ES2663383T3

ES2663383T3 - Generador para turbina eólica de accionamiento directo

Info

Publication number: ES2663383T3
Application number: ES09701992.1T
Authority: ES
Inventors: Hendrik Lambertus Lagerweij; André Heinz PUBANZ; Aart VAN DE POL; Albertus Waaijenberg
Original assignee: Lagerwey Wind BV
Current assignee: Lagerwey Wind BV
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2018-04-12
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: NL2001190C1; PT2232066T; EP2232066B1; WO2009091248A3; EP2232066A2; WO2009091248A2; US8384233B2; DK2232066T3; US20110001320A1

Abstract

Turbina eólica de accionamiento directo (1) que comprende una pala (2), una torre (3), un eje principal (21) y un generador de flujo radial que está conectado a la red eléctrica y que comprende laminaciones (17, 18, 19), y una junta de tensión que comprende una placa frontal y una placa posterior con laminaciones intermedias, caracterizada porque dichas laminaciones están expuestas directamente al aire ambiente y porque la junta de tensión presiona juntas las laminaciones en la dirección axial por una fuerza que es mayor que 1 vez y particularmente mayor que 2 veces y más en particular mayor que 6 veces la relación entre el torque operativo máximo Tmax y el radio del espacio de aire rairgap, de manera que dichas laminaciones (17, 18, 19) son esenciales para la transferencia del torque en la dirección axial, donde dichas laminaciones (17, 18, 19) transfieren el torque en la dirección axial en aproximadamente el 100 %, donde el exterior de las laminaciones está cubierto por una capa anticorrosiva.

Description

DESCRIPCIÓN

Generador para turbina eólica de accionamiento directo

5 La invención se refiere al generador de flujo radial de una turbina eólica de accionamiento directo, cuya turbina puede convertir energía eólica en energía eléctrica que puede suministrarse a la red eléctrica. La instalación comprende, entre otros, una pala de rotor que está fijada a un eje, un rotor de un generador fijado a dicho eje, una góndola que contiene la parte estática del generador y una estructura de soporte.

10 Información de los antecedentes

El concepto de turbina eólica de accionamiento directo se conoce comúnmente. Pueden encontrarse varias modalidades de este concepto en el estudio de diseño NREL/SR-500-35524. Todas esas modalidades de accionamiento directo usan un generador con un estator en una carcasa de estator que está fijada a la góndola. En 15 esta patente el término "carcasa" puede referirse a la carcasa del estator o a la carcasa del rotor o a ambos. El estator comprende, entre otros, enrollados y laminaciones. El rotor del generador puede comprender enrollados o imanes permanentes, ambas opciones pueden combinarse con un empaque de laminación. El empaque de laminación del rotor se fija a una carcasa de rotor que se fija a las palas del rotor a través de varios medios de conexión. Para varios tipos conocidos de generadores nos referimos a “Permanent Magnet Synchronous Motor for 20 Industrial Inverter Applications”, tesis doctoral, Tanja Heikkila, Lappeenranta Univ. of Techn.

Desventajas

Los conceptos anteriores de generador utilizan una carcasa para las laminaciones, cuya carcasa sirve, entre otras 25 cosas, para soportar el torque. La propiedad de una turbina eólica de accionamiento directo es que el torque del generador es mucho más alto que el de una turbina eólica con una caja de engranajes. El torque se ejerce sobre las laminaciones y debe transferirse en dirección axial a los puntos de montaje del generador. Las laminaciones son placas delgadas puestas una encima de la otra y que pueden desplazarse entre sí para que no puedan transferir mucho torque en la dirección axial. Por lo tanto, las laminaciones se fijan en la carcasa y transfieren las fuerzas a la 30 carcasa cilindrica que puede transferir adecuadamente el torque. Esto significa, sin embargo, que las laminaciones deben montarse adecuadamente en la carcasa y que la carcasa debe ser lo suficientemente fuerte como para soportar el alto torque. Debido a estas restricciones, la carcasa es un miembro pesado y costoso.

La transferencia de calor desde las laminaciones hacia el exterior a través de la carcasa es mejor cuando la carcasa 35 tiene un buen contacto térmico con las laminaciones, lo que añade restricciones adicionales a la fabricación tanto de la carcasa como de las laminaciones. Incluso en el caso de un buen contacto de la carcasa, esta aún es una barrera térmica para el intercambio de calor con el aire ambiente. Cuanto peor sea el intercambio de calor, menores serán las corrientes a través de los enrollados para evitar el sobrecalentamiento.

40 La carcasa tiene además la importante función protectora contra la corrosión de las laminaciones. Las laminaciones son muy corrosivas, en particular en el aire ambiente y sin duda cerca del mar requieren una buena protección. La carcasa del generador es imprescindible para las turbinas eólicas actuales, sin embargo, al mismo tiempo es una parte grande, pesada y costosa.

45 El documento EP 1641102 A1 describe una máquina eléctrica que tiene una pila de laminaciones. Esta pila de laminaciones se mantiene unida mediante tornillos que se extienden a través de la pila. Las cabezas de los tornillos están aisladas de la pila por un anillo aislante.

El documento WO 02/095222 describe un generador de turbina eólica que tiene un estator que comprende 50 laminaciones y una carcasa que están integradas entre sí alrededor de las cuales se proporciona una cubierta.

Objeto de la invención

El objeto de la invención es superar las desventajas mencionadas. En una modalidad de la invención este objeto se 55 logra al mejorar la coherencia de las laminaciones de manera que la función estructural de la carcasa es asumida por el empaque de laminación. En una modalidad especial de la invención las laminaciones y otros elementos transfieren el torque a los puntos de montaje del generador o a la placa frontal o la placa posterior.

Sobre las laminaciones del estator de un generador de flujo radial convencional se ejerce una fuerza tangencial, la 60 cual se transfiere a la carcasa. Las fuerzas tangenciales de todas las laminaciones del estator se suman al torque en la carcasa, el cual es transferido por la carcasa en la dirección axial a los puntos de montaje. Sin embargo, para un generador de acuerdo con una modalidad de la invención, la carcasa no está presente. En ese caso, las laminaciones son esenciales para la transferencia del torque en dirección axial. Esencial significa que cuando se retiran las laminaciones, la estructura restante se deformará plásticamente cuando el torque del generador sea 65 máximo.

De acuerdo con la invención, aproximadamente el 100 % de dicho torque se transfiere axialmente a través de las laminaciones a los puntos de montaje del generador. En una modalidad especial de la invención las laminaciones se sueldan juntas. También pueden soldarse varillas axiales o helicoidales en las laminaciones. Debe entenderse que la "transferencia axial de torque a través de las laminaciones" debe interpretarse también como transferencia a 5 través de elementos que están soldados a las laminaciones o transferidos por las soldaduras, de manera que dichas modalidades son parte de la invención.

De acuerdo con el experto en la técnica, la carcasa alrededor de las laminaciones es esencial por razones estructurales y para evitar la corrosión del laminado. Por lo tanto, el experto rechaza directamente la omisión de la 10 carcasa como opción de mejora. Sin embargo, los experimentos han revelado que la corrosión del laminado puede evitarse con ciertos recubrimientos y que las funciones estructurales de la carcasa pueden ser asumidas por las laminaciones.

De acuerdo con la invención las laminaciones están expuestas directamente al aire ambiente, donde la palabra 15 directamente significa que ninguna cubierta metálica separada protege las laminaciones. Cuando las laminaciones están protegidas por un recubrimiento, esto se interpreta como directamente expuestas.

El estator del generador de flujo radial puede ser tanto externo como interno al rotor asociado. En esos dos casos, tanto el estator como el rotor pueden comprender laminaciones que no están soportadas por una carcasa. Todas 20 esas configuraciones son modalidades preferidas de acuerdo con la invención cuando al menos el estator o el rotor comprende laminaciones que no están soportadas por una carcasa y donde las laminaciones son esenciales para la transferencia del torque en la dirección axial.

Se obtiene una ventaja adicional mediante la aplicación de imanes permanentes. En una modalidad preferida de la 25 invención los imanes permanentes se fijan dentro o sobre las laminaciones, donde las laminaciones contribuyen esencialmente a la transferencia del torque en la dirección axial. Más en particular, en esta modalidad se aplican imanes permanentes en el rotor.

Una modalidad preferida de la invención es aquella donde el calor disipado por el generador se elimina pasivamente, 30 de manera que no se requiere un sistema de refrigeración activo. Esto es relevante en particular para las turbinas eólicas mar adentro, donde la omisión de un sistema de refrigeración activo es beneficioso ya que aumenta la disponibilidad.

Una modalidad preferida de la invención es aquella donde el contorno exterior o el contorno interior de una sección 35 transversal del laminado normal a la dirección axial se aumenta por un factor mayor que 1,5 y en particular mayor que 3 y preferentemente mayor que 5 en comparación con el contorno circular más pequeño en dicha sección transversal que encierra completamente dichas laminaciones. Esta modalidad tiene la ventaja de un mejor enfriamiento de las laminaciones debido a la superficie aumentada, de modo que el torque del generador puede aumentarse sin sobrecalentamiento.

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Se obtiene una ventaja adicional cuando, de acuerdo con la invención, las laminaciones se presionan juntas en la dirección axial con una fuerza que es mayor por un factor de 1 y en particular por un factor de 2 y preferentemente por un factor de 6 que la relación del torque máximo operacional Tmax y el radio del espacio de aire.

45 De acuerdo con la invención el exterior del empaque de laminación está recubierto por una capa anticorrosiva. Dicha capa puede ser cualquier capa conocida para evitar la corrosión tal como, por ejemplo, rociado de pintura, recubrimiento en polvo, galvanización, enrollado de una tira de metal alrededor de las laminaciones, la fusión de una capa de succión de vacío de una bolsa que encierra las laminaciones y luego se fija. La capa también puede ser una capa de brea, o de tectil o epoxi o puede aplicarse durante la fabricación del generador en un tanque de vacío. La 50 capa anticorrosiva es preferentemente no más gruesa de 5 mm, en particular no más gruesa de 3 mm y más en particular no más gruesa de 1 mm y preferentemente menor de 0,3 mm.

Se obtiene una ventaja adicional cuando la invención se aplica a una turbina eólica de eje horizontal con un diámetro de rotor mayor de 30 m y en particular mayor de 80 m y más en particular mayor de 120 m. Las investigaciones han 55 revelado que los requisitos de enfriamiento de las turbinas de accionamiento directo aumentan con el aumento del diámetro de la turbina. La potencia de la turbina aumenta por el cuadrado del diámetro mientras que la velocidad de rotación disminuye inversamente proporcional al diámetro. El torque del rotor aumenta en aproximadamente el cubo del diámetro del rotor. Como una aproximación de primer orden, el calor disipado por un generador es proporcional al cuadrado del torque y la disipación de calor aumenta más rápido que la potencia. En conclusión, la aplicación de 60 la invención se vuelve cada vez más importante con el aumento del diámetro. Varias turbinas del estado de la técnica de más de 50 m de diámetro requieren refrigeración activa. Por el mismo razonamiento también se obtiene una ventaja adicional cuando la invención se aplica a turbinas con una potencia nominal de más de 250 kW y en particular de más de 2 MW y más en particular de más de 5 MW.

65 La conexión a la red eléctrica es preferentemente a través de un convertidor electrónico de potencia.

De acuerdo con un ejemplo de la invención se mejora la refrigeración del generador al fijar aletas de refrigeración separadas a las laminaciones. Dichas aletas pueden fijarse mediante cualquier método de fijación tal como soldadura, uniones por clic, soporte metálico anclado, adhesión, etc. En una modalidad preferida las aletas de refrigeración se fabrican por extrusión de una aleación que contiene aluminio.

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Puede obtenerse una ventaja adicional cuando se colocan elementos de tensión a través de inserciones en las laminaciones y en particular cuando dichos elementos de tensión conectan la placa posterior y la placa frontal del generador a través de agujeros en las laminaciones y más en particular cuando dichos elementos de tensión comprenden tornillos de tensión que producen una estructura de ajuste con las laminaciones. La ventaja de una 10 estructura de ajuste de este tipo es que durante la producción del generador las laminaciones pueden graparse en los tornillos de tensión de manera que se construya la geometría correcta del generador. Durante la fabricación del generador, los tornillos pueden colocarse fijándolos a la placa frontal o a la placa posterior.

Puede obtenerse una ventaja adicional cuando se pasan conductos de refrigeración a través de las inserciones en 15 las laminaciones, de manera que puede eliminarse el calor.

Figuras

Las figuras más abajo muestran modalidades preferidas de acuerdo con la invención.

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Figura 1: Turbina eólica de acuerdo con la invención.

Figura 2: Turbina eólica de acuerdo con la invención.

25 Figura 3: Sección transversal I-I en la Figura 1.

Figura 4: Sección transversal del laminado del estator.

Las Figuras 1 y 2 muestran una turbina eólica 1 con las palas de rotor 2, una torre 3 y una góndola 4. El estator del 30 generador comprende una placa frontal 7, una placa posterior 16 y los enrollados 14 alrededor de las laminaciones 17. Las laminaciones 17 están atornilladas juntas mediante los tornillos 20. De acuerdo con la invención no está presente una carcasa cilíndrica de acero alrededor de las laminaciones. Tampoco está presente una carcasa para el rotor. El rotor del generador tiene una placa frontal 9 y una placa posterior 10 y las laminaciones intermedias 19 que están conectadas por los tornillos 5. Las laminaciones 18 son más altas que las laminaciones 19 para mejorar la 35 estructura y/o para servir como un brazo de soporte hacia el soporte 6. Para ciertas modalidades de la invención las laminaciones 18 pueden reemplazarse por una placa, por ejemplo, una placa de acero macizo.

En la Figura 1 la conexión entre las laminaciones 19 y el soporte 6 se realiza mediante el elemento 22 y el eje hueco 21. En la Figura 2 la placa posterior 16 del estator está reforzada por el elemento 11. El rotor está reforzado por el 40 elemento 12 que conecta la placa posterior 9 al soporte 6. La Figura 2 muestra también un elemento de refuerzo 13 entre el soporte 6 y las laminaciones 19.

La Figura 3 muestra la sección transversal I-I de la Figura 1. El rotor comprende los imanes permanentes 30 y las laminaciones 19. Las laminaciones del rotor o del estator tienen respectivamente los agujeros 31 y 37 o los agujeros 45 32 con una conexión abierta para sujetar los tornillos 5 o 20. Las laminaciones 17 se suministran con las aletas de refrigeración 39 y pueden perforarse en conjunto desde una placa. Las laminaciones 19 se suministran con los elementos de refrigeración separados 33 con las aletas de refrigeración 34. Los elementos de refrigeración separados 33 pueden consistir de aluminio extruido y pueden unirse con un soporte metálico anclado 35. Por supuesto, otra modalidad de la invención es aquella donde los elementos de refrigeración separados se aplican al 50 laminado del estator 17 y/o donde las laminaciones del rotor y las aletas de refrigeración son una sola pieza. La Figura 3 muestra tres laminaciones 17 de las cuales una es completamente visible y dos están cortadas en el dibujo por las líneas 36. Las piezas encajan en las dilataciones 41. Las dilataciones entre dos segmentos pueden coincidir con la ubicación de un tornillo. Para cada capa siguiente de laminaciones, las ubicaciones 41 pueden desplazarse una o más posiciones de tornillo adicionales de manera que las ubicaciones 41 no coincidan para las diferentes 55 capas. Cuando se colocan todas las laminaciones, estas pueden soldarse en las ubicaciones 38 para fortalecer aún más la estructura. Los enrollados en las ranuras 46 no se muestran en la figura. Los tornillos 20 se ajustan en los agujeros 37 en las pestañas 40 y juntan las placas frontal y posterior con las laminaciones intermedias 17 de modo que la placa frontal y la placa posterior junto con el laminado forman una construcción fuerte.

60 La Figura 4 muestra las laminaciones del estator de una sección transversal del generador. El contorno 47 es el círculo más pequeño que encierra por completo las laminaciones 17. Este contorno es la referencia tanto para el contorno interno como para el externo para determinar si las laminaciones son una modalidad de acuerdo con la invención. Al determinar la longitud del contorno exterior o interior deben excluirse las dilataciones 41.

65 El número de laminaciones dibujadas en las Figuras 1 y 2 es menor que en la práctica para que las ilustraciones sean más claras. En la práctica el espesor de las laminaciones es del orden de 1 a varios mm. Los generadores en

las Figuras 1 y 2 están dibujados relativamente grandes en comparación con, por ejemplo, las palas del rotor.

El experto también comprenderá que una turbina en este texto se refiere a turbinas de eje vertical y de eje horizontal que son solo denotaciones de tipo que no prescriben la orientación precisa del eje. Además, las reivindicaciones se 5 refieren a todos los tipos conocidos de generadores de turbinas eólicas tales como, sin limitaciones, generadores con enrollados de cobre en el estator, generadores de doble cara con un rotor exterior e interior del estator, o ambos, un estator dentro y fuera del rotor, generadores que usan superconducción o superconducción a alta temperatura. Para un generador superconductor es una ventaja que la masa del generador y por lo tanto la capacidad calorífica sea menor, cuando las laminaciones asumen la función estructural de la carcasa y se omite la 10 carcasa.

Para el experto en la técnica, es trivial que el laminado pueda producirse al enrollar helicoidalmente el laminado sobre sí mismo. De esta manera, los tornillos pueden servir como un ajuste. Esta solicitud de patente comprende explicaciones físicas para los diferentes fenómenos. Debe entenderse que la validez de esas explicaciones no está 15 relacionada con la validez de las reivindicaciones adjuntas.

Aunque la descripción y los dibujos que se describen en la presente descripción constituyen modalidades preferidas de la invención, debe entenderse que la invención está limitada únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Turbina eólica de accionamiento directo (1) que comprende una pala (2), una torre (3), un eje principal (21) 5 y un generador de flujo radial que está conectado a la red eléctrica y que comprende laminaciones (17, 18, 19), y una junta de tensión que comprende una placa frontal y una placa posterior con laminaciones intermedias, caracterizada porque dichas laminaciones están expuestas directamente al aire ambiente y porque la junta de tensión presiona juntas las laminaciones en la dirección axial por una fuerza que es mayor que 1 vez y particularmente mayor que 2 veces y más en particular mayor que 6 veces la relación entre el torque operativo 10 máximo Tmax y el radio del espacio de aire rairgap, de manera que dichas laminaciones (17, 18, 19) son esenciales para la transferencia del torque en la dirección axial, donde dichas laminaciones (17, 18, 19) transfieren el torque en la dirección axial en aproximadamente el 100 %, donde el exterior de las laminaciones está cubierto por una capa anticorrosiva.

15 2. Turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el estator está ubicado fuera del rotor.
3. Turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el rotor comprende imanes permanentes.

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4. Turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde dicha turbina comprende una turbina mar adentro y en particular donde la refrigeración del generador es esencialmente pasiva.
5. Turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 2 donde las laminaciones están provistas con aletas de 25 refrigeración que aumentan la superficie de refrigeración por al menos un factor de 1,5, en particular por al menos un

factor de 3 y más en particular por al menos un factor de 5.
6. Turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la distancia entre las laminaciones y el aire ambiente es menor de 5 mm, en particular menor de 3 mm y más en particular es menor de 1

30 mm.
7. Turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores del tipo de eje horizontal donde el diámetro del rotor es mayor de 30 metros y en particular es mayor de 80 metros y más en particular es mayor de 120 metros.

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8. Turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 5 donde las aletas de refrigeración separadas se conectan a las laminaciones y en particular donde dichas aletas se fabrican por extrusión de una aleación que contiene aluminio.

40 9. Turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el generador comprende varillas de tensión a través de las laminaciones y en particular donde dichas varillas de tensión conectan una placa frontal y una placa posterior con laminaciones intermedias y más en particular donde dichas varillas de tensión se ajustan con los agujeros en las laminaciones.

45 10. Turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde las laminaciones comprenden conductos de refrigeración internos.