ES2565093T3 - Refrigeración por aire de un generador de turbina eólica - Google Patents

Refrigeración por aire de un generador de turbina eólica Download PDF

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ES2565093T3 ES12768771.3T ES12768771T ES2565093T3 ES 2565093 T3 ES2565093 T3 ES 2565093T3 ES 12768771 T ES12768771 T ES 12768771T ES 2565093 T3 ES2565093 T3 ES 2565093T3
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Abstract

Un generador de flujo axial de turbina eólica para convertir viento en electricidad, el generador comprende: un rotor (4) de generador que es rotatorio alrededor de un eje; y un estator (8); en donde uno de dicho rotor (4) de generador y dicho estator (8) está provisto de imanes (48) y el otro está provisto de devanados eléctricos (34) en los que se induce electricidad por el movimiento relativo entre el rotor (4) de generador y el estator (8); y en donde dicho generador comprende además: una holgura de aire a barlovento en el lado a barlovento de dichos devanados eléctricos, entre dichos devanados eléctricos (34) y al menos alguno de dichos imanes (48) en el lado a barlovento de dichos devanados eléctricos (34); un holgura de aire a sotavento en el lado a sotavento de dichos devanados eléctricos (34), entre dichos devanados eléctricos (34) y al menos alguno de dichos imanes (48) en el lado a sotavento de dichos devanados eléctricos (34); y caracterizado por que el generador comprende al menos una guía de viento (58) para dirigir dicho viento de modo que dicho viento fluya a través de dicha holgura de aire a barlovento y dicha holgura de aire a sotavento con el fin de refrigerar dichos devanados eléctricos (34) de ambos lados a barlovento y a sotavento de dichos devanados eléctricos (34).

Description

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DESCRIPCION
Refrigeracion por aire de un generador de turbina eolica Campo de la invencion
La invencion esta relacionada con generadores de turbina eolica. La invencion puede incluir formation de piezas estructurales del estator y rotor de generador de turbina eolica para mejorar la refrigeracion del generador. La invencion es aplicable a aplicaciones tanto fuera de costa como en la costa.
Antecedentes de la invencion
Se sabe colocar turbinas eolicas tanto fuera de la costa (en el mar) como en la costa (en tierra) con la finalidad de convertir la energla eolica en otras formas de energla, tal como energla electrica.
La publication de solicitud de patente de EE.UU. US 2011/0193349 A1 describe una turbina eolica que comprende una torre provista en la parte superior con un arbol horizontal que tiene un eje. Un rotor de turbina comprende palas de turbina conectadas mediante una disposition de montaje a miembros de apoyo y a un rotor o un generador. Las componentes de fuerzas que actuan en las palas paralelas al eje se comunican de manera substancialmente exclusiva a los miembros de apoyo, por ejemplo mediante miembros rector rlgidos. El par alrededor del eje producido por las palas se comunica de manera substancialmente exclusiva al rotor a traves de un miembro.
Compendio de la invencion
La invencion proporciona un generador de turbina eolica como se presenta en las reivindicaciones adjuntas.
La invencion puede incluir formacion de piezas estructurales del estator y rotor de generador de turbina eolica para mejorar la refrigeracion del generador.
La invencion es particularmente aplicable a generadores de flujo axial de turbina eolica. Un generador de flujo axial es un generador en el que llneas de flujo magnetico entre imanes, a traves de las bobinas electricas, son dirigidas generalmente en una direction axial, que es generalmente paralela con el eje de rotation del rotor de generador.
Ahora se describiran realizaciones de la invencion, unicamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos.
Breve descripcion de las figuras
La figura 1 muestra un rotor de turbina eolica que forma parte de una turbina eolica;
La figura 2 muestra la parte central del rotor de turbina eolica, y muestra tres soportes de pala colocados a ambos lados de un generador;
La figura 3 es una vista en section transversal que muestra como se modifican el estator y el rotor de generador de la turbina eolica en una realization de la invencion; y
La figura 4 muestra una realizacion alternativa de la invencion.
Descripcion de realizaciones preferidas
La figura 1 muestra un rotor 1 de turbina eolica que es adecuado para montaje en una torre (no se muestra) de turbina eolica. La realizacion descrita es adecuada para turbinas eolicas grandes que pueden generar por ejemplo de 5 a 10 megavatios de electricidad, y en las que el peso del rotor 1 puede estar, por ejemplo, en el intervalo de 30 a 400 toneladas (es decir, 30000 a 400000 kg).
Los componentes principales del rotor 1 de turbina eolica con un rotor 2 de palas, y un generador que comprende un rotor 4 de generador y un estator 8. El rotor 2 de palas comprende tres palas 5 que estan soportadas, cada una, por un soporte 12 de pala, como se describira mas adelante.
La figura 2 muestra la parte central del rotor 1 de turbina eolica. El rotor 2 de palas y el rotor 4 de generador estan montados ambos rotatoriamente sobre un arbol 6. Un estator 8 esta soportado por radios 10, y no rota alrededor del arbol 6. El rotor 4 de generador y el estator 8 forman juntos un generador que genera electricidad.
El rotor 2 de palas comprende tres palas 5 (mostradas en la figura 1) que estan soportadas por tres soportes 12 de pala. Cada soporte 12 de pala tiene dos patas 14 que estan colocadas a ambos lados del rotor 4 de generador y el estator 8, y que se montan rotatoriamente sobre el arbol 6 en posiciones espaciadas.
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Cada soporte 12 de pala esta provisto de un cojinete de paso 16 que permite que una pala 5 conectada al soporte 12 de pala sea rotada por un motor de paso 18. Esto permite que el paso de cada pala 5 sea ajustado para adecuarse a la velocidad del viento en ese momento y a los requisitos de potencia. En realizaciones alternativas el cojinete de paso 16 se puede omitir, y las palas 5 podrlan formarse integralmente, por ejemplo, con los soportes 12 de pala.
El rotor 4 de generador esta soportado por varios miembros de soporte 20, que se disponen como varios bastidores tipo A, y que se montan rotatoriamente sobre dicho arbol 6. El rotor 4 de generador lleva imanes permanentes alrededor de su circunferencia. El estator 8 esta provisto de devanados electricos que estan colocados dentro de los imanes del rotor 4 de generador. El movimiento relativo entre los imanes del rotor 4 de generador y las bobinas electricas del estator 8 genera electricidad. Las bobinas electricas pueden tener o no un nucleo de hierro.
La figura 3 es una vista en seccion transversal que muestra como estan modificados el estator 8 y el rotor 4 de generador en una realization de la invention.
En primer lugar se consideran los componentes que constituyen el estator 8. El estator 8 comprende los radios 10 de estator que soportan un borde de soporte 30 de estator, que a su vez suporta un alojamiento 32 de devanados que contiene los devanados electricos 34 del estator 8. El alojamiento 32 de devanados tiene una forma en seccion transversal, como se muestra en la figura 3, que tiene una seccion media plana 36 con una seccion de borde exterior mas gruesa 38 y una seccion de borde interior mas delgada 40. Las secciones de borde exterior e interior 38 y 40 estan hechas mas gruesas que la seccion media plana 36 de modo que puedan albergar apropiadamente vueltas de los devanados electricos 34 como se muestra en la figura 3. El alojamiento 32 de devanados esta conectado al soporte de borde 30 de estator mediante una serie de soportes espaciados 42 con holguras 44 entre los mismos. En la figura 3 los soportes espaciados 42 y las holguras 44 se muestran mediante un area sombreada 42/44, y en la figura 2 los soportes espaciados 42 y las holguras 44 son visibles individualmente y estan etiquetadas individualmente.
La figura 3 tambien muestra detalles del rotor 4 de generador. El rotor 4 de generador comprende dos estructuras de soporte 46 de iman, que se pueden formar de placas, y que se extienden alrededor de la circunferencia del rotor 4 de generador, al interior del cual se fijan imanes permanentes 48. Las estructuras de soporte 46 de iman y los imanes 48 estan colocados en cada lado de la seccion media plana 36 del alojamiento 32 de devanados, y las secciones de borde exterior e interior 38 y 40 del alojamiento 32 de devanados sobresalen mas alla de las estructuras de soporte 46 de iman y los imanes 48. Las estructuras de soporte 46 de iman son soportadas por los miembros de soporte 20 descritos anteriormente, y mostrados en la figura 2. Sin embargo los miembros de soporte 20 se omiten en la figura 3 por claridad.
A continuation se describen caracterlsticas de la figura 3 que estan relacionadas con la refrigeration por aire del generador. Estas caracterlsticas se omiten en las figuras 1 y 2 por claridad. La figura 3 muestra la adicion de tres gulas de viento que redirigen el flujo de aire a traves del generador y provocan la refrigeracion de los devanados 34 de generador. Estas gulas de viento se describen mas adelante.
En el lado a barlovento (orientado al viento) del generador, una gula de viento interior 50 esta fijada al canto interior de los imanes 48, o de manera alternativa a la estructura de soporte 46 de iman, adyacentes a la seccion de borde interior 40 del alojamiento 32 de devanados. Ademas, en el lado orientado al viento del generador, una gula de viento exterior 52 esta fijada al canto exterior de los imanes 48, o de manera alternativa a la estructura de soporte 46 de iman, adyacentes a la seccion de borde exterior 38 del alojamiento 32 de devanados. Durante el funcionamiento la gula de viento interior 50 dirige un flujo rapido de aire a la holgura de aire entre los imanes 48 y al alojamiento 32 de devanados en el lado orientado al viento del generador. La gula de viento exterior 52 protege la seccion de borde exterior 38 del alojamiento de devanados del viento que viene, y crea as! una presion inferior, es decir, suction, que permite el flujo del aire a traves de la holgura de aire y afuera de la holgura de aire alrededor de la seccion de borde exterior 38 del alojamiento 32 de devanados, como se muestra con las flechas de flujo de aire en la figura 3.
En el lado a sotavento del generador, una gula de viento aguas abajo 54 esta fijada al borde de soporte 30 de estator y se curva hacia fuera alrededor de la seccion de borde interior 40 del alojamiento 32 de devanados, para dirigir aire que ha fluido a traves de las holguras 44 a la holgura de aire entre el alojamiento 32 de devanados y los imanes 48 en el lado aguas abajo del generador, como se muestra con las flechas de flujo de aire en la figura 3. Como se muestra en la figura 3, la gula de viento aguas abajo 54 esta provista de una escobilla 56 que reposa contra el canto interior de los imanes 48 o de la estructura de soporte 46 de iman, o de ambos, en el lado aguas abajo del generador, para ayudar a prevenir la perdida de aire. En una realizacion alternativa, la gula de viento aguas abajo 54 puede estar fijada en cambio a los imanes 48 y/o a la estructura de soporte 46 de iman, y la escobilla 56 puede reposar en cambio contra el borde de soporte 30 de estator.
Una realizacion alternativa se muestra en la figura 4, en la que la gula de viento aguas abajo 54 esta sustituida por una gula de viento aguas abajo agrandada 58, que se puede fijar al borde de soporte 30 de estator mediante un soporte 60. La gula de viento aguas abajo agrandada 58 puede redirigir tanto el aire que ha pasado a traves de las
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holguras 44 como tambien el aire que ha pasado entre los radios 10 del estator 8, creando as! un mayor flujo de aire a traves de la holgura de aire de generador aguas abajo. Aparte de la gula de viento aguas abajo agrandada 58 y su soporte 60, los otros componentes de la realizacion de la figura 4 son los mismos que los de la figura 3.
Aunque las realizaciones de la figura 3 y 4 se describen utilizando tres gulas de viento, parte de la refrigeracion de los devanados 34 de generador se logra si se utiliza al menos una gula de viento. Por ejemplo, en la figura 3 o 4 las gulas de viento interior y exterior 50 y 52 se podrlan eliminar, y proporcionarse unicamente la gula de viento aguas abajo 54, 58. En general, se puede emplear cualquier combinacion de una o mas de las gulas de viento.
Se comenta aqul acerca del tamano de las gulas de viento. Preferiblemente, en una vista en seccion transversal tomada en un plano que contiene dicho eje, cualquiera o mas de dichas gulas de viento tienen una longitud que es al menos el 15 por ciento de la longitud radial de la holgura de aire entre el estator y los imanes.
Se comenta aqul acerca de la velocidad del aire que fluye a traves de la holgura de aire durante el uso. Preferiblemente, para una velocidad de viento de al menos 14 m/s, la gula o gulas de viento provocan que el aire fluya a traves de la holgura(s) de aire a una velocidad de al menos 15 m/s.
Son posibles diversas variaciones. Por ejemplo, la gula de viento interior 50 podrla estar fijada al estator 8, por ejemplo al borde de soporte 30 de estator, en lugar de al rotor 4 de generador, para dirigir el viento a la holgura de aire aguas arriba.
Aunque la realizacion preferida utiliza imanes en el rotor de generador y devanados electricos en el estator, es posible invertir estos y utilizar devanados electricos en el rotor de generador e imanes en el estator. Esta opcion es generalmente menos preferida ya que requerirla anillos de deslizamiento en el rotor de generador para llevar la electricidad generada lejos del rotor de generador. Un ejemplo de una realizacion alternativa de este tipo, la realizacion de la figura 3 se puede modificar de modo que el estator 8, que lleva los devanados electricos 34, se convierte en rotatorio alrededor del arbol 6 (de modo que el estator 8 se convierte en rotor), y el rotor 4 de generador, que lleva los imanes 48 se puede fijar en una posicion relativa al arbol 5 (de modo que el rotor 4 de generador se convierte en un estator). En este caso los devanados electricos 34 todavla estan colocados entre los imanes 48, de la misma manera que en la realizacion de la figura 3, pero los devanados electricos 34 en cambio para parte de un rotor de generador (en lugar de un estator).
Las formas de las gulas de viento 50, 52, 54, 58 en las realizaciones de las figuras 3 y 4 son ejemplares. Se apreciara que se pueden utilizar gulas de viento de formas y tamanos diferentes con el fin de crear el flujo de aire requerido. Si unicamente se utiliza una gula de viento, esta se puede conformar de modo que el viento sea dirigido a traves de dos holguras de aire en ambos lados de los devanados 34 de generador. Por ejemplo se apreciara que la gula de viento aguas abajo 58 de la figura 4 provocara que el viento sea dirigido a traves de las holguras de aire en ambos lados de los devanados 34 de generador, incluso si esta gula de viento se utiliza sin las gulas de viento interior y exterior 50 y 52 (etiquetadas en la figura 3).

Claims (14)

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    15
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    25
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    REIVINDICACIONES
    1. Un generador de flujo axial de turbina eolica para convertir viento en electricidad, el generador comprende: un rotor (4) de generador que es rotatorio alrededor de un eje; y
    un estator (8);
    en donde uno de dicho rotor (4) de generador y dicho estator (8) esta provisto de imanes (48) y el otro esta provisto de devanados electricos (34) en los que se induce electricidad por el movimiento relativo entre el rotor (4) de generador y el estator (8);
    y en donde dicho generador comprende ademas:
    una holgura de aire a barlovento en el lado a barlovento de dichos devanados electricos, entre dichos devanados electricos (34) y al menos alguno de dichos imanes (48) en el lado a barlovento de dichos devanados electricos (34);
    un holgura de aire a sotavento en el lado a sotavento de dichos devanados electricos (34), entre dichos devanados electricos (34) y al menos alguno de dichos imanes (48) en el lado a sotavento de dichos devanados electricos (34); y
    caracterizado por que el generador comprende al menos una gula de viento (58) para dirigir dicho viento de modo que dicho viento fluya a traves de dicha holgura de aire a barlovento y dicha holgura de aire a sotavento con el fin de refrigerar dichos devanados electricos (34) de ambos lados a barlovento y a sotavento de dichos devanados electricos (34).
  2. 2. Un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 1, en donde en una vista en seccion transversal tomada en un plano que contiene dicho eje, dicha al menos una gula de viento (58) tiene una longitud que es al menos el 15 por ciento de la longitud radial de al menos una de dichas holguras de aire.
  3. 3. Un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 1 o 2, en donde para una velocidad de viento de al menos 14 m/s, dicha al menos una gula de viento provoca que el aire fluya a traves de dichas holguras de aire a una velocidad de al menos 15 m/s.
  4. 4. Un generador de turbina eolica segun cualquier reivindicacion precedente, en donde cada una de dichas holguras de aire tiene una abertura interior y una abertura exterior, dicha abertura exterior esta colocada radialmente hacia fuera de dicha abertura interior, y en donde dicho generador tiene una gula de viento exterior (52) que esta dispuesta para proteger al menos parcialmente dichas aberturas exteriores de dichas holguras de aire contra dicho viento de modo que durante el uso dicho viento no fuerza el aire adentro de dichas aberturas exteriores.
  5. 5. Un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 4, en donde dicha gula de viento exterior (52) esta fija en dicho rotor (4) de generador.
  6. 6. Un generador de turbina eolica segun cualquier reivindicacion precedente, en donde cada una de dichas holguras de aire tiene una abertura interior y una abertura exterior, dicha abertura exterior esta colocada radialmente hacia fuera de dicha abertura interior, y en donde dicho generador tiene una gula de viento interior (50) que esta dispuesta para dirigir aire desde dicho viento a al menos una de dichas aberturas interiores.
  7. 7. Un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 6, en donde dicha gula de viento interior (50) esta fija en dicho rotor (4) de generador.
  8. 8. Un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 7, en donde dicha gula de viento interior (50) esta fija en un canto interior de dicho rotor de generador y se curva hacia fuera, alejandose de dicho estator, en una direccion hacia el viento que viene.
  9. 9. Un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 6, en donde dicha gula de viento interior (50) esta fija en dicho estator (8).
  10. 10. Un generador de turbina eolica segun cualquier reivindicacion precedente, que comprende ademas una gula de viento aguas abajo (54) que dirige dicho viento a dicha holgura de aire a sotavento.
  11. 11. Un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 10, en donde dicha gula de viento aguas abajo (54) esta fija en dicho estator (8).
  12. 12. Un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 11, en donde dicha gula de viento aguas abajo (54) esta provista de una escobilla (56) que esta en contacto con dicho rotor (4) de generador.
  13. 13. Un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 10, en donde dicha gula de viento aguas abajo (54) esta fija en dicho rotor (4) de generador.
  14. 14. Un generador de turbina eolica segun la reivindicacion 13, en donde dicha gula de viento aguas abajo (54) esta provista de una escobilla (56) que esta en contacto con dicho estator (8).
    5 15. Un generador de turbina eolica segun cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en donde dicho estator (8)
    esta provisto de holguras que permiten que al menos algo de dicho viento pase a traves del estator (8), y en donde dicha gula de viento aguas abajo (54) esta colocada al menos parcialmente a sotavento de dicho estator (8) para dirigir al menos algo del viento que ha pasado a traves de dicha estator (8) a dicha holgura de aire a sotavento.
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