ES2672146T3 - Disposición de accionamiento para una turbina eólica - Google Patents

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ES2672146T3 ES12753206.7T ES12753206T ES2672146T3 ES 2672146 T3 ES2672146 T3 ES 2672146T3 ES 12753206 T ES12753206 T ES 12753206T ES 2672146 T3 ES2672146 T3 ES 2672146T3
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Scott Douglas EDMONDSON
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Abstract

Una disposición (12) de accionamiento para una turbina (10) eólica, comprendiendo la disposición de accionamiento: un árbol (20) de rotor; un conjunto (22) de caja de cambios para transferir el par desde el árbol del rotor a un generador (18) de potencia eléctrica, comprendiendo el conjunto de caja de cambios: - un árbol (40) de entrada; - un árbol (42) de salida; - una etapa (44) de engranaje primaria; y - una etapa (46) de engranaje secundaria; - cada etapa de engranaje tiene una pluralidad de engranajes (52; 58) planetarios colocados alrededor del árbol de salida, una corona (84; 86) dentada engranada con los engranajes planetarios, y un engranaje (82; 42) solar engranado con los engranajes planetarios y dispuesto para transferir el par al árbol de salida; un mecanismo (24) de transferencia de accionamiento para transferir el par desde el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios a través del árbol de entrada; y un elemento (56) portador de carga primario para montar de forma desmontable el conjunto de caja de cambios en una carcasa (34) de una turbina eólica; en el que el árbol del rotor es al menos parcialmente hueco, que tiene una cavidad (28) interna en la que están ubicadas al menos parte del conjunto de caja de cambios y al menos parte del mecanismo de transferencia de accionamiento; y en el que el conjunto de caja de cambios que comprende el árbol de entrada, el árbol de salida, las etapas de engranaje primaria y secundaria se puede montar dentro del árbol del rotor como una única unidad por medio del elemento portador de carga primaria.

Description

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DESCRIPCION
Disposición de accionamiento para una turbina eólica
La presente invención se refiere a una disposición de accionamiento para una turbina eólica, y a una turbina eólica que incorpora una disposición de accionamiento. En particular, pero no exclusivamente, la presente invención se refiere a una disposición de accionamiento que comprende un árbol del rotor, un conjunto de caja de cambios para transferir el par del rotor a un generador de energía eléctrica y un mecanismo de transferencia de accionamiento para transferir el par desde el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios.
Los esfuerzos significativos se están realizando en todo el mundo para sacar provecho de las fuentes de energía renovables. Un área particular en la que se ha investigado mucho es en el campo de la generación de energía eólica. Se ha desarrollado una amplia variedad de diferentes tipos de máquinas de generación de energía eólica. Como es bien sabido, estas máquinas se denominan generalmente turbinas eólicas, y comprenden un rotor que tiene dos o más álabes, un generador de energía eléctrica y a menudo tienen una disposición de accionamiento para transferir el par desde el rotor al generador. La disposición de accionamiento comprende un árbol del rotor acoplado a los álabes y una caja de cambios. La disposición de accionamiento y el generador están contenidos dentro de una góndola aerodinámica, que está montada en una torre alargada que puede tener muchas decenas de metros de altura. Otros tipos son de 'accionamiento directo', en el que el árbol del rotor está conectado directamente al generador.
En las turbinas más grandes, la velocidad del rotor está limitada por la velocidad de la punta aceptable de los álabes. En consecuencia, las velocidades del rotor disminuyen a medida que los álabes se hacen más largas, la potencia capturada es proporcional al diámetro del disco del álabe al cuadrado. Como resultado de esto, la velocidad de rotación del rotor de la turbina en tales turbinas más grandes es relativamente baja, y el par en el árbol del rotor es relativamente alto. Por lo tanto, es necesario aumentar la velocidad de rotación y reducir el par antes de la entrada de la carga de rotación en el generador. Esto se debe a que los generadores convencionales no pueden funcionar con eficacia a velocidades tan bajas y pares elevados. El par se transfiere así a través de una caja de cambios, que está acoplada al árbol del rotor, y que tiene un árbol de salida acoplado al generador. La velocidad de rotación del árbol de salida de la caja de cambios es significativamente más alta que la del árbol del rotor que proporciona la entrada a la caja de cambios, y el par en el árbol de salida es significativamente menor. Se conocen generadores de accionamiento directo, que pueden ser eficientes, pero son relativamente grandes y pesados. Por ejemplo, en base a la potencia, una turbina con engranajes será significativamente más ligera, más pequeña y de menor coste que un sistema de accionamiento directo, que es la razón habitual para la selección de un diseño de turbina con engranajes.
Los componentes de tales turbinas eólicas convencionales típicamente se han conectado en serie en el orden rotor - árbol del rotor - caja de cambios - generador. Los componentes de conexión se proporcionan entre el árbol del rotor y el árbol de entrada de la caja de cambios, y de forma similar entre el árbol de salida de la caja de cambios y el generador. También se requieren disposiciones de cojinetes para soportar el momento de flexión significativo y las fuerzas de cizallamiento experimentadas por el rotor durante el uso. Como resultado, las disposiciones de accionamiento de muchas turbinas eólicas anteriores son relativamente largas y pesadas, particularmente debido a los componentes de conexión voluminosos y pesados provistos entre los diversos ejes y la disposición físicamente separada y en serie de estos en la góndola. Como consecuencia, la góndola de la turbina eólica es relativamente grande y pesada. En general, no es deseable tener una góndola tan grande situada a la altura de la torre de la turbina eólica. Esto requiere que la torre admita cargas estáticas y dinámicas relativamente altas. Además, la carga de viento en la góndola puede ser alta, y esto también debe ser soportado por la torre. Por lo tanto, el peso y el tamaño de la góndola conducen el diseño de la torre y la cimentación, un importante causante del coste total del sistema de la turbina.
Por otra parte, las disposiciones de accionamiento, en particular, las cajas de cambios han requerido históricamente un mantenimiento regular. Esto se debe especialmente a la naturaleza extremadamente variable de las cargas de par que ejerce el rotor sobre la caja de cambios en función de las condiciones del viento. Además, el rotor puede ejercer grandes fuerzas de cizallamiento y momentos de flexión en la caja de cambios, lo que provoca un desgaste prematuro y daños por fatiga.
Sin embargo, puede ser difícil dar servicio a las cajas de cambios de turbinas existentes. Por lo general, las cajas de cambios se retiran para su reparación fuera de la torre, ya que hay un acceso limitado a la caja de cambios en la góndola. Las condiciones ambientales prevalecientes y la necesidad de equipos especiales y en algunos casos sustanciales de herramientas y pruebas son barreras asociadas a la reparación en la torre. Se ha encontrado que es relativamente difícil de quitar las cajas de cambios en algunos casos, debido a su tamaño, peso y la forma en que se montan dentro de la góndola y se acoplan al árbol del rotor y al generador. En ciertas turbinas, la caja de cambios soporta parcial o totalmente el rotor y, por lo tanto, la extracción de la caja de cambios requiere que se proporcione un soporte separado para soportar el rotor o su extracción. El mantenimiento de las disposiciones de accionamiento de las turbinas existentes puede, por lo tanto, consumir mucho tiempo y ser costoso.
La publicación de Patente de los Estados Unidos n.° US-2010/0009803 (Giger) divulga una turbina eólica y una caja de cambios. La turbina comprende un árbol 3 del rotor que es de forma hueca, y la caja de cambios está
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parcialmente dispuesta en un interior del árbol. La caja de cambios es un árbol paralelo y una caja de cambios planetarios que tiene dos etapas dentro del árbol del rotor, formando etapas primarias y secundarias. La etapa secundaria tiene un portador de engranaje planetario que lleva una cantidad de engranajes planetarios en montajes que son elásticamente deformables. Una corona dentada (o anular) de la etapa secundaria es parte de un elemento de acoplamiento que constituye un engranaje solar de la etapa secundaria. Un árbol planetario corre hacia atrás fuera del árbol del rotor a través de un soporte de par, y está acoplado a un generador de compensación. Los engranajes planetarios de la etapa primaria se montan en un segundo portador de engranaje formado por el soporte de par, y una corona dentada de la etapa primaria se forma directamente en el interior del árbol hueco del rotor.
La extracción del conjunto de caja de cambios descrita en Giger desde la carcasa de la turbina es difícil. En particular, las etapas primaria y secundaria no se pueden quitar de la carcasa junto con el árbol planetario, y al tener varias interfaces, se deben quitar por separado. En particular, la forma en que el portador de engranaje planetario de la etapa secundaria está montado con relación al árbol del rotor, y la corona dentada formada en el interior del árbol del rotor, es tal que el conjunto de la caja de cambios debe retirarse en secciones, en vez de como una única unidad. Esto es desafiante y lleva mucho tiempo.
Otro problema con conjuntos de caja de cambios conocidos se refiere a la distorsión de dientes de engranaje. Las etapas de engranajes epicicloidales comprenden una corona dentada engranada con engranajes planetarios y dispuestos para transferir el par a los engranajes planetarios. Los engranajes planetarios se engranan con un engranaje solar para transferir el impulso a un árbol de salida. Los conjuntos de caja de cambios están dispuestos de modo que el par se transfiere a la corona dentada en un primer extremo axial. La transferencia del par de torsión a la corona dentada de esta manera puede dar como resultado la distorsión o "torsión" de los dientes planetarios en una dirección alrededor de una circunferencia de los engranajes planetarios, que en la industria se conoce como "cuerda". Esto ha sido tratado convencionalmente mediante cualquiera de los siguientes: 1) construir una disposición de accionamiento central, en el que el accionamiento se transfiere a la corona dentada, y de los engranajes planetarios al engranaje solar, en un punto que está a medio camino a lo largo de los engranajes; y/o 2) dar forma a los dientes del engranaje en los engranajes planetario y solar para que varíen en anchura circunferencial, disminuyendo a lo largo de su longitud para permitir la distorsión. En el caso de 1), esto puede aumentar significativamente las dimensiones, el peso y la complejidad del conjunto de caja de cambios. En el caso de 2), esto complica significativamente los procesos de diseño y fabricación.
La publicación de patente internacional n.° WO-2010/005790 describe un sistema de generación de energía accionado por el viento que incluye un conjunto de accionamiento, accionamiento y caja de cambios. El sistema comprende un portador de entrada que está configurado para transferir una entrada giratoria desde las palas del rotor a un tren de engranajes. El portador de entrada es sólido y actúa como un portador para los engranajes planetarios de la etapa primaria, y como una ubicación de fijación para una corona dentada de la etapa secundaria. La caja de cambios está conectada en serie al portador de entrada. La fijación de un transportador transfiere el par de los engranajes planetarios a sotavento a una articulación de reacción de par. La disposición de los componentes de la caja de cambios es tal que sería necesario retirar los componentes poco a poco, por ejemplo, para fines de mantenimiento.
La publicación de la patente de los EE.UU. n.° US-2011/0068583, que constituye la técnica anterior más cercana, describe un aparato de accionamiento de generador que comprende un árbol del rotor y una unidad de engranaje. El árbol del rotor puede ser anular y hueco. Se recibe un portador planetario de alta velocidad en el árbol del rotor y se monta en el árbol. Un portador planetario de baja velocidad está asegurado a un bastidor, y un acoplamiento de accionamiento en forma de placa está asegurado al árbol de salida. La disposición de los componentes de la unidad de engranaje es tal que requeriría una extracción por partes, por ejemplo, con fines de mantenimiento.
La publicación de patente internacional n.° WO-2009/049599 describe una turbina eólica que comprende un rotor, una carcasa de accionamiento, con una corona dentada de una caja de cambios montada en la carcasa y acoplada al rotor. Una etapa de entrada comprende la corona dentada, engranajes planetarios y un engranaje solar hueco. Una etapa de salida comprende una corona dentada fijada de manera giratoria al engranaje central hueco, engranajes planetarios y un engranaje solar hueco que proporciona rotación a un árbol. El rotor está conectado directamente a la corona dentada de la caja de cambios, en serie. La disposición de los componentes de la caja de cambios es tal que sería necesario retirar los componentes poco a poco, por ejemplo, para fines de mantenimiento.
Se encuentra entre los objetos de al menos una realización de la presente invención obviar o mitigar al menos una de las desventajas anteriores.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona una disposición de accionamiento para una turbina eólica, la disposición de accionamiento comprendiendo:
un árbol del rotor;
un conjunto de caja de cambios para transferir el par desde el árbol del rotor a un generador de potencia
eléctrica, comprendiendo el conjunto de caja de cambios:
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• un árbol de entrada;
• un árbol de salida;
• una etapa de engranaje primaria; y
• una etapa de engranaje secundaria;
• cada etapa de engranaje tiene una pluralidad de engranajes planetarios colocados alrededor del árbol de salida, una corona dentada engranada con los engranajes planetarios, y un engranaje solar engranado con los engranajes planetarios y dispuesto para transferir el par al árbol de salida;
un mecanismo de transferencia de accionamiento para transferir el par desde el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios a través del árbol de entrada; y
un elemento portador de carga primario para montar de forma desmontable el conjunto de caja de cambios en una carcasa de una turbina eólica;
en el que el árbol del rotor es al menos parcialmente hueco, que tiene una cavidad interna en la que están situados al menos parte del conjunto de caja de cambios y al menos parte del mecanismo de transferencia de accionamiento;
y en el que el conjunto de caja de cambios que comprende el árbol de entrada, el árbol de salida, las etapas de engranaje primaria y secundaria se puede montar dentro del árbol del rotor como una única unidad por medio del elemento principal que soporta la carga.
El elemento portador de carga primaria puede facilitar de ese modo el posicionamiento del árbol del rotor dentro de una góndola que lleva la disposición de accionamiento de tal manera que el conjunto de caja de cambios se puede quitar más fácilmente (como una unidad).
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona una disposición de accionamiento para una turbina eólica, la disposición de accionamiento comprendiendo:
un árbol del rotor;
un conjunto de caja de cambios para transferir el par desde el árbol del rotor a un generador de energía eléctrica;
y
un mecanismo de transferencia de accionamiento que comprende un conector flexible que se extiende entre el árbol del rotor y el conjunto de caja de cambios para transferir el par desde el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios;
en el que el árbol del rotor es al menos parcialmente hueco, que tiene una cavidad interna en la que están situados al menos parte del conjunto de caja de cambios y al menos parte del mecanismo de transferencia de accionamiento;
y en el que el conector flexible es elásticamente deformable de manera que, en uso, permite distorsiones del árbol del rotor con relación al conjunto de caja de cambios resultante de flexión del rotor o cargas de cizallamiento de al menos alrededor de 0,1°, para reducir así la transmisión de dichas cargas en el conjunto de caja de cambios.
El conector flexible puede tener un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo, y puede ser fijado al árbol del rotor en el primer extremo y al conjunto de caja de cambios en el segundo extremo. El conector flexible puede estar provisto integralmente con el árbol del rotor y puede extenderse desde el árbol hacia el conjunto de caja de cambios, teniendo el conector flexible un extremo libre que puede acoplarse al conjunto de caja de cambios. El conector flexible puede deformarse elásticamente de manera que, en uso, se desvía alrededor de un árbol principal para reducir la transmisión de las cargas de flexión y de cizallamiento del rotor en el conjunto de caja de cambios. El conector flexible puede soportar distorsiones del árbol del rotor con respecto al conjunto de la caja de cambios de hasta alrededor de 0,2° o más. El conector flexible puede ser una brida que se extiende en una dirección radial desde el árbol del rotor hacia el conjunto de caja de cambios. El conector flexible puede ser corrugado, y puede extenderse en una dirección axial entre los rebordes de montaje en el árbol del rotor y el conjunto de caja de cambios, deformaciones del conector para reducir la transmisión de las cargas del rotor en el conjunto de caja de cambios.
La disposición de accionamiento del segundo aspecto de la invención ofrece ventajas significativas sobre arreglos previos, tal como el descrito en el documento US-2010/0009803 (Giger). En particular, Giger emplea una caja de cambios que está dispuesta de modo que hay una conexión extremadamente rígida entre el árbol del rotor y la caja de cambios. Esta conexión rígida garantiza que las cargas de flexión y/o de cizallamiento del rotor se transmitan directamente a la caja de cambios. En otras palabras, la distorsión del árbol del rotor se siente mediante el conjunto de la caja de cambios. Giger lo reconoce, pero intenta dar cuenta del problema montando los engranajes planetarios en clavijas flexibles. Sin embargo, esta es una solución de compromiso que generará mayores cargas en el conjunto de la caja de cambios, desgaste prematuro de los engranajes y cargas indeseables en las clavijas flexibles y los conjuntos de cojinetes.
El conjunto de caja de cambios del primer aspecto de la invención puede estar dispuesto dentro del árbol del rotor de tal manera que existe un espacio de separación radial entre una superficie interna del árbol del rotor y una superficie externa de la corona dentada de dicha etapa de engranaje, para proporcionar la disposición de
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accionamiento con un grado de libertad de movimiento, para tener en cuenta las deflexiones del árbol del rotor durante el uso. El conjunto de caja de cambios del primer aspecto de la invención puede comprender un mecanismo de transferencia de accionamiento que tiene un conector flexible que se extiende entre el árbol del rotor y el conjunto de caja de cambios para transferir el par desde el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios, y el conector flexible puede ser elásticamente deformable de forma que, en uso, permite distorsiones del árbol del rotor con relación al conjunto de caja de cambios resultante de la flexión del rotor o cargas de cizallamiento de al menos alrededor de 0,1°, para reducir así la transmisión de dichas cargas en el conjunto de caja de cambios.
El conjunto de caja de cambios del segundo aspecto de la invención puede comprender etapas de engranajes primaria y secundaria; y un elemento portador de carga primaria para montar de forma desmontable el conjunto de caja de cambios en una carcasa de una turbina eólica; en el que el conjunto de caja de cambios que comprende el árbol de salida, las etapas de engranaje primaria y secundaria se puede montar dentro del árbol del rotor como una única unidad por medio del elemento principal que soporta la carga.
De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención, se proporciona una disposición de accionamiento para una turbina eólica, la disposición de accionamiento comprendiendo:
un árbol del rotor;
un conjunto de caja de cambios para transferir el par desde el árbol del rotor a un generador de energía eléctrica;
y
un mecanismo de transferencia de accionamiento para transferir el par desde el árbol del rotor al conjunto de
caja de cambios;
en el que el árbol del rotor es al menos parcialmente hueco, que tiene una cavidad interna en la que están
situados al menos parte del conjunto de caja de cambios y al menos parte del mecanismo de transferencia de
accionamiento.
Las siguientes ventajas y características se pueden aplicar a las disposiciones de accionamiento de los aspectos primero, segundo y/o tercero de la invención.
Proporcionar una disposición de accionamiento que incluye un árbol del rotor que es hueco, con un conjunto de caja de cambios al menos en parte situado en una cavidad en el árbol, ofrece numerosas ventajas sobre los dispositivos de accionamiento anteriores. En particular, la longitud de la disposición de accionamiento puede reducirse significativamente. Tampoco es necesario proporcionar componentes de conexión grandes y pesados entre el árbol del rotor y el conjunto de la caja de cambios. Estos factores pueden conducir a una reducción en el peso de la disposición de accionamiento, y por lo tanto de una góndola que lleva la disposición de accionamiento proporcionada en altura sobre una torre de turbina eólica. Adicionalmente, una reducción en la longitud de la disposición de accionamiento da como resultado una reducción en la longitud de una góndola que lleva la disposición de accionamiento, que puede conducir a una carga de viento reducida sobre la góndola. Esto puede generar beneficios en términos de un diseño de torre más ligero y cimientos de la torre más pequeños. Además, el árbol del rotor puede estar soportado dentro de una góndola que lleva la disposición de accionamiento de tal manera que el conjunto de caja de cambios puede retirarse o desmontarse más fácilmente in situ, por ejemplo, para el servicio. La invención puede permitir que esto se consiga sin requerir que se proporcionen componentes separados para soportar el árbol del rotor después de la extracción del conjunto de caja de cambios. Además, al ubicar al menos parte del conjunto de la caja de cambios y el mecanismo de transferencia del disco dentro de una cavidad interna del árbol del rotor, se puede usar un sistema de lubricación para lubricar los cojinetes del árbol principal del rotor, simplificando el diseño general del sistema de lubricación de la turbina.
El conjunto de caja de cambios puede tener una superficie externa y una longitud axial, y puede ser situado dentro de la cavidad en el árbol del rotor de tal manera que el árbol del rotor se extiende alrededor de la superficie externa a lo largo de al menos parte de la longitud axial del conjunto de caja de cambios. La mayoría del conjunto de la caja de cambios puede estar ubicada en la cavidad en el árbol del rotor. La mayoría de las partes componentes del conjunto de caja de cambios pueden estar ubicadas dentro de la cavidad. Parte del conjunto de la caja de cambios puede sobresalir de la cavidad en el árbol del rotor. Al menos parte de un árbol de salida del conjunto de caja de cambios puede sobresalir de la cavidad. Esto puede facilitar la conexión del árbol de salida a un generador. La cavidad en el árbol del rotor puede extenderse en una dirección axial desde un extremo a sotavento del árbol del rotor. La cavidad puede extenderse parcialmente a lo largo de una longitud del árbol, o puede extenderse a lo largo de toda la longitud del árbol. El árbol de salida puede ser un componente único o unitario, o puede comprender secciones o componentes de árbol separados que están acoplados giratoriamente para transferir el par a un generador acoplado a la caja de cambios. Por ejemplo, cada etapa de engranaje puede tener su propia sección de árbol o componente que están acoplados giratoriamente.
El conjunto de caja de cambios puede comprender una etapa de engranaje primaria y una etapa de engranaje secundaria, comprendiendo cada uno una pluralidad de engranajes planetarios (epicicloidales) situados alrededor del árbol de salida, cada engranaje planetario montado de forma giratoria en una clavija de engranaje planetario respectivo y dispuesto para transferir el par al árbol de salida. La etapa primaria puede ser una disposición de estrella, en la que un portador planetario es fijo y, por lo tanto, estacionario, y la etapa secundaria puede ser
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planetaria o de estrella. Se entenderá que los componentes del conjunto de caja de cambios pueden girar alrededor de sus propios ejes y/o pueden seguir una trayectoria orbital alrededor de un árbol principal de la caja de cambios, o pueden estar asegurados contra la rotación. Esto dependerá de la arquitectura elegida o de la configuración de funcionamiento para la disposición del accionamiento. El par del árbol del rotor introducido en el conjunto de la caja de cambios se puede dividir entre las etapas de engranaje primaria y secundaria. La etapa de engranaje primaria puede estar dispuesta para transferir su parte de la carga del árbol del rotor al árbol de salida a través de la etapa de engranaje secundaria. La etapa de engranaje primaria puede disponerse para realizar un aumento de velocidad primaria/disminución de par en la parte de la carga del rotor introducida en la etapa primaria. La etapa de engranaje secundaria puede disponerse para realizar un aumento secundario de velocidad/disminución de par en la carga introducida en la etapa secundaria, que puede ser una combinación de una parte de la carga del árbol del rotor transferida directamente a la etapa secundaria, y la salida de la etapa de engranaje primaria.
El mecanismo de transferencia de accionamiento puede comprender un elemento de accionamiento primario para conectar el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios, para transferir la fuerza de accionamiento rotacional o de la carga (par) del árbol del rotor en el conjunto de caja de cambios. El conjunto de caja de cambios puede comprender un árbol de entrada que se puede acoplar al elemento de accionamiento primario, estando dispuesto el árbol de entrada para transferir la fuerza de accionamiento desde el elemento de accionamiento primario a las etapas de engranaje primaria y secundaria. El elemento de accionamiento primario puede estar asegurado al árbol del rotor. El árbol de entrada puede estar asegurado al conjunto de caja de cambios.
El elemento de accionamiento primario y el árbol de entrada puede estar acoplado juntos en una conexión flotante o compatible. Esto puede reducir la transmisión de cargas no deseadas al conjunto de la caja de cambios, particularmente los momentos de flexión y las fuerzas de cizallamiento ejercidas por el rotor. Esto puede reducir la probabilidad de daños a los componentes de la caja de cambios durante el uso. El mecanismo puede comprender una conexión ranurada para transferir la fuerza de accionamiento rotacional desde el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios. La conexión ranurada puede comprender estrías macho que se extienden axialmente provistas en el árbol de entrada y estrías hembra que se extienden axialmente provistas en el elemento de accionamiento primario y que engranan con las estrías macho. La provisión de una conexión estriada de este tipo puede facilitar la ubicación del conjunto de caja de cambios dentro de la cavidad del árbol del rotor y, de hecho, la retirada del conjunto de caja de cambios. Las alturas de las estrías macho pueden variar a lo largo de las estrías (aunque las estrías generalmente serán de una profundidad constante desde la raíz hasta la punta). Las estrías macho o hembra, y típicamente las estrías macho, pueden estrecharse (opcionalmente de forma no lineal) en direcciones desde una parte central o media de las estrías hacia cada extremo de las estrías. Las estrías pueden ser de la mayor altura radial en la parte media y de la menor altura radial en los extremos. Las estrías pueden tener perfiles curvos y pueden tener un cañón (visualización radial) o estar coronadas (visualización de costado). Las estrías coronadas pueden permitir un grado de inclinación angular relativa entre el árbol del rotor y los ejes longitudinales de la caja de cambios. Puede haber un pequeño espacio de diente/espacio libre de diente para permitir el ensamblaje. Las estrías que tienen tales formas pueden ofrecer numerosas ventajas, incluyendo que las estrías pueden acomodar los grandes momentos de flexión y fuerzas de cizallamiento ejercidas en el árbol del rotor por el rotor durante el uso, y sin transmitir (o reducir la transmisión) cargas significativas al conjunto de la caja de cambios. desviaciones resultantes. Alternativamente, se puede emplear un tubo de transferencia de torsión que sea rígido rotativamente, pero que permita flexibilidad lateral para desacoplar los efectos de distorsión del árbol radial.
El elemento de accionamiento/conector flexible primario puede tener un primer componente de acoplamiento para acoplar el elemento de accionamiento al árbol del rotor, y un segundo componente de acoplamiento para acoplar el elemento de accionamiento al árbol de entrada del conjunto de caja de cambios. Los componentes de acoplamiento primero y segundo pueden estar separados axialmente a lo largo de una longitud del elemento de accionamiento primario, y el primer componente de acoplamiento puede estar ubicado, en uso, a sotavento del segundo elemento de acoplamiento. Se puede proporcionar un espacio radial o hueco entre una superficie interna del elemento de accionamiento primario cerca del primer componente de acoplamiento y el conjunto de caja de cambios. Esto puede ayudar a reducir la transmisión de cargas dirigidas radialmente desde el árbol del rotor hacia el conjunto de la caja de cambios. En particular, el espacio radial, y el espacio entre los elementos de acoplamiento, pueden permitir la deformación del elemento de accionamiento primario mientras se reduce la transmisión de cargas radiales al conjunto de caja de cambios. El elemento de accionamiento primario puede ser un elemento anular y puede ser un tubo de torsión. El primer elemento de acoplamiento puede estar provisto en o adyacente a un extremo del extremo de sotavento del tubo de torsión y el segundo elemento de acoplamiento en o adyacente a un extremo a barlovento del tubo de torsión.
El conjunto de caja de cambios puede comprender:
un árbol de salida;
al menos una etapa de engranaje que tiene una pluralidad de engranajes planetarios colocados alrededor del
árbol de salida; y
un engranaje solar engranado con los engranajes planetarios y dispuesto para transferir el par al árbol de salida;
en el cual:
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• el engranaje solar gira al unísono con el árbol de salida para impulsar así el árbol de salida;
• los engranajes planetarios y el engranaje solar comprenden cada uno dientes de engranaje que se extienden paralelos a los ejes principales de los engranajes, los dientes del engranaje planetario engranan con los dientes del engranaje solar para transferir el par de los engranajes planetarios al engranaje solar; y
• el engranaje solar es un componente anular hueco que tiene un primer extremo axial y un segundo extremo axial opuesto al primer extremo, estando el engranaje central montado o provisto integralmente con el árbol de salida en el primer extremo de modo que, en uso, torsión y desviación radial en los engranajes planetarios que dan como resultado la distorsión del planetario, los dientes del engranaje se acomodan mediante una distorsión correspondiente de los dientes del engranaje solar.
La etapa de engranaje puede comprender una corona dentada engranada con los engranajes planetarios y dispuesta para transferir el par a los engranajes planetarios, la corona dentada que tiene un primer extremo axial y un segundo extremo axial opuesto al primer extremo, la caja de cambios está dispuesta de manera que el par se transfiere a la corona dentada en el primer extremo axial. La transferencia del par a la corona dentada de esta manera puede provocar la distorsión o "torsión" de los dientes de la corona dentada en una dirección alrededor de una circunferencia del engranaje, que en la industria se conoce como "cuerda" y desalineación del engranado radial de las fuerzas de separación generadas por la transmisión de par. Entonces la distorsión puede estar en el planetario y en los dientes de la corona dentada. Esto se transfiere a los dientes de los engranajes planetarios y, por lo tanto, a los dientes del engranaje solar. El engranaje solar es típicamente un árbol de paredes relativamente gruesas, y por lo tanto esto produce una desalineación entre el planetario y los dientes del engranaje solar, causando el desgaste prematuro de los dientes. Proporcionar el engranaje solar como un componente anular opcionalmente de paredes delgadas, permite que esta distorsión se acomode por una distorsión correspondiente de los dientes del engranaje solar, y evita la necesidad de proporcionar perfiles de dientes complejos en el planetario y dientes de engranaje o disposiciones de accionamiento de complejo central. En el contexto de la invención, las referencias a un engranaje o componente de engranaje accionado por un extremo son a uno en el que el par se transfiere hacia o desde el engranaje/componente de engranaje en un extremo axial del mismo.
El conjunto de caja de cambios puede comprender una etapa de engranaje primaria que tiene una pluralidad de engranajes planetarios situados alrededor del árbol de salida, cada engranaje planetario montado de forma giratoria en una clavija de engranaje planetario respectiva y dispuesto para transferir una fuerza de accionamiento o de la carga (par) a la salida árbol. Las clavijas pueden proporcionarse en un portador de engranaje primario, y pueden acoplarse o proporcionarse integralmente con el portador de engranaje. El portador de engranaje primario puede estar dispuesto para ser asegurado contra la rotación, con relación a una carcasa de la turbina eólica, de modo que las clavijas se mantienen en posiciones fijas dentro o en relación con la cavidad del árbol del rotor. La etapa de engranaje primaria puede comprender un engranaje solar engranado con los engranajes planetarios, el engranaje solar dispuesto para transferir una fuerza de accionamiento o carga desde los engranajes planetarios al árbol de salida del conjunto de caja de cambios. El engranaje central de la etapa de engranaje principal puede ser una corona dentada colocada alrededor del árbol de salida.
El conjunto de caja de cambios puede comprender una etapa de engranaje secundaria que tiene una pluralidad de engranajes planetarios situados alrededor del árbol de salida, cada engranaje planetario montado de forma giratoria en una clavija de engranaje planetario respectiva y dispuesto para transferir una fuerza de accionamiento o de la carga al árbol de salida. Las clavijas pueden proporcionarse en un portador de engranaje secundario, y pueden acoplarse o proporcionarse integralmente con el portador de engranaje. El portador de engranaje secundario puede estar acoplado o puede definir el árbol de entrada del conjunto de caja de cambios que se acopla con el elemento de transferencia de accionamiento primario. La etapa de engranaje primaria puede comprender un engranaje de entrada, que puede ser una corona dentada, engranado con los engranajes planetarios primarios y acoplado al árbol de entrada para girar con él, para transferir al menos parte de la carga del rotor a la etapa de engranaje primaria. El portador de engranaje secundario puede ser giratorio y puede estar dispuesto para girar llevando las clavijas del engranaje planetario y los engranajes planetarios en una trayectoria circunferencial alrededor del árbol de salida. La etapa de engranaje secundaria puede comprender un engranaje solar engranado con los engranajes planetarios y dispuesto para transferir una fuerza de accionamiento o carga desde los engranajes planetarios al árbol de salida del conjunto de caja de cambios. El engranaje central de la etapa de engranaje secundaria se puede montar o proporcionar integralmente con el árbol de salida. El engranaje solar puede ser una corona dentada colocada alrededor o en el árbol de salida.
El engranaje solar de la etapa de engranaje primaria puede estar acoplado a los engranajes planetarios etapa de engranaje secundaria, para transferir una fuerza de accionamiento o de la carga de la etapa primaria al árbol de salida del conjunto de caja de cambios. La etapa de engranaje secundaria puede comprender un elemento de transferencia de accionamiento, que puede ser un elemento de corona dentada, asegurado al engranaje central de etapa primaria para su rotación con el elemento de transferencia de accionamiento engranado con los engranajes planetarios secundarios.
El conjunto de caja de cambios puede comprender al menos una etapa de engranaje adicional que tiene una pluralidad de engranajes planetarios situados alrededor del árbol de salida, cada engranaje planetario montado de forma giratoria en una clavija de engranaje planetario respectiva y dispuesto para transferir una fuerza de
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accionamiento o de la carga al árbol de salida. El árbol de salida del conjunto de caja de cambios puede comprender una primera parte de árbol para transferir el accionamiento desde las etapas de engranaje primaria y secundaria a una etapa de engranaje terciaria, y una parte secundaria para transferir el accionamiento desde la etapa terciaria al generador. Alternativamente, la etapa de engranaje terciaria puede estar dispuesta de manera que la fuerza de accionamiento o carga del árbol del rotor introducida en el conjunto de caja de cambios se divida entre las etapas de engranaje primaria, secundaria y terciaria. Las etapas primaria y secundaria se organizarían para permitir esta división de par triple. La etapa de engranaje terciaria puede disponerse para realizar una tercera disminución de aumento/par de velocidad en la entrada de carga a la etapa terciaria (que puede ser la salida de las etapas primaria/secundaria, o una combinación de una parte de la carga de árbol del rotor transferida directamente en la etapa terciaria y la salida de las etapas de engranaje primaria/secundaria). Se pueden proporcionar etapas de engranaje adicionales dependiendo de factores que pueden incluir la capacidad de generación de potencia de una turbina que lleva la disposición de accionamiento, los parámetros de funcionamiento del generador y/o el tamaño/configuración del generador deseado.
El dispositivo de accionamiento puede comprender un elemento portador de carga primaria para el montaje de manera liberable el conjunto de caja de cambios a una carcasa de una turbina eólica que lleva la disposición de accionamiento. La carcasa puede comprender una cámara interna en la que el árbol del rotor está montado giratoriamente, y el elemento portador de carga primaria puede servir para montar de forma desmontable el conjunto de caja de cambios al menos parcialmente dentro de la cámara de modo que el conjunto de caja de cambios está al menos parcialmente en voladizo respecto a la carcasa. El elemento portador de carga primaria puede ser el portador de engranaje de la etapa de engranaje primaria.
De acuerdo con un cuarto aspecto de la presente invención, se proporciona una turbina eólica que comprende: un rotor;
un generador de energía eléctrica; y
una disposición de accionamiento de acuerdo con el primer, segundo o tercer aspecto de la invención, en la que el árbol del rotor de la disposición de accionamiento está acoplado al rotor y un árbol de salida de la caja de cambios está acoplado al generador, para transferir el par del rotor al generador para generar energía eléctrica.
La turbina eólica puede comprender una carcasa que contiene el árbol del rotor. El rotor puede estar montado giratoriamente y soportado por la carcasa. Esto puede proporcionar la ventaja de que el conjunto de caja de cambios se puede extraer desde dentro de la cavidad en el árbol del rotor sin requerir que el árbol del rotor sea soportado después de la extracción del conjunto de caja de cambios. El portador de engranaje de etapa primaria del conjunto de caja de cambios se puede acoplar a la carcasa y de este modo se puede asegurar contra la rotación. De esta forma, las cargas de reacción en el conjunto de caja de cambios pueden transmitirse a la carcasa. La turbina puede comprender al menos un par de cojinetes para montar y soportar rotativamente el árbol del rotor dentro de la carcasa. Los cojinetes pueden ser cojinetes de rodillos cónicos para soportar cargas dirigidas axial y/o radialmente ejercidas sobre la carcasa por el árbol del rotor. Los cojinetes pueden estar escalonados axialmente de manera que haya un espaciado entre los cojinetes. Un cojinete puede estar ubicado más cerca de un extremo a sotavento del árbol del rotor y el otro más cerca de un extremo del extremo a barlovento hacia afuera, en el que el rotor está acoplado al árbol. Esto puede proporcionar la ventaja de reducir la reacción de carga del momento de flexión en el cojinete que se encuentra más cerca del extremo a sotavento del árbol del rotor.
Otras características de la disposición de accionamiento de la turbina eólica del cuarto aspecto de la invención se definen anteriormente en relación con el primer, segundo y/o tercer aspecto de la invención.
De acuerdo con un quinto aspecto de la presente invención, se proporciona una disposición de accionamiento para una turbina eólica, la disposición de accionamiento comprende:
una carcasa; un árbol del rotor;
un conjunto de caja de cambios para transferir el par desde el árbol del rotor a un generador de energía eléctrica;
y
un elemento portador de carga primario para montar de forma desmontable el conjunto de caja de cambios en la carcasa;
en el que la carcasa comprende una cámara interna en la que el árbol del rotor está montado de manera giratoria;
y en el que el elemento portador de carga primaria sirve para montar de forma desmontable el conjunto de caja de cambios al menos parcialmente dentro de la cámara de tal manera que el conjunto de caja de cambios está al menos parcialmente en voladizo desde la carcasa.
El conjunto de caja de cambios puede ser al menos en parte en voladizo desde la carcasa en que al menos parte de una carga estática del conjunto de caja de cambios es soportada por la carcasa en voladizo. Esto puede proporcionar la ventaja de que al menos parte de la carga estática de la caja de cambios es soportada directamente por la carcasa a través del elemento portador de carga primario, y no se transmite a la carcasa a través de los componentes de engranaje del conjunto de caja de cambios. Esto puede reducir el desgaste/daño de los
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componentes del engranaje del conjunto de la caja de cambios. Normalmente, la carcasa soporta la mayoría de una carga estática del conjunto de la caja de cambios. El elemento portador de carga primaria puede servir para montar de forma desmontable el conjunto de caja de cambios a la carcasa de tal manera que la única carga estática en los componentes de engranaje del conjunto de caja de cambios se deba a deflexiones menores del elemento portador de carga y/o de la carcasa resultantes del propio peso del conjunto de la caja de cambios.
El conjunto de caja de cambios puede comprender una etapa de engranaje primaria y una etapa de engranaje secundaria, comprendiendo, cada una, una pluralidad de engranajes planetarios situados alrededor del árbol de salida, cada engranaje planetario montado de forma giratoria en una clavija de engranaje planetario respectiva y dispuesto para transferir una fuerza de accionamiento o cargar al árbol de salida del conjunto de la caja de cambios. La etapa de engranaje primaria puede estar dispuesta para transferir su parte de la carga del árbol del rotor a un árbol de salida del conjunto de caja de cambios a través de la etapa de engranaje secundaria. La etapa de engranaje primaria puede disponerse para realizar un aumento de velocidad primaria/disminución de par en la parte de la carga del rotor introducida en la etapa primaria. La etapa de engranaje secundaria puede disponerse para realizar un aumento secundario de velocidad/disminución de par en la carga introducida en la etapa secundaria, que puede ser una combinación de una parte de la carga del árbol del rotor transferida directamente a la etapa secundaria, y la salida de la etapa de engranaje primaria.
Cada engranaje planetario de la etapa de engranaje primaria puede estar montado de forma giratoria en una clavija de engranaje planetario respectiva y dispuesto para transferir una fuerza de accionamiento o la carga al árbol de salida. Las clavijas pueden estar provistas en el elemento portador de carga primaria, que puede ser un portador de engranaje primario, y pueden acoplarse o proporcionarse integralmente con el portador de engranaje. El portador de engranaje primario puede estar dispuesto para ser asegurado contra la rotación de manera que las clavijas se mantengan en posiciones fijas dentro de la cámara. La etapa de engranaje primaria puede comprender un engranaje solar engranado con los engranajes planetarios, el engranaje solar dispuesto para transferir una fuerza de accionamiento o carga desde los engranajes planetarios al árbol de salida del conjunto de caja de cambios. El engranaje central de la etapa de engranaje principal puede ser una corona dentada colocada alrededor del árbol de salida.
El dispositivo de accionamiento puede comprender un mecanismo de transferencia de la unidad para transferir la fuerza de accionamiento rotacional del árbol del rotor en el conjunto de caja de cambios. El árbol del rotor puede ser al menos en parte hueco, que tiene una cavidad interna en la que están situados al menos parte del conjunto de caja de cambios y el mecanismo de transferencia de accionamiento. Las características adicionales de la disposición de accionamiento, en particular el mecanismo de transferencia de accionamiento y/o el árbol del rotor, se han definido anteriormente en relación con el primer, segundo y/o tercer aspecto de la invención.
De acuerdo con un sexto aspecto de la presente invención, se proporciona una turbina eólica que comprende: un rotor;
un generador de energía eléctrica; y
una disposición de accionamiento de acuerdo con el quinto aspecto de la invención, en la que el árbol del rotor de la disposición de accionamiento está acoplado al rotor y un árbol de salida de la caja de cambios está acoplado al generador, para transferir el par del rotor al generador para generar energía eléctrica.
Otras características de la disposición de accionamiento de la turbina eólica del sexto aspecto de la invención se definen anteriormente en relación con el quinto aspecto de la invención.
Realizaciones de la presente invención se describirán ahora, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los siguientes dibujos, en los que:
La figura 1 es una vista lateral esquemática parcialmente recortada de una turbina eólica, que incorpora una disposición de accionamiento, de acuerdo con una realización de la presente invención;
La figura 2 es una vista en sección transversal de la disposición de accionamiento que se muestra en la figura 1;
Las figuras 3 y 4 son vistas en perspectiva tomadas desde la parte delantera y trasera, respectivamente, de un conjunto de caja de cambios que forma parte de la disposición de accionamiento mostrada en las figuras 1 y 2;
La figura 5 es una vista ampliada de un mecanismo de transferencia de accionamiento que forma parte de la disposición de accionamiento mostrada en las figuras 1 y 2;
La figura 6 es una vista lateral en sección transversal detallada de una disposición de accionamiento de una turbina eólica de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención;
La figura 7 es una vista lateral en sección transversal detallada de parte de una disposición de accionamiento de una turbina eólica de acuerdo con una realización adicional de la presente invención;
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La figura 8 es una vista ampliada de un mecanismo de transferencia de accionamiento que forma parte de la disposición de accionamiento mostrada en la figura 7;
La figura 9 es una vista lateral en sección transversal detallada de una disposición de accionamiento de una turbina eólica de acuerdo con una realización adicional de la presente invención.
La figura 10 es una vista lateral en sección transversal detallada de parte de una disposición de accionamiento de una turbina eólica de acuerdo con una realización adicional de la presente invención;
La figura 11 es una vista ampliada de un mecanismo de transferencia de accionamiento que forma parte de la disposición de accionamiento mostrada en la figura 11; y
La figura 12 es una vista en perspectiva que muestra un conector flexible que forma parte del mecanismo de transferencia de accionamiento mostrado en las figuras 10 y 11, seccionado como se muestra en la figura 10.
Volviendo en primer lugar a la figura 1, se muestra una vista lateral esquemática parcialmente cortada de una turbina 10 eólica, que incorpora una disposición 12 de accionamiento, de acuerdo con una realización de la presente invención. La turbina 10 eólica comprende un rotor 14 que tiene tres palas de rotor, dos de las cuales se muestran y cada una tiene el número de referencia 16. La turbina 10 eólica también comprende un generador 18 de energía eléctrica y la disposición 12 de accionamiento. La disposición 12 de accionamiento está acoplada al rotor 14 y al generador 18, y sirve para transferir una fuerza de accionamiento rotacional (par) desde el rotor 14 al generador 18 para generar potencia eléctrica.
La disposición 12 de accionamiento comprende en general un árbol 20 del rotor que está acoplado al rotor 14, un conjunto de caja de cambios, indicado en general por la referencia numérica 22, y un mecanismo de transferencia de la unidad indicada en general por el número de referencia 24. Como es bien sabido, el árbol 20 del rotor está acoplado y girado por el rotor 14, que es accionado por un flujo de aire 26 que incide sobre las palas 16 del rotor. El conjunto 22 de caja de cambios sirve para transferir una fuerza de accionamiento rotacional desde el árbol 20 del rotor al generador 18. La fuerza de accionamiento rotacional del árbol 20 del rotor se introduce en el conjunto 22 de caja de cambios por medio del mecanismo 24 de transferencia de accionamiento.
El árbol 20 del rotor es al menos parcialmente hueco, que tiene una cavidad 28 interna en la que al menos se encuentran parte del conjunto 22 de caja de cambios y el mecanismo 24 de transferencia de accionamiento. Proporcionar una disposición 12 de accionamiento que incluye un árbol 20 del rotor que es hueco, con un conjunto 22 de caja de cambios situado al menos parcialmente en una cavidad 28 en el árbol, ofrece numerosas ventajas sobre las disposiciones de accionamiento anteriores. En particular, la longitud de la disposición 12 de accionamiento puede reducirse significativamente, en comparación con las disposiciones anteriores. Tampoco es necesario proporcionar componentes de conexión grandes y pesados entre el árbol 20 del rotor y el conjunto 22 de caja de cambios. Estos factores pueden conducir a una reducción en el peso de la disposición 12 de accionamiento, y por lo tanto de una góndola 30 que lleva la disposición 12 de accionamiento y provista en altura en una torre 31 de turbina eólica. Adicionalmente, una reducción en la longitud de la disposición 12 de accionamiento da como resultado una reducción en la longitud de la góndola 30, que puede conducir a una carga de viento reducida sobre la góndola. Esto puede generar beneficios en términos de un diseño de torre más ligero y cimientos de la torre más pequeños. Además, el árbol 20 del rotor puede estar soportado dentro de la góndola 30 de tal manera que el conjunto 22 de la caja de cambios puede retirarse más fácilmente, por ejemplo, para el servicio. La invención puede permitir que esto se consiga sin requerir que se proporcionen componentes, herramientas o equipos separados para soportar el árbol 20 del rotor después de la extracción del conjunto 22 de la caja de cambios.
La disposición 12 de accionamiento se describirá ahora con más detalle, con referencia también a la figura 2, que es una vista lateral en sección transversal detallada de la disposición de accionamiento. También se hace referencia a las figuras 3 y 4, que son vistas en perspectiva tomadas desde delante y detrás, respectivamente, del conjunto 22 de caja de cambios que forma parte de la disposición 12 de accionamiento.
La figura 2 ilustra mejor los componentes del conjunto 22 de caja de cambios y su posicionamiento dentro del árbol 20 del rotor. Solamente parte del árbol 20 del rotor se muestra en la figura. Como se puede ver, la cavidad 28 se extiende en una dirección axial desde un extremo 32 a sotavento del árbol. El árbol 20 del rotor está montado dentro de una carcasa 34 que está acoplada a un bastidor 35 principal de la turbina 10. El bastidor 35 principal soporta el generador 18 y el rotor 14, y la góndola 30 está montada alrededor del bastidor principal. El rotor 20 está montado de forma giratoria dentro de la carcasa 34 por medio de un par de cojinetes 36 y 38, que típicamente serán cojinetes de rodillos cónicos. Los cojinetes 36 y 38 son capaces de soportar deflexiones axiales y radiales que resultan de las grandes fuerzas de múltiples ejes y de los momentos de flexión ejercidos sobre el árbol 20 del rotor por el rotor 14. Los cojinetes 36 y 38 están espaciados axialmente a lo largo del árbol 20 del rotor, y la separación entre los cojinetes sirve para mitigar algunos de los efectos de la fuerza de cizallamiento y los momentos de flexión ejercidos sobre el árbol 20 del rotor. En particular, el cojinete 36 está posicionado hacia el extremo 32 a sotavento del árbol del rotor, y el cojinete 38 hacia un extremo a barlovento del árbol (no mostrado) que soporta el rotor 14. La colocación del cojinete 36 hacia el extremo 32 a sotavento tiene el efecto de reducir las deflexiones radiales resultantes de las fuerzas de cizallamiento y momentos de flexión ejercidos sobre el árbol 20 del rotor, y reducir así
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la transmisión de deflexiones al conjunto 22 de caja de cambios que de otro modo puede comprometer la alineación de trabajo de componentes de la caja de cambios Además, el conjunto 22 de caja de cambios y el mecanismo 24 de transferencia de accionamiento dentro de la cavidad 28 interna permiten un sistema de lubricación (no mostrado) para la caja de cambios para lubricar los cojinetes 36 y 38 del árbol principal, simplificando el diseño general del sistema de lubricación para la turbina.
El conjunto 22 de caja de cambios está situado de tal manera que una mayoría del conjunto se coloca dentro de la cavidad 28 del árbol del rotor. El conjunto 22 de caja de cambios comprende un árbol 40 de entrada anular que está acoplado al árbol 20 del rotor, y un árbol de salida que se indica generalmente con el número de referencia 42. El conjunto 22 de caja de cambios también comprende una etapa 44 de engranaje primaria y una etapa 46 de engranaje secundaria. El accionamiento se transfiere desde el árbol 20 del rotor al árbol 40 de entrada, a través de las etapas 44y 46 de engranaje primaria y secundaria al árbol 42 de salida, y desde allí al generador 18. Se proporciona un acoplamiento 48 de árbol adecuado entre el árbol 42 de salida del generador y un árbol 50 de entrada del generador 18 (figura 1), para transferir el par o la potencia de rotación.
La etapa 44 de engranaje primaria comprende una pluralidad de engranajes planetarios, dos de los cuales se muestran y se les da el número de referencia 52. Los engranajes 52 planetarios primarios están cada uno montados de forma giratoria sobre respectivas clavijas 54, que se mantienen cautivos en un portador 56 de etapa de engranaje primaria. El portador 56 está montado en la carcasa 34 usando pernos adecuados (no mostrados), para de este modo asegurar al portador contra la rotación con respecto a la carcasa. Por lo tanto, las clavijas 54 también están asegurados contra la rotación con respecto al carcasa 34, y así se mantienen en posiciones fijas dentro de la cavidad 28 del árbol del rotor. La etapa 46 de engranaje secundaria comprende una pluralidad de engranajes 58 planetarios que se muestran mejor en la figura 3. Los engranajes 58 planetarios secundarios están montados de forma similar para la rotación alrededor de las clavijas respectivas, uno de los cuales se muestra en la figura 2 y con el número de referencia 60. Cada una de las clavijas 60 se mantiene cautiva en un portador 62 de etapa de engranaje secundaria, que puede girar dentro de la cavidad 28 del árbol del rotor para transportar así las clavijas 60, y por lo tanto los engranajes 58 planetarios, en una trayectoria circunferencial alrededor del árbol 42 de salida.
El mecanismo 24 de transferencia de accionamiento comprende un elemento 64 de accionamiento primario que está fijado al árbol 20 del rotor mediante pernos adecuados (no mostrados). La provisión del elemento 64 de accionamiento primario como un componente separado asegurado al árbol del rotor facilita el reemplazo del elemento de accionamiento en caso de desgaste, sin requerir la extracción y/o la sustitución de todo el árbol 20 del rotor. Se proporciona una conexión 66 estriada entre el elemento 64 de accionamiento primario y el árbol 40 de entrada del conjunto de caja de cambios, para transferir la fuerza de accionamiento rotacional desde el árbol 20 del rotor al conjunto 22 de caja de cambios. El elemento 64 de accionamiento primario es un componente anular, y se muestra mejor en la vista esquemática ampliada de la figura 5. La conexión 66 estriada comprende estrías 68 hembra provistas en el elemento 64 de accionamiento anular, y estrías 70 macho previstas en el árbol 40 de entrada. Las estrías 68 y 70 se extienden axialmente a lo largo de la longitud del elemento 64 de accionamiento y el árbol 40 de entrada. Las estrías 68 hembra tienen una altura y forma uniformes. Las estrías 70 macho en contraste se estrechan desde un punto central o medio 72 de las estrías hacia los extremos 74 y 76 a sotavento y a barlovento. Las estrías 70 macho son, por lo tanto, "cilíndricas" (mirando en una dirección radial) o "coronadas" (mirando de costado). Esta conformación de las estrías 70 macho reduce el desgaste de las estrías 68 y 70 durante el uso, bajo los pares operativos y las deflexiones inducidas por los momentos de flexión elevados y/o fuerzas de cizallamiento que el rotor 14 puede ejercer sobre el árbol 20 del rotor. Además, esta conformación de las estrías 70 macho permite un grado de tal movimiento del árbol 20 del rotor mientras que reduce o incluso evita cualquier desviación resultante del conjunto 22 de caja de cambios. Esto reduce el desgaste de los componentes del conjunto 22 de caja de cambios, en particular las etapas 44y 46 de engranaje primaria y secundaria. Adicionalmente, se puede proporcionar un espaciamiento entre una raíz 78 de las estrías 68 hembra y una cresta 80 de las estrías 70 macho en sus puntos medios 72. Esto proporciona un grado de "juego" radial en el acoplamiento entre las estrías 68 y 70, para reducir o evitar la transmisión de cargas de cizallamiento y/o momentos de flexión significativos en el conjunto 22 de caja de cambios. Se apreciará que las estrías 70 macho pueden ser, alternativamente, de altura uniforme y las estrías 68 hembra son cilíndricas.
La etapa 44 de engranaje primaria comprende adicionalmente un engranaje 82 solar, que está montado de forma giratoria en relación con el árbol 42 de salida, y que engrana con los engranajes 52 planetarios primarios. Un engranaje 84 de entrada anular está acoplado a y gira con el árbol 40 de entrada, y engrana con los engranajes 52 planetarios primarios. El accionamiento se transfiere desde el engranaje 82 solar primario a los engranajes 58 planetarios de la etapa 46 de engranaje secundaria a través de un elemento 85 de conexión y otro engranaje 86 de entrada anular. El engranaje 86 de entrada anular está engranado con los engranajes 58 planetarios secundarios, y por lo tanto transfiere el accionamiento desde la etapa 44 de engranaje primaria a la etapa 46 de engranaje secundaria. El árbol 42 de salida forma un árbol de engranaje solar que tiene dientes 88 de engranaje que engranan con los engranajes 58 planetarios secundarios. Como se describirá a continuación, las entradas sumadas de las etapas 44y 46 de engranaje primaria y secundaria se transfieren así al árbol 42 de salida.
La etapa 44 de engranaje primaria está dispuesta para realizar un aumento de velocidad primaria/disminución de par en la parte de la carga del árbol 20 del rotor introducida en la etapa primaria. La etapa 46 de engranaje secundaria está dispuesta para realizar un aumento secundario de velocidad/disminución de par en la carga introducida en la
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etapa secundaria, que es una combinación de una parte de la carga del árbol 20 del rotor transferida directamente a la etapa 46 secundaria, y la salida de la etapa 44 de engranaje primaria. Esto se consigue mediante el dimensionamiento apropiado de los componentes de engranaje de las etapas 44 y 46 de engranaje primaria y secundaria.
La transferencia de accionamiento desde el árbol 20 del rotor al árbol 42 de salida se describirá ahora con más detalle.
El árbol 20 del rotor de par está dividido entre las etapas 44 y 46 de engranaje primaria y secundaria, en una relación deseada. La ventaja de tener las etapas 44y 46 de engranaje primaria y secundaria es que se puede lograr un aumento de velocidad/disminución de par adecuados con una disposición que es de menor diámetro y peso total que una sola etapa, lo que requeriría engranajes planetarios de mayor diámetro.
El accionamiento se transfiere a la etapa 44 de engranaje primaria a través del elemento 64 de accionamiento primario, la conexión 66 estriada y el árbol 40 de entrada. El árbol 40 de entrada acciona y hace girar el engranaje 84 de entrada anular, girando de ese modo los engranajes 52 planetarios alrededor de sus clavijas 54 respectivas. La porción de la fuerza de accionamiento del rotor transferida a los engranajes 52 planetarios primarios se transfiere así al engranaje 82 solar primario. El elemento 85 de conexión transfiere esta fuerza de accionamiento al engranaje 86 de entrada anular secundario y de este modo a los engranajes 58 planetarios secundarios.
La porción de la fuerza de accionamiento del rotor 20 transferido directamente a la etapa 46 de engranaje secundaria se transmite a través del elemento 64 de accionamiento primario, de la conexión 66 estriada al árbol 40 de entrada, y de allí al portador 62 de engranaje secundario, que gira con el árbol de entrada. Como se explicó anteriormente, las clavijas 60 de engranaje secundarias se capturan en el portador 62, y así se hacen girar alrededor del árbol 42 de salida con el portador 62. La velocidad de rotación del portador 62 secundario es diferente de la del engranaje 82 solar primario y, por lo tanto, del engranaje 86 de entrada anular secundario. En efecto, las porciones de la fuerza de accionamiento del rotor 20 transferidas a través de la etapa 44 de engranaje primario, y directamente a través de la etapa 46 de engranaje secundaria, se suman y transfieren al árbol 42 de salida a través de los engranajes 58 planetarios secundarios que están engranados con la salida dientes 88 del engranaje del árbol.
El árbol 42 de salida puede ser acoplado directamente al generador 18 a través del acoplamiento 48 del árbol. Sin embargo, la realización ilustrada en la figura 2 incluye una etapa 90 de engranaje terciaria adicional. La etapa 90 de engranaje terciaria proporciona una reducción adicional de aumento de velocidad/par antes de la entrada de la fuerza de accionamiento del rotor al generador 18. La etapa 90 terciaria es opcional, y puede no ser necesaria, dependiendo de factores que incluyen la velocidad del rotor de la turbina 10 y los parámetros de funcionamiento del generador 18. En el ejemplo ilustrado, la turbina 10 es una turbina de capacidad de múltiples MW, y la etapa 90 de engranaje terciaria proporciona una reducción adecuada de aumento de velocidad/par para la entrada de la carga del rotor al generador 18, y se denomina generalmente etapa de engranaje de "alta velocidad».
En la realización ilustrada, la etapa 90 de engranaje terciaria se proporciona en el exterior del árbol 20 del rotor, y de hecho del portador 56 de fase de engranaje primario. Esto facilita la extracción de la etapa 90 de engranaje terciaria para fines de mantenimiento. Esto es de particular utilidad, ya que se ha encontrado en el pasado que son las etapas de engranaje de alta velocidad las que tienen una mayor tendencia a fallar en las cajas de cambios de la turbina eólica. Sin embargo, el conjunto 22 de caja de cambios puede estar dispuesto alternativamente de modo que una etapa de engranaje terciaria (no mostrada) esté provista internamente del árbol 20 del rotor, con el accionamiento de las etapas 44 y 46 de engranaje primario y secundario dirigidas cada una a través de la etapa de engranaje terciaria al árbol 42 de salida, de manera similar a la cual la fuerza de accionamiento desde la etapa 44 de engranaje primario se dirige a través de la etapa 46 de engranaje secundaria en la realización mostrada en la figura 2.
La etapa 90 de engranaje terciaria comprende una pluralidad de engranajes planetarios, dos de los cuales se muestran y se les da el número de referencia 92. Un portador de engranajes está montado en el árbol 42 de salida para girar con el árbol, y lleva clavijas 96 sobre las cuales los engranajes 92 planetarios están montados de forma giratoria. Una carcasa 98 de la etapa de engranaje terciaria está montada en el portador 56 de engranaje de etapa primaria, y de este modo está asegurada contra la rotación con respecto a la carcasa 34. Un árbol 100 de salida está montado para girar dentro de la carcasa 98 de la etapa terciaria, y tiene dientes 102 de engranaje planetario que engranan con los engranajes 92 planetarios. La fuerza de accionamiento desde el árbol 42 de salida, que comprende las salidas sumadas de las etapas 44 y 46 de engranaje primaria y secundaria, se dirige por lo tanto a través del portador 94 de engranaje, clavijas 96, engranajes 92 planetarios y dientes 102 de engranaje planetario al árbol 100 de salida. La disposición de los engranajes 92 planetarios/dientes 102 de engranaje planetario realiza la reducción requerida de aumento de velocidad/par. El árbol 100 de salida está acoplado al generador 18 a través del acoplamiento 48 de árbol, para transferir el par o la potencia de accionamiento al generador.
La figura 2 también ilustra características de la disposición 12 de accionamiento que se refieren a la forma en que el conjunto 22 de caja de cambios está montado dentro de la carcasa 34. Específicamente y como se discutió anteriormente, el portador 56 de la etapa de engranaje primaria está montado y asegurado contra la rotación con respecto a la carcasa de la caja de cambios 34. El portador 56 de etapa de engranaje primaria forma eficazmente un
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elemento portador de carga primario para montar de forma desmontable el conjunto 22 de caja de cambios en la carcasa 34. En la realización ilustrada, el conjunto 22 de caja de cambios está ubicado dentro de la cavidad 28 en el árbol 20 del rotor. Sin embargo, en una variación de la realización ilustrada, el conjunto 22 de caja de cambios puede estar ubicado simplemente en una cámara 104 interna definida por la carcasa 34, y asegurada al árbol 20 del rotor de una manera más convencional. El árbol 20 del rotor puede, por lo tanto, ser sustancialmente sólido, y puede utilizarse un acoplamiento del árbol, similar al acoplamiento 48 mostrado en la figura 1, para conectar el árbol del rotor al conjunto de la caja de cambios.
El elemento 56 portador de carga primaria sirve para montar de manera liberable el conjunto 22 de caja de cambios al menos parcialmente dentro de la cámara 104 interna. De esta manera, al menos el árbol 42 de salida y las etapas 44y 46 de engranaje primaria y secundaria están montadas dentro del árbol 20 del rotor como una sola unidad. En la práctica, todo el conjunto 22 de caja de cambios está ubicado dentro del rotor como una sola unidad. El elemento 56 portador de carga primario facilita así la extracción del conjunto de caja de cambios como una unidad, para fines de mantenimiento u otros. Además, este montaje integrado del conjunto 22 de caja de cambios a la carcasa 34, que forma el bastidor principal de la góndola, es tal que los dos se mueven casi al unísono bajo cargas sin torsión (cizallamiento y flexión). Esta es una ventaja significativa en lo que respecta a la alineación del engranado de los engranajes, lo que resulta en menores tensiones promedio de contacto, una mejor vida útil del engranaje y la distribución de la carga de cojinetes.
El elemento 56 portador de carga primario puede servir para montar el conjunto 22 de caja de cambios de tal manera que el conjunto de caja de cambios está en voladizo al menos en parte de la carcasa 34. Esto se ve facilitado por el acoplamiento flotante proporcionado por la conexión 66 estriada entre el elemento 64 de accionamiento primario y el árbol 40 de entrada del conjunto de caja de cambios. Cualquier deflexión radial que resulte de una carga estática de la caja 22 de cambios puede explicarse proporcionando una tolerancia adecuada en el ajuste entre las estrías 70, 68 macho y hembra.
Además, y como se muestra en la figura 2, existe una separación 106 radial u holgura entre una superficie 108 externa del engranaje 84 de entrada anular y una superficie 110 interna del árbol 20 del rotor. Este espacio 106 radial proporciona a la disposición 12 de accionamiento un grado de libertad de movimiento, para tener en cuenta las deflexiones del árbol 20 del rotor, durante el uso. Además, una porción 112 de la cámara interna de la carcasa 104 se llena con un lubricante adecuado a base de aceite. Opcionalmente, se puede proporcionar lubricante en la holgura 106 para dar un efecto de amortiguación durante el funcionamiento de la caja de cambios, para mitigar la vibración.
Mientras que el conjunto 22 de caja de cambios está idealmente en un voladizo flotante de montaje como se ha descrito anteriormente, se entenderá que al menos una porción de una carga estática del conjunto 22 de caja de cambios puede ser transmitida a la carcasa 34 de otro modo que a través del elemento 56 portador de carga primario. La conexión 66 estriada puede diseñarse de manera que las estrías 70 y 68 macho y hembra entren en contacto para soportar dicha parte de la carga estática del conjunto 22 de caja de cambios. Esto se prefiere generalmente a cualquier contacto entre elementos de las etapas 44 y 46 de engranaje primarias o incluso secundarias, ya que el elemento 64 de accionamiento primario y/o el árbol 40 de entrada se retiran más fácilmente para su sustitución o mantenimiento en caso de daños en las estrías 68, 70 respectivas.
El montaje del conjunto 22 de caja de cambios dentro de la carcasa 34 en voladizo también facilita la retirada del conjunto de caja de cambios para fines de mantenimiento. Esto se consigue desconectando en primer lugar el árbol 100 de salida del generador 18, liberando el acoplamiento 48 de árbol. El acoplamiento 48 se retira, para proporcionar una holgura suficiente para que el conjunto 22 de caja de cambios se retire de la carcasa 34. El conjunto 22 de caja de cambios es soportado usando un equipo de izado o elevación adecuado (no mostrado), y luego se liberan los pernos que aseguran el elemento 56 portador de carga primario a la carcasa 34. El conjunto 22 de caja de cambios puede deslizarse entonces fuera de la carcasa 34 en la dirección de la flecha B (figura 2). Esto proporciona acceso al conjunto 22 de caja de cambios para el mantenimiento in situ, o alternativamente la capacidad de extraer el conjunto de caja de cambios de la turbina 10, si es necesario.
Volviendo ahora a la figura 6, se muestra una vista lateral en sección transversal detallada de una disposición de accionamiento de una turbina eólica de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención, la disposición de accionamiento indicado en general por el número de referencia 12a. La disposición de accionamiento tiene una utilidad en la turbina 10 eólica mostrada en la figura 1, y es de construcción muy similar a la disposición 12 de accionamiento mostrada en las figuras 2 a 5. Por consiguiente, solo las diferencias entre la disposición 12a de accionamiento y la disposición 12 de accionamiento se describirán aquí. Los componentes similares comparten los mismos números de referencia con la adición del sufijo 'a'.
La disposición 12a de accionamiento comprende en general un árbol 20a del rotor que está acoplado al rotor 14 de la turbina, un conjunto de caja de cambios indicado generalmente por el número de referencia 22a, y un mecanismo de transferencia de accionamiento indicado en general por el número de referencia 24a. La diferencia sustancial entre la disposición 12a de accionamiento y la de las figuras 2 a 5 está en la estructura del mecanismo 24a de transferencia de accionamiento. En esta realización, el mecanismo 24a de transferencia de accionamiento comprende un elemento de accionamiento primario en forma de un tubo 64a de torsión anular, que es un manguito
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concéntrico, torsionalmente de alta rigidez, pero con rigidez lateral (cizallamiento) relativamente baja. Este elemento se usa para soportar la masa de los elementos giratorios principales de la caja 22a de cambios en su ubicación combinada del centro de gravedad, dando soporte neutral bajo cargas de inercia inducidas por movimientos de la torre. La flexibilidad lateral ayuda a desacoplar las desviaciones radiales del árbol del rotor desde la caja de cambios.
En más detalle, el tubo 64a de torsión tiene un primer componente 114 de acoplamiento para acoplar el tubo al árbol 20a del rotor, y un segundo componente 116 de acoplamiento para acoplar a un árbol 40a de entrada del conjunto de caja de cambios. Los componentes 114, 116 de acoplamiento primero y segundo son bridas formadas en el tubo 64a de torsión, y están axialmente separados a lo largo de una longitud del tubo. La primera brida 114 de acoplamiento está situada a sotavento de la segunda brida 116 de acoplamiento. Además, existe un espacio 118 radial o separación entre una superficie interna del tubo 64a de torsión y el conjunto de caja de cambios, y se extiende desde una ubicación próxima a la primera brida 114 de acoplamiento a lo largo de la longitud del tubo hacia la segunda brida 116 de acoplamiento. Esto ayuda a reducir la transmisión de cargas dirigidas radialmente desde el árbol 20a del rotor al conjunto de caja 22a de cambios. En particular, la separación 118 radial, y el espacio entre las bridas 114 y 116 de acoplamiento, permite la deformación del tubo 64a de torsión mientras se reduce la transmisión de cargas radiales al conjunto de caja 22a de cambios.
Los pernos que unen el tubo 64a de torsión (o manguito de acoplamiento) descritos anteriormente también requieren la extracción (a través de varios, al menos tres o más, orificios de acceso de herramientas en una cara de popa de un portador de etapa 56a de engranaje primaria). El árbol 20a del rotor se "moverá" para proporcionar acceso a todos los pernos. El par del árbol será bajo ya que los álabes se inclinarán. El árbol 20a del rotor se bloquearía en el extremo a barlovento durante la extracción de los pernos, es decir, los puertos de acceso para llegar a los pernos se sincronizarían angularmente con un disco de bloqueo del rotor principal unido al árbol del rotor. Alternativamente, los pernos en el extremo a barlovento del manguito 64a podrían ser retirados del acceso al espacio del cubo del rotor.
Volviendo ahora a la figura 7, se muestra una vista lateral en sección transversal detallada de una parte de una disposición de accionamiento de una turbina eólica de acuerdo con otra realización de la presente invención, la disposición de accionamiento indicada generalmente por la referencia numérica 12b. La disposición de accionamiento tiene una utilidad en la turbina 10 eólica mostrada en la figura 1, y es de construcción muy similar a la disposición 12 de accionamiento mostrada en las figuras 2 a 5. Por consiguiente, solo se describirán aquí las diferencias entre la disposición 12b de accionamiento y la disposición 12 de accionamiento. Los componentes similares comparten los mismos números de referencia con la adición del sufijo 'b'.
El dibujo muestra un conjunto 22b de caja de cambios que comprende etapas de engranajes primaria y secundaria, pero solo la etapa 46b de engranaje secundaria se muestra en el dibujo, para facilitar la ilustración. Un mecanismo 24b de transferencia de accionamiento comprende una conexión 66b estriada, que se muestra mejor en la vista ampliada de la figura 8, que transfiere el par entre un árbol 20b del rotor y un árbol 40b de entrada anular del conjunto 22b de caja de cambios. La conexión 66b estriada comprende estrías 68b hembra provistas en un elemento 64b de accionamiento anular (o acoplamiento de carcasa del rotor), y estrías 70b macho provistas en el árbol 40b de entrada. El elemento 64b de accionamiento anular se asegura a un reborde 134 en el árbol 20b del rotor a través de una serie de pernos, uno mostrado y con el número de referencia 139. Las estrías 68b hembra tienen una altura y forma uniformes, y las estrías 70b macho son "cilíndricas" (aunque también puede darse el caso inverso). En esta realización, la conexión 66b estriada está provista adicionalmente a sotavento de un portador 62b de etapa de engranaje secundaria acoplado al árbol 40b de entrada, preferiblemente sobre el centro de gravedad de masa no suspendido del conjunto de caja de cambios. Esto ayuda a neutralizar las cargas gravitacionales de peso propio que causan cargas extrañas de malla de engranajes. Se puede colocar un acoplamiento de membrana flexible (no mostrado) a barlovento de la conexión 66b estriada para localizar el árbol 40b de entrada, el portador 62b de engranaje planetario secundario, y sellar el espacio de aceite. Un acoplamiento adecuado de este tipo es el que se muestra en la figura 12, y que se describirá a continuación.
Volviendo ahora a la figura 9, se muestra una vista lateral en sección transversal detallada de una disposición de accionamiento de una turbina eólica de acuerdo con otra realización de la presente invención, la disposición de accionamiento indicado en general por el número de referencia 12c. La disposición de accionamiento tiene una utilidad en la turbina 10 eólica mostrada en la figura 1, y es de construcción muy similar a la disposición 12 de accionamiento mostrada en las figuras 2 a 5. Por consiguiente, solo se describirán aquí las diferencias entre la disposición 12c de accionamiento y la disposición 12 de accionamiento. Los componentes similares comparten los mismos números de referencia con la adición del sufijo 'c'.
En esta realización, se muestra un mecanismo 24 de transferencia de accionamiento que comprende un conector flexible en forma de una brida 120 circunferencial que se extiende entre un árbol 20c del rotor y el conjunto 22c de caja de cambios, para la transferencia de par desde el árbol al conjunto de caja de cambios. El conector 120 flexible está provisto integralmente con el árbol 20c del rotor, y se extiende desde el árbol en 122 hacia el conjunto 22c de caja de cambios. El conector 120 flexible tiene un extremo 124 libre que está asegurado al conjunto 22c de caja de cambios, específicamente a un portador 62c de engranajes de una etapa 46c de engranaje secundaria. El conector 120 flexible es deformable elásticamente de manera que, en uso, se flexiona o dobla alrededor de un árbol 126, para reducir la transmisión de las cargas de flexión y de cizalladura del rotor en el conjunto 22c de caja de cambios. El
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conector 120 flexible es capaz de soportar distorsiones del árbol 20c del rotor con relación al conjunto 22c de caja de cambios de al menos alrededor de 0,1°, opcionalmente hasta alrededor de 0,15°, opcionalmente hasta 0,2° o mayor.
El conjunto 22c de caja de cambios incluye un árbol 42c de salida y un engranaje 128 solar que está fijado al árbol de salida de manera que gira al unísono con él, para accionar por ello el árbol de salida. Los engranajes 58c planetarios de la etapa 46c secundaria, y el engranaje 128 solar, comprenden cada uno dientes de engranaje (no mostrados) que se extienden paralelos a los ejes principales de los engranajes, los dientes del engranaje planetario engranan con los dientes del engranaje solar para transferir el par de engranajes planetarios al engranaje solar. El engranaje 128 solar es un componente anular hueco que tiene un primer extremo 130 axial y un segundo extremo 132 axial opuesto al primer extremo. El engranaje 128 solar está montado (u opcionalmente provisto integralmente) con el árbol 42c de salida en el primer extremo 130 a través de un manguito 132 hueco montado alrededor del árbol de salida. De esta forma, la torsión en los engranajes 58c planetarios que da como resultado la distorsión de los dientes del engranaje planetario se acomoda mediante una distorsión correspondiente de los dientes del engranaje solar. La cantidad de distorsión permitida dependerá de factores tales como el grosor de la pared del engranaje 128 solar y los materiales utilizados. Proporcionar el engranaje 128 solar como un componente anular permite que la distorsión se acomode mediante una distorsión correspondiente de los dientes del engranaje planetario, y evita el requisito de proporcionar perfiles de dientes complejos en los dientes de engranaje planetario y solar o una disposición de accionamiento central.
Volviendo ahora a la figura 10, se muestra una vista lateral en sección transversal detallada de una parte de una disposición de accionamiento de una turbina eólica de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención, la disposición de accionamiento indicado generalmente por la referencia numérica 12d. La disposición de accionamiento tiene una utilidad en la turbina 10 eólica mostrada en la figura 1, y es de construcción muy similar a la disposición 12 de accionamiento mostrada en las figuras 2 a 5. Por consiguiente, solo se describirán aquí las diferencias entre la disposición 12d de accionamiento y la disposición 12 de accionamiento. La disposición 12d de accionamiento es muy similar a la disposición 12c de accionamiento que se muestra en la figura 9. Los componentes similares a las disposiciones 12 y 12c comparten los mismos números de referencia con la adición del sufijo 'd' o con el sufijo 'c' reemplazado en consecuencia.
El dibujo muestra un conjunto 22d de caja de cambios que comprende etapas de engranajes primaria y secundaria, pero solo la etapa 46d de engranaje secundaria se muestra en el dibujo, para facilitar la ilustración. En esta realización, un mecanismo 24d de transferencia de accionamiento comprende un conector 120d flexible que está corrugado, y que se muestra mejor en la vista ampliada de la figura 11 y en la vista en perspectiva de la figura 12 (seccionada como se muestra en la figura 10). El conector 120d se extiende en una dirección axial entre un resalto 134 de montaje en el árbol 20d del rotor y un resalto 136 en un árbol 40d de entrada anular del conjunto 22d de caja de cambios. El conector 120d se asegura al reborde 134 en un primer extremo 135 axial, y al reborde 136 en un segundo extremo 137 axial. Las corrugaciones 138 y 140 del conector 120d pueden deformarse durante el uso, para reducir la transmisión de las cargas de cizallamiento y flexión del rotor 20d en el conjunto 22d de caja de cambios. El conector 120d flexible también facilita el sellado del conjunto de caja de cambios para evitar fugas de aceite. De nuevo, el conector 120d flexible es capaz de soportar distorsiones del árbol 20d del rotor con respecto al conjunto 22d de la caja de cambios dentro del rango discutido anteriormente.
Varias modificaciones se pueden hacer a los anteriores. Por ejemplo, el conjunto de caja de cambios puede comprender cualquier número requerido de etapas de engranajes, de acuerdo con factores que incluyen la capacidad de la turbina eólica y los parámetros de funcionamiento del generador. Cada etapa de engranaje en el conjunto de caja de cambios puede comprender cualquier número adecuado de engranajes planetarios.
El conjunto de caja de cambios puede ser situado enteramente dentro de la cavidad en el árbol del rotor. La única parte del conjunto de la caja de cambios que sobresale de la cavidad puede ser el árbol de salida. Parte del conjunto de la caja de cambios puede sobresalir de la cavidad en mayor o menor medida de lo que se muestra en la figura 2.
Se describen cojinetes de rodillos cónicos, pero se puede proporcionar cualquier disposición de cojinetes adecuados entre el árbol del rotor y la carcasa.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una disposición (12) de accionamiento para una turbina (10) eólica, comprendiendo la disposición de accionamiento:
    un árbol (20) de rotor;
    un conjunto (22) de caja de cambios para transferir el par desde el árbol del rotor a un generador (18) de potencia eléctrica, comprendiendo el conjunto de caja de cambios:
    • un árbol (40) de entrada;
    • un árbol (42) de salida;
    • una etapa (44) de engranaje primaria; y
    • una etapa (46) de engranaje secundaria;
    • cada etapa de engranaje tiene una pluralidad de engranajes (52; 58) planetarios colocados alrededor del árbol de salida, una corona (84; 86) dentada engranada con los engranajes planetarios, y un engranaje (82; 42) solar engranado con los engranajes planetarios y dispuesto para transferir el par al árbol de salida;
    un mecanismo (24) de transferencia de accionamiento para transferir el par desde el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios a través del árbol de entrada; y
    un elemento (56) portador de carga primario para montar de forma desmontable el conjunto de caja de cambios en una carcasa (34) de una turbina eólica;
    en el que el árbol del rotor es al menos parcialmente hueco, que tiene una cavidad (28) interna en la que están ubicadas al menos parte del conjunto de caja de cambios y al menos parte del mecanismo de transferencia de accionamiento;
    y en el que el conjunto de caja de cambios que comprende el árbol de entrada, el árbol de salida, las etapas de engranaje primaria y secundaria se puede montar dentro del árbol del rotor como una única unidad por medio del elemento portador de carga primaria.
  2. 2. Una disposición de accionamiento según la reivindicación 1, en la que el mecanismo de transferencia de accionamiento comprende un conector (120; 120d) flexible que se extiende entre el árbol del rotor y el conjunto de caja de cambios para transferir el par desde el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios, siendo el conector flexible elásticamente deformable, de manera que, en uso, permite distorsiones del árbol del rotor con respecto al conjunto de caja de cambios resultante de las cargas de flexión o de cizallamiento del rotor de al menos alrededor de 0,1°, para reducir así la transmisión de dichas cargas en el conjunto de caja de cambios.
  3. 3. Una disposición de accionamiento según la reivindicación 2, en la que:
    el conector (120d) flexible tiene un primer extremo (135) y un segundo extremo (136) opuesto al primer extremo, y está asegurado al árbol del rotor en el primer extremo y al conjunto de caja de cambios en el segundo extremo; y/o
    el conector (120) flexible está provisto integralmente con el árbol del rotor y se extiende desde el árbol hacia el conjunto de caja de cambios, teniendo el conector flexible un extremo (124) libre que puede acoplarse al conjunto de caja de cambios.
  4. 4. Una disposición de accionamiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, en la que el conector flexible es elásticamente deformable de manera que, en uso, se desvía alrededor de un eje (126) principal para reducir la transmisión de flexión y cargas de cizallamiento en el conjunto de caja de cambios.
  5. 5. Una disposición de accionamiento según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en la que el conector flexible es capaz de soportar distorsiones del árbol del rotor con respecto al conjunto de caja de cambios de hasta aproximadamente 0,2°.
  6. 6. Una disposición de accionamiento según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en la que:
    el conector flexible es una brida (120) que se extiende en una dirección radial desde el árbol del rotor hacia el conjunto de caja de cambios; o
    el conector (120d) flexible es corrugado y se extiende en una dirección axial entre los rebordes (134, 136) de montaje en el árbol del rotor y el conjunto de caja de cambios, las corrugaciones del conector se deforman para reducir la transmisión de las cargas del rotor en el conjunto de caja de cambios.
  7. 7. Una disposición de accionamiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el conjunto de caja de cambios está dispuesto dentro del árbol del rotor de manera que exista una separación (106) radial entre una superficie interna (110) del árbol del rotor y una superficie externa (108) de la corona dentada de la etapa de engranaje primaria, para proporcionar la disposición de accionamiento con un grado de libertad de movimiento, para tener en cuenta las deflexiones del árbol del rotor durante el uso.
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    50
  8. 8. Una disposición de accionamiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el mecanismo de transferencia de accionamiento comprende:
    un elemento (64) de accionamiento primario para conectar el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios, para transferir el par desde el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios; y
    un árbol (40) de entrada que puede acoplarse al elemento de accionamiento primario, estando dispuesto el árbol de entrada para transferir el par del elemento de accionamiento primario a las etapas de engranaje primaria y secundaria, el elemento de accionamiento primario y el árbol de entrada acoplados juntos en una conexión flotante.
  9. 9. Una disposición de accionamiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el mecanismo de transferencia de accionamiento comprende:
    un elemento (64) de accionamiento primario para conectar el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios, para transferir el par desde el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios; y
    una conexión (66) estriada para transferir la fuerza de accionamiento rotacional desde el árbol del rotor hacia el conjunto de caja de cambios, comprendiendo la conexión estriada estrías (70) macho que se extienden axialmente en uno del árbol de entrada y el elemento de accionamiento primario, y estrías (68) hembra que se extienden axialmente provistas en el otro lado del árbol de entrada y el elemento de accionamiento primario y que engranan con las estrías macho.
  10. 10. Una disposición de accionamiento según la reivindicación 9, en la que: las estrías macho son coronadas; y/o
    una o ambas estrías macho y hembra se estrechan en direcciones desde una porción media de las estrías hacia cada extremo de las estrías.
  11. 11. Una disposición de accionamiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en la que el mecanismo de transferencia de accionamiento comprende un elemento (64; 64a) de accionamiento primario para conectar el árbol del rotor al conjunto de caja de cambios, para transferir el par del rotor al conjunto de caja de cambios, y en el cual el elemento de accionamiento primario tiene un primer componente (114) de acoplamiento para acoplar el elemento de accionamiento al árbol del rotor, y un segundo componente (116) de acoplamiento para acoplar el elemento de accionamiento al árbol de entrada del conjunto de caja de cambios los componentes de acoplamiento primero y segundo axialmente espaciados a lo largo de una longitud del elemento de accionamiento primario, y el primer componente de acoplamiento situado, en uso, a sotavento del segundo elemento de acoplamiento.
  12. 12. Una disposición de accionamiento según la reivindicación 11, en la que:
    se proporciona un espacio (118) radial entre una superficie interna del elemento de accionamiento primario próximo al primer componente de acoplamiento y el conjunto de caja de cambios, para reducir la transmisión de desplazamientos dirigidos radialmente desde el árbol del rotor hacia el conjunto de caja de cambios; y/o el elemento de accionamiento primario es un tubo (64a) de torsión anular, el primer elemento de acoplamiento dispuesto en o adyacente a un extremo del extremo de sotavento del tubo de torsión y el segundo elemento de acoplamiento en o adyacente a un extremo a barlovento del tubo de torsión.
  13. 13. Una disposición de accionamiento según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que:
    • el engranaje solar de la etapa secundaria gira al unísono con el árbol de salida para impulsar así el árbol de salida;
    • los engranajes planetarios secundarios y el engranaje solar comprenden dientes de engranaje que se extienden paralelos a los ejes principales de los engranajes, los dientes del engranaje planetario engranan con los dientes (88) del engranaje planetario para transferir el par de los engranajes planetarios al engranaje solar; y
    • el engranaje (128) solar secundario es un componente anular hueco que tiene un primer extremo (130) axial y un segundo extremo (132) axial opuesto al primer extremo, el engranaje solar que se monta o se proporciona integralmente con el árbol de salida en el primer fin tal que, en uso, la torsión y la deflexión radial en los engranajes planetarios que dan como resultado la distorsión de los dientes del engranaje planetario se acomodan mediante una distorsión correspondiente de los dientes del engranaje planetario.
  14. 14. Una disposición de accionamiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el elemento portador de carga primaria sirve para montar de forma desmontable el conjunto de caja de cambios al menos parcialmente dentro de la cámara, de tal manera que el conjunto de caja de cambios está al menos parcialmente en voladizo desde la carcasa.
  15. 15. Una turbina (10) eólica, que comprende: un rotor (20);
    un generador (18) de energía eléctrica; y
    una disposición (12) de accionamiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la 5 que el árbol (20) del rotor de la disposición de accionamiento está acoplado al rotor y un árbol (42) de salida del
    conjunto de caja de cambios está acoplado al generador, para transferir par del rotor al generador para generar energía eléctrica.
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