ES2423033T5 - Cojinete de paso para palas de rotor de turbina eólica - Google Patents

Cojinete de paso para palas de rotor de turbina eólica Download PDF

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Description

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COJINETE DE PASO PARA PALAS DE ROTOR DE TURBINA EOLICA
DESCRIPCION
La presente invencion se refiere a un cojinete de paso para palas de rotor de turbina eolica con un anillo de cojinete interno que puede conectarse a una pala de rotor de un rotor de turbina eolica y un anillo de cojinete externo que puede conectarse a un buje de rotor de un rotor de turbina eolica. Ademas, la invencion se refiere a una turbina eolica con al menos un cojinete de paso de este tipo.
En las turbinas eolicas modernas las palas de rotor estan montadas en el buje por medio de cojinetes de paso que permiten controlar las cargas que actuan en las palas cambiando el paso de las palas en relacion con el viento. Esos cojinetes comprenden habitualmente un anillo de cojinete interno cilmdrico al que se fija la pala de rotor y un anillo de cojinete externo cilmdrico que se fija al buje de rotor. Entre ambos anillos de cojinete estan presentes una o mas filas de elementos rodantes que permiten que el anillo externo y el anillo interno roten el uno en relacion con el otro.
Cuando se usan cojinetes con mas de una fila de elementos rodantes la carga puede llegar a distribuirse de manera irregular entre las filas, especialmente con vientos fuertes cuando las fuerzas de viento actuan para doblar sustancialmente las palas. Este doblado tambien tiene el efecto de deformar el anillo externo del cojinete de paso de tal manera que la carga se reduce adicionalmente en algunos de los elementos rodantes dejando que el resto de los elementos rodantes porten una carga mayor. Por tanto, partes del cojinete portan una carga mayor que la prevista, conduciendo a una vida util acortada en comparacion con la vida util disenada.
En algunos de los disenos de cojinete de pala no se tiene en cuenta la comparticion irregular entre las filas. En su lugar se supone que la comparticion se distribuye exactamente de manera regular lo que conduce a un diseno no conservador. Una manera de resolver el problema de las cargas distribuidas de manera irregular sena realizar el cojinete mayor. Sin embargo, esto anadina peso y coste al diseno.
Otra manera de obtener mas capacidad portante sena usando bolas de cojinete mayores. El inconveniente de usar bolas de cojinete mayores sena que esto requerina un cojinete mayor y de este modo un cojinete mas flexible. Como consecuencia, se vuelve mas diffcil obtener la rigidez requerida del cojinete.
Una manera adicional de resolver el problema de cargas distribuidas de manera irregular se describe en el documento WO 2007/003866 A1. En este documento se describe el montaje de un anillo de refuerzo en el extremo externo axial del anillo de cojinete externo cilmdrico.
El documento FR 2 887 934 A1 da a conocer un anillo de cojinete externo para una pala de rotor de turbina eolica en la que el anillo de cojinete externo tiene un grosor de pared que disminuye linealmente hacia el extremo del buje del anillo de cojinete.
El documento WO 2006/129351 A1 da a conocer un anillo de cojinete externo con una primera seccion de anillo externo y una segunda seccion de anillo externo. El grosor radial de la primera seccion de anillo externo se hace mas grueso que el grosor radial de la segunda seccion de anillo externo.
Con respecto a esta tecnica anterior un objetivo de la presente invencion es proporcionar un cojinete de paso con un diseno alternativo para una seccion de refuerzo anular para reforzar el anillo de cojinete externo. Un objetivo adicional de la presente invencion es proporcionar una turbina eolica ventajosa.
El primer objetivo se resuelve mediante un cojinete de paso segun la reivindicacion 1 y mediante un cojinete de paso segun la reivindicacion 3. El objetivo adicional se resuelve mediante una turbina eolica segun la reivindicacion 6. Las reivindicaciones dependientes describen desarrollos ventajosos de la invencion.
En un primer aspecto de la invencion, el cojinete de paso de la invencion para un rotor de turbina eolica con un buje de rotor y al menos una pala de rotor comprende un anillo de cojinete interno cilmdrico que puede conectarse a una pala de rotor del rotor de turbina eolica, un anillo de cojinete externo cilmdrico que puede conectarse al buje de rotor del rotor de turbina eolica, y una seccion de refuerzo anular para reforzar el anillo de cojinete externo. En el cojinete de paso de la invencion, la seccion de refuerzo anular esta en contacto con el anillo de cojinete externo cilmdrico en su pared externa radial.
La invencion esta basada en la siguiente observacion: las fuerzas resultantes de las cargas actuan en la direccion radial del anillo de cojinete externo. La intensidad de estas fuerzas vana dependiendo de la ubicacion axial del anillo de cojinete siendo las fuerzas mas altas en el extremo externo axial del anillo de cojinete. Si la seccion de refuerzo esta en contacto con el extremo externo axial del anillo como, por ejemplo, en el documento WO 2007/003866 A1, puede suceder que la fuerza radial que actua en la seccion de refuerzo sea mayor que la fuerza radial que actua en el extremo externo axial del anillo de cojinete. Esto puede conducir a que actuen cargas en la junta entre la seccion de refuerzo y el anillo externo de cojinete lo que podna debilitar la junta a lo largo del tiempo.
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Por otro lado, si la seccion de refuerzo esta en contacto con el anillo de cojinete externo cilmdrico en su superficie externa radial su ubicacion axial corresponde a la ubicacion axial del anillo de cojinete externo en la que actuan las fuerzas radiales. Por tanto, las cargas que actuan en el anillo de cojinete externo son las mismas que las cargas que actuan en la seccion de refuerzo.
En particular, la seccion de refuerzo se forma mediante un grosor de pared aumentado del anillo de cojinete externo en una parte de anillo que esta en contacto con el extremo externo axial del cojinete externo hacia su extremo interno axial de modo que el refuerzo es una parte integrante del anillo de cojinete sin ninguna junta.
A medida que las fuerzas radiales que actuan en el anillo de cojinete externo disminuyen desde el extremo externo axial del anillo de cojinete hacia su extremo interno axial el grosor de pared del anillo de cojinete externo disminuye desde una parte de grosor de pared constante que esta ubicada en el extremo externo axial hacia su extremo interno axial. La disminucion es continua.
En un segundo diseno del cojinete de paso de la invencion para un rotor de turbina eolica con un buje de rotor y al menos una pala de rotor el cojinete de paso comprende un anillo de cojinete interno cilmdrico que puede conectarse a una pala de rotor del rotor de turbina eolica, un anillo de cojinete externo cilmdrico que puede conectarse a un buje de rotor del rotor de turbina eolica, y una seccion de refuerzo anular para reforzar el anillo de cojinete externo. En este diseno los al menos dos segmentos de anillo separados estan en contacto con la superficie externa radial del anillo de cojinete externo cilmdrico y la seccion de refuerzo consiste en al menos dos segmentos de anillo separados que estan adaptados para unirse entre sf y para unirse al anillo de cojinete externo. En particular, los al menos dos segmentos de anillo separados pueden estar adaptados para unirse de manera liberable entre sf y/o unirse de manera liberable al anillo de cojinete externo. Esto permite proporcionar segmentos de anillo diferentes que pueden unirse entre sf y al anillo de cojinete externo de modo que combinando diferentes clases de segmentos el refuerzo puede adaptarse a las necesidades reales del cojinete de paso. En particular, los al menos dos segmentos de anillo separados pueden estar adaptados para unirse de manera liberable entre sf y/o al anillo de cojinete externo mediante la union con pernos.
Una turbina eolica de la invencion comprende un rotor con al menos un cojinete de paso de la invencion. La turbina eolica de la invencion consigue las ventajas comentadas anteriormente con respecto al cojinete de paso de la invencion.
Caractensticas, propiedades y ventajas adicionales de la presente invencion resultaran evidentes a partir de la siguiente descripcion de las realizaciones de la invencion en combinacion con los dibujos adjuntos.
La figura 1 muestra una turbina eolica.
La figura 2 muestra una primera realizacion del cojinete de paso de la turbina eolica.
La figura 3 muestra una segunda realizacion del cojinete de paso de la turbina eolica.
La figura 4 muestra una seccion a traves del cojinete de paso mostrado en la figura 3 a lo largo de la lmea IV-IV.
La figura 5 muestra una tercera realizacion del cojinete de paso de la invencion.
Una turbina eolica con un cojinete de paso de la invencion se muestra en la figura 1. La turbina eolica comprende una torre 1, una gondola 3 que se monta de manera pivotante sobre el eje de torre en la parte superior de torre y que aloja el generador de la turbina eolica, y un rotor 5 que esta conectado de manera rotativa al generador en el interior de la gondola. El rotor 5 comprende un buje 7 de rotor y, en la presente realizacion, tres palas 9 de rotor que estan montadas en el buje de rotor para poder rotar sobre un eje de paso, tal como se indica para una de las palas 9 mediante la flecha 11.
Aunque la turbina eolica mostrada en la figura 1 esta equipada con tres palas de rotor, el rotor puede tener un numero diferente de palas, por ejemplo solo dos palas. En general, sena posible cualquier numero de palas, aunque los rotores de dos palas y, en particular, los rotores de tres palas son los mas comunes.
Las palas 9 de rotor de turbina eolica se montan en el buje 7 de rotor mediante el uso de cojinetes de paso. Una primera realizacion de un cojinete de paso que puede usarse en la turbina eolica mostrada en la figura 1 se muestra en la figura 2. El cojinete de paso comprende un anillo 13 de cojinete interno al que se fija la pala 9 de rotor (de la que solo se muestra un segmento de pared en la figura 2), y un anillo 15 de cojinete externo que esta montado en un elemento 17 de base del buje 7 de rotor. El anillo 13 de cojinete interno y el anillo 15 de cojinete externo comprenden cada uno dos filas de aros entre los que se ubican los elementos rodantes para permitir la rotacion facil del anillo 13 de cojinete interno cilmdrico y el anillo 15 de cojinete externo cilmdrico el uno en relacion con el otro. En la presente realizacion, los elementos 19 rodantes son bolas 19.
Si actuan vientos fuertes en las palas de rotor, las palas 9 de rotor tienden a doblarse. Este doblado tiende a
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deformar el anillo 15 de cojinete externo del cojinete de paso de tal manera que se aumenta la carga sobre las bolas 19 superiores en la figura y se disminuye la carga sobre las bolas 19 inferiores en la figura. Para reducir una deformacion de este tipo del anillo 15 de cojinete externo se refuerza el anillo de cojinete externo anadiendo material a la forma cilmdrica habitual del anillo 15 de cojinete externo. El material se anade a la superficie externa de un anillo de cojinete externo cilmdrico habitual, que se indica mediante la lmea discontinua en la figura 2. El material anadido aumenta el grosor (grosor de pared) de una parte de anillo del anillo 15 de cojinete externo tal como se indica mediante el numero de referencia 21. El grosor de pared de esta parte 21 de anillo es maximo en el extremo 23 externo axial del anillo 15 de cojinete y disminuye continuamente hacia su extremo interno axial. Desde aproximadamente la mitad del anillo 15 de cojinete el grosor de pared es constante hasta el extremo 25 interno axial.
No solo se refuerza el anillo 15 de cojinete externo sino tambien el anillo 13 de cojinete interno. Esto se hace cerrando el anillo 13 de cojinete cilmdrico mediante placas 27, 29 de refuerzo en los extremos del anillo de cojinete cilmdrico.
Una segunda realizacion del cojinete de paso de la invencion se muestra en la figura 3. Esta realizacion difiere de la primera realizacion mostrada en la figura 2 en que el refuerzo del anillo 15 de cojinete externo se hace mediante dos elementos 31, 33 de refuerzo semianulares que se unen mediante pernos al anillo 15 de cojinete externo por medio de tornillos 35 que se extienden a traves los elementos 31, 33 de refuerzo en el anillo 15 de cojinete externo cilmdrico (vease tambien la figura 4). Ademas, ambos elementos 31, 33 de refuerzo semianulares se unen entre sf mediante pernos 37. Observese que aunque los dos elementos 31, 33 de refuerzo semianulares estan presentes en la realizacion mostrada en la figura 3 el numero de elementos de refuerzo puede ser mas de dos, por ejemplo tres o cuatro, representando cada elemento un tercio o un cuarto de un elemento anular completo.
Proporcionar los elementos 31, 33 de refuerzo en la segunda realizacion del cojinete de paso de la invencion simplifica el montaje de los elementos de refuerzo en el anillo 15 de cojinete externo. En particular los elementos 31, 33 de refuerzo pueden montarse en el anillo de cojinete externo mientras que una pala de rotor se fija al anillo de cojinete interno. Esto no sena posible con un unico elemento de refuerzo anular completo.
Los elementos de refuerzo mostrados en las presentes realizaciones proporcionan rigidez uniforme adicional al anillo de cojinete externo en su ubicacion mas proxima a la pala de rotor. Aunque esto se hace en la primera realizacion aumentando localmente el grosor de pared del anillo de cojinete externo, se usan elementos de refuerzo separados que se fijan al anillo de cojinete externo en las realizaciones segunda y tercera. Observese, que en todas las realizaciones el refuerzo resultante es de forma anular y cubre toda la circunferencia del anillo de refuerzo externo. Esto tiene dos ventajas, concretamente que el cojinete se reforzara en toda la circunferencia en relacion con las deformaciones de estructuras complementarias, y que el cojinete se reforzara de manera similar para todo el intervalo de angulos de paso de pala diferentes y ejes de momento flector diferentes. Como resultado, puede asegurarse una comparticion mas uniforme de fuerzas de bolas entre aros de bolas superior e inferior (banda de bolas) en un cojinete de bolas de doble fila usado como cojinete de pala para una turbina eolica. Una comparticion mas uniforme tiene un gran impacto en la vida util de los aros de bolas. Es normal que la combinacion de fuerzas de bolas grandes combinadas con la inclinacion (cabeceo de pala) conduzca a la fatiga de los aros de bolas. La reduccion de las fuerzas de bolas con una mejor comparticion dara como resultado una fatiga inferior de manera significativa en los aros de bolas. Ademas, pueden evitarse deformaciones grandes relativas del anillo externo de cojinete de pala. De este modo, tambien puede evitarse la fatiga de la estructura de anillo externo. La fatiga de la estructura de anillo externo es un problema comun en cojinetes de pala para turbina eolicas.

Claims (5)

  1. 10
    15
  2. 2.
    20
    25 3.
    30
    35
  3. 4.
    40
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  4. 5.
    50
  5. 6.
    REIVINDICACIONES
    Cojinete de paso para un rotor (5) de turbina eolica con un buje (7) de rotor y al menos una pala (9) de rotor, comprendiendo el cojinete de paso un anillo (13) de cojinete interno cilmdrico que puede conectarse a una pala (9) de rotor del rotor (5) de turbina eolica, un anillo (15) de cojinete externo cilmdrico que puede conectarse al buje (7) de rotor del rotor (5) de turbina eolica y una seccion (21) de refuerzo anular para reforzar el anillo (15) de cojinete externo, en el que la seccion (21, 31, 33) de refuerzo anular esta en contacto con el anillo (15) de cojinete externo cilmdrico en su superficie externa radial y se forma mediante un grosor de pared aumentado del anillo (15) de cojinete externo en una parte de anillo que esta en contacto con el extremo externo axial del cojinete externo hacia su extremo (25) interno axial,
    caracterizado porque
    el grosor de pared del anillo (15) de cojinete externo disminuye continuamente desde una parte de grosor de pared constante que esta ubicada en el extremo (23) externo axial hacia el extremo (25) interno axial del anillo de cojinete externo.
    Cojinete de paso segun la reivindicacion 1,
    caracterizado porque
    el grosor de pared del anillo (15) de cojinete externo es constante desde aproximadamente la mitad del anillo (15) de cojinete externo hasta el extremo (25) interno axial del anillo de cojinete externo.
    Cojinete de paso para un rotor (5) de turbina eolica con un buje (7) de rotor y al menos una pala (9) de rotor, comprendiendo el cojinete de paso un anillo (13) de cojinete interno cilmdrico que puede conectarse a una pala (9) de rotor del rotor (5) de turbina eolica, un anillo (15) de cojinete externo cilmdrico que puede conectarse al buje (7) de rotor del rotor (5) de turbina eolica y una seccion (31, 33) de refuerzo anular para reforzar el anillo (15) de cojinete externo,
    caracterizado porque
    los al menos dos segmentos (31, 33) de anillo separados estan en contacto con la superficie externa radial del anillo (15) de cojinete externo cilmdrico; y
    la seccion (31, 33) de refuerzo consiste en al menos dos segmentos (31, 33) de anillo separados que estan adaptados para unirse entre sf y para unirse al anillo (15) de cojinete externo.
    Cojinete de paso segun la reivindicacion 3,
    caracterizado porque
    los al menos dos segmentos (31, 33) de anillo separados estan adaptados para unirse de manera liberable entre sf y/o unirse de manera liberable al anillo (15) de cojinete externo.
    Cojinete de paso segun la reivindicacion 4,
    caracterizado porque
    los al menos dos segmentos (31, 33) de anillo separados estan adaptados para unirse de manera liberable entre sf mediante la union con pernos.
    Turbina eolica que comprende un rotor (5) con al menos un cojinete de paso segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.
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