadoras (no mostradas en las Figuras) entre la carcasa del estator 55 y la placa trasera 57 para cumplir con los requerimientos resistentes.Similarly the stator components of the generator 43 are a cylindrical housing 55 in which they are mounted the windings and a back plate 57 centered and attached to the end front of the main shaft 26. The stator configuration of the generator also includes stiffener plates (not shown in the Figures) between stator housing 55 and back plate 57 for meet tough requirements.
La parte frontal 49 del generador 41 es por tanto una parte abierta pero el generador 41 está protegido contra las incidencias atmosféricas por una cubierta frontal 59 unida firmemente al frente del generador. La cubierta frontal 59 puede ser considerada como una parte de la totalidad de la góndola del aerogenerador (no mostrada en las Figuras). En una realización preferente, la cubierta frontal 59 tiene una toma de aire para finalidades de refrigeración.The front part 49 of the generator 41 is by both an open part but the generator 41 is protected against atmospheric incidents by a front cover 59 attached firmly in front of the generator. The front cover 59 can be considered as a part of the entire gondola of the wind turbine (not shown in the Figures). In one embodiment Preferably, the front cover 59 has an air intake for cooling purposes
Como será fácilmente entendido por el experto en la materia esta configuración abierta del generador tiene varias características relevantes respecto a las configuraciones conocidas de generador:As will be easily understood by the expert in the matter this generator open configuration has several relevant characteristics with respect to known configurations of generator:
- Permite una fácil inspección ya que la construcción es menos cerrada su interior más visible.- It allows an easy inspection since the construction is less closed its more visible interior.
- Tiene menos componentes y por tanto menos requerimientos de mecanización y menos disposiciones atornilladas.- It has fewer components and therefore less mechanization requirements and fewer provisions screwed
- Tiene menos peso debido a la reducción de componentes.- It has less weight due to the reduction of components.
- Tiene un paso más directo de las fuerzas y momentos que van desde el campo magnético a la estructura de soporte.- It has a more direct step of the forces and moments that go from the magnetic field to the structure of support.
En la segunda realización mostrada en la Figura 2 el buje del rotor 17 está situado sobre dos cojinetes 21, 23, estando situado el primer cojinete 21, un cojinete de una hilera de rodillos cónicos, cerca de la parte frontal del buje del rotor 25 y el segundo cojinete 23, un cojinete de una hilera de rodillos cónicos, cerca de la parte trasera del buje del rotor 27.In the second embodiment shown in the Figure 2 the rotor bushing 17 is located on two bearings 21, 23, the first bearing 21, a single row bearing of tapered rollers, near the front of the rotor hub 25 and the second bearing 23, a single row roller bearing tapered, near the rear of the rotor bushing 27.
En la tercera realización mostrada en la Figura 3 el buje del rotor 17 está soportado únicamente por un cojinete de doble hilera de rodillos cónicos 21 situado cerca de la parte frontal del buje del rotor 25.In the third embodiment shown in Figure 3 the rotor bushing 17 is supported only by a bearing of double row of tapered rollers 21 located near the part front of rotor hub 25.
En todas las realizaciones el entrehierro entre el estator del generador 43 y el rotor del generador 45 está menos influenciado por las cargas del rotor eólico que en aerogeneradores con el generador situado detrás del rotor eólico porque tanto el estator del generador 43 como el rotor del generador 45 se mueven conjuntamente con las deflexiones del eje principal 29. Sin embargo las holguras en los cojinetes que soportan el rotor eólico debidas a las cargas del rotor pueden causar variaciones del entrehierro. Consecuentemente pueden considerarse diferentes configuraciones de los cojinetes teniendo en cuenta los distintos tipos de cojinetes.In all embodiments the air gap between the generator stator 43 and the generator rotor 45 is less influenced by wind rotor loads than in wind turbines with the generator located behind the wind rotor because both the generator stator 43 as the generator rotor 45 move together with the deflections of the main shaft 29. However the clearances in the bearings that support the wind rotor due to Rotor loads can cause air gap variations. Consequently, different configurations of the bearings taking into account the different types of bearings
Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro del alcance de, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones siguientes.Although the present invention has been described entirely in connection with preferred embodiments, it is evident that modifications can be made within the scope of, not considering this as limited by the previous embodiments, but by the content of the claims following.
Claims (9)
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