ES2714098T5 - Turbina eólica con sistema de paso de pala - Google Patents

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Description

DESCRIPCIÓN
Turbina eólica con sistema de paso de pala
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a una turbina eólica con un sistema de paso de pala con un ángulo entre la dirección longitudinal de la pala y el eje de rotación del soporte del sistema de paso de pala, aumentando así la separación entre la pala y la torre y reduciendo las cargas en el accionador del sistema de paso de pala.
El objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de paso de pala de turbina eólica en donde se reduzca el número de componentes del sistema, reduciendo así el número de conexiones entre componentes, lo que conduce a una reducción en el número de tareas de ensamblaje y las operaciones de pernos de conexión pretensados.
Antecedentes de la invención
El sistema de paso de pala en turbinas eólicas consiste en un soporte sobre el cual se fija la pala. Este soporte está unido por una parte, es decir, la parte fija o estacionaria, al buje, mientras que la parte móvil está unida en un lado a la pala y en el otro lado, la parte situada dentro del buje, a una placa de accionamiento. Dicha pala, a su vez, está conectada, por medio de un accionador hidráulico o eléctrico, al buje que hace que la pala gire. En el caso de un accionador hidráulico, dicho accionador mueve la placa de accionamiento a través de un sistema de articulación de bola.
La placa de accionamiento tiene dos funciones: por un lado le da rigidez al buje, es decir, tiene una función estructural y, por otro lado, actúa como un enlace en el sistema de tren motriz de paso de palas.
El soporte tiene las dimensiones de la raíz de la pala y es generalmente un soporte en donde las superficies de contacto con la pala y la placa de accionamiento son perpendiculares al eje de rotación del soporte de paso de pala de modo que la dirección longitudinal de la pala coincide con el eje del soporte, en donde dicha placa de accionamiento tiene su superficie de contacto de soporte perpendicular a la dirección longitudinal de la pala.
Sin embargo, se ha demostrado que es beneficioso, debido a las cargas transmitidas por la turbina eólica, que el eje de rotación del sistema de paso de pala y la dirección longitudinal de la pala no sean coincidentes, sino que tengan un ángulo entre ellos de manera que la punta se aleje de la torre de manera que cuando las cargas están en un máximo, en la zona de esquina de la curva de potencia, la pala, cuando la pala se flexiona, el centro de gravedad se acerca al eje soporte de rotación. De este modo se reducen considerablemente dichas cargas sobre la pala y sobre la turbina eólica. Este ángulo se denomina ángulo pre-cónico.
Este aspecto geométrico es muy importante ya que permite un aligeramiento de los diseños de palas y de los otros componentes de la turbina eólica. Para lograr el ángulo pre-cónico hay dos alternativas: disponer las superficies del anillo de apoyo en movimiento de modo que no sean paralelas a su eje, por medio de mecanizado, como se describe en la solicitud de patente europea EP2336553A1, o mecanizando la raíz de la pala al ángulo requerido.
La mecanización de la raíz de la pala al ángulo requerido se vuelve poco práctica dada la precisión requerida para dicho ángulo, por lo que la elección habitual es mecanizar el soporte, lo que aumenta la cantidad de material requerido para su fabricación, porque la cantidad de materia prima requerida es mayor que la del soporte final, donde la diferencia se pierde en el proceso de mecanizado.
También es ventajoso tener solo una plataforma, es decir, una con los mismos elementos estructurales de turbina eólica, a saber, los elementos de torre y góndola, con el mismo dimensionamiento, de manera que dicha plataforma pueda ser válida para su uso con diferentes tamaños de palas y para diferentes tipos de instalación, optimizando así el coste de fabricación.
Sin embargo, las cargas pueden variar de una turbina eólica a otra dependiendo de la pala usada, lo que dificulta mantener la misma plataforma. Una forma de resolver esto es personalizar el ángulo pre-cónico para cada rotor. Por lo tanto, es de gran interés emplear métodos y técnicas que permitan que la distancia entre la pala y la torre se adapte fácilmente de una plataforma a otra.
Sistemas de turbina eólica con sistemas de accionamiento de paso de pala conocidos en la técnica anterior comprenden un soporte, una placa de accionamiento, un sistema de vástago o articulación de bola y un accionador lineal hidráulico, en donde la pala está dispuesta en contacto con una primera superficie del anillo de soporte móvil, y la placa de accionamiento, también denominada placa de paso, se coloca en contacto con un segundo flanco del anillo de apoyo móvil orientado hacia el interior del buje. La placa de accionamiento está conectada al accionador que se une al buje a través de un sistema de articulación de bola. El anillo de soporte fijo está unido al buje de la góndola. La introducción del sistema de articulación de bola es necesaria porque el ángulo formado entre el eje longitudinal de la pala y el eje de rotación del anillo de soporte fijo hace necesario que el accionador funcione, girando con una órbita cónica en lugar de cilindrica. Si la órbita fuese perfectamente cilindrica, dicho sistema de articulación de bola no sería necesario.
Además, la placa de accionamiento y el vástago, o sistema de articulación de bola, se fabrican por separado y se ensamblan posteriormente, generalmente usando pernos para conectarlos.
En la solicitud de patente europea EP2336553A1, al sistema de paso de pala se proporciona un ángulo pre-cónico al mecanizar el soporte de modo que la cara que está en contacto con la pala no es perpendicular al eje de rotación del sistema de paso de pala.
El documento US-2013/216394 A1 divulga una turbina eólica con un sistema de paso de pala.
Sin embargo, dado que las turbinas eólicas tienen palas muy grandes, incluso superiores a 40 metros, un pequeño error en el mecanizado o en el conjunto da como resultado un gran error en la posición de la punta de la pala. Es la distancia entre la punta de pala y la torre la que determina en muchos casos las dimensiones de la estructura de la pala; por lo tanto, el mecanizado de la superficie de soporte debe ser muy preciso y la tolerancia debe ser muy estrecha. Esto aumenta enormemente el coste del soporte que debe mecanizarse y ensamblarse con el resto de los componentes de una manera que se asegure dicho ángulo, además la cantidad de material de desecho aumenta considerablemente con respecto a un soporte recto.
Todos estos problemas se resuelven con el sistema de paso de pala de turbina eólica de la presente invención.Descripción de la invención
La presente invención se refiere a una turbina eólica con un sistema de paso de pala de acuerdo con la reivindicación 1.
La placa de accionamiento tiene una cara trasera dispuesta en contacto con la pala y una cara frontal dispuesta en contacto con una cara trasera del anillo móvil del soporte, donde la cara trasera de la placa de accionamiento es perpendicular a la dirección longitudinal de la pala y la cara frontal de la placa de accionamiento es perpendicular al eje de apoyo.
Las caras de la placa de accionamiento forman un ángulo distinto de 0°, preferiblemente un ángulo mayor que 0° y menor o igual que 5°. Este ángulo es el ángulo pre-cónico, el ángulo entre el eje de rotación del soporte del sistema de paso de pala y la dirección longitudinal de la pala.
Por lo tanto, la complejidad del sistema de paso de pala se reduce a un solo componente, la placa de accionamiento, que adopta el ángulo pre-cónico necesario para un diseño adecuado de la turbina eólica.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 muestra una vista esquemática de una solución presente en la técnica anterior donde el soporte está dispuesto entre la pala y la placa de accionamiento y en donde a la pala es dado un ángulo pre-cónico entre el eje de rotación del soporte y la dirección longitudinal de la pala.
La Figura 2 muestra una vista esquemática de otra solución presente en la técnica anterior donde el ángulo pre-cónico es de 0°.
La Figura 3 muestra una vista esquemática de un primer ejemplo de la solución según la invención donde el ángulo pre-cónico es distinto de 0°.
La Figura 4 muestra una vista esquemática de un segundo ejemplo de la solución según la invención donde el ángulo pre-cónico es distinto de 0°.
La Figura 5 muestra una vista en perspectiva de la solución según la invención en una realización en la que el vástago de la placa de accionamiento del sistema de paso de pala está integrado en la placa de accionamiento.
Realización preferida de la invención
Con referencia a las figuras, una realización preferida del sistema de paso de pala de turbina eólica, objeto de la presente invención, se describe a continuación.
En una realización preferida, la turbina eólica comprende:
• al menos una pala (1)
• un soporte (2) con un anillo fijo (3) unido a un buje (4) de la turbina eólica y un anillo móvil (5)
• una placa de accionamiento (6) accionada por un accionador (7), estando dicho accionador (7) unido al buje (4) en un primer extremo de dicho accionador (7), y unido a la placa de accionamiento (6) por un segundo extremo del accionador (7) por medio de un vástago (8) o sistema de articulación de bola,
en donde la placa de accionamiento (6) está dispuesta entre la pala (1) y el anillo móvil (5) del soporte (2).
El accionador (7) es preferiblemente un accionador hidráulico con una carcasa fija unida al buje (4) y un pistón móvil unido al vástago (8) o al sistema de articulación de bola.
Además, la placa de accionamiento (6) comprende una cara trasera (12) dispuesta en contacto con la pala (1) formando un ángulo con una cara frontal (15) de la placa de accionamiento (6) dispuesta en contacto con una cara trasera (16) del anillo móvil (5) del soporte (2). Este ángulo es el ángulo pre-cónico: el ángulo entre el eje de rotación del soporte (2) del sistema de paso de pala y la dirección longitudinal de la pala (1). Este ángulo puede ser cualquier ángulo de 0° a los valores apropiados para cada turbina eólica, pero no se reivindica un ángulo de 0°. Preferiblemente, el ángulo pre-cónico estará entre 1° y 5°.
La turbina eólica comprende además medios de fijación (9, 10) que unen la pala (1), la placa de accionamiento (6) y el anillo móvil (5) del soporte (2), en donde dichos medios de fijación (9, 10) comprenden pernos (9) dispuestos en orificios (14) que pasan a través del anillo móvil (5) del soporte (2), la placa de accionamiento (6) y la raíz de la pala (1), pernos (9) que están dispuestos paralelos a la dirección longitudinal de la pala (1), dividiendo de manera óptima la carga en la raíz de la pala (1), en la placa de accionamiento (6) y el soporte (2).
Los medios de fijación (9, 10) comprenden además tuercas (10) que permiten el ensamblaje de la pala (1), la placa de accionamiento (9) y el anillo móvil (5) del soporte (2) a través de los pernos (9) dispuestos en los orificios (14) que pasan a través del anillo móvil (5) del soporte (2), la placa de accionamiento (6) y la raíz de la pala (1).
En una primera realización, una cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2) orientado hacia el interior del buje (4) es perpendicular al eje longitudinal de la pala (1) de modo que los pernos (9) continúan siendo paralelos a la dirección longitudinal de la pala (1) y las tuercas de fijación (10) descansan en la cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2), y donde adicionalmente la cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2) es paralela a la cara trasera (12) de la placa de accionamiento (6), como se muestra en la Figura 3.
Esto es ventajoso tanto en el caso de un ángulo pre-cónico de 0° usando un soporte cilíndrico recto (2), es decir, que comprende un anillo móvil (5), y un anillo fijo (3) con geometría cilíndrica recta, es decir, un soporte convencional (2), como se muestra en la Figura 2, en donde esta realización no forma parte de la invención, como en el caso de un ángulo pre-cónico de entre 1° y 5°. En este último caso, como se muestra en la Figura 3, la cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2) forma un ángulo recto con los pernos (9), por lo que no requiere un mecanizado adicional para cada tuerca para mantener los pernos (9) paralelos a la dirección longitudinal de la pala (1) y para obtener un apoyo correcto de las tuercas de fijación (10).
Sin embargo, es particularmente ventajoso usar soportes cilíndricos rectos y ángulos pre-cónicos de entre 1° y 5°. En este caso, la cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2) no es perpendicular al eje longitudinal de la pala (1), de modo que los pernos (9), que son paralelos a la dirección longitudinal de la pala (1) no son perpendiculares a la cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2) y las tuercas de fijación (10) no descansan correctamente en dicha cara frontal (11), como la cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2) forma un ángulo distinto de 0° con la cara trasera (12) de la placa de accionamiento (6).
Para resolver esto, en una segunda realización, la cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2) orientado hacia el interior del buje (4) comprende rebajes (13) paralelos a la cara trasera (12) de la placa de accionamiento (6) situada en contacto con la pala (1), de modo que los pernos (9) están dispuestos paralelos a la dirección longitudinal de la pala (1) y las tuercas de fijación (10) descansan correctamente en estos rebajes (13), como se muestra en la Figura 4, donde el soporte (2) es recto.
En cualquiera de las dos realizaciones anteriores, ya sea el tramo de los orificios (14) a través del anillo móvil (5) del soporte (2) forma un ángulo con el eje del soporte (2) igual al ángulo pre-cónico, es decir, el ángulo entre la cara trasera (12) y la cara frontal (15) de la placa de accionamiento (6), como se muestra en la Figura 4, o bien el tramo de los orificios (14) que pasan a través del anillo móvil (5) del soporte (2) es paralelo al eje de soporte (2) y tiene un diámetro que define un alojamiento en donde los pernos (9) están dispuestos paralelos a la dirección longitudinal de la pala (1), como se muestra en detalle en la Figura 3.
El vástago (8) o el sistema de articulación de bola que une el accionador (7) con la placa de accionamiento (8) está ubicado, al menos parcial y preferiblemente, completamente integrado en 5 dicha placa de accionamiento (6) como un saliente de la placa de accionamiento, formado por una sola pieza. La función de dicha protuberancia es llevar la superficie de la placa en un extremo del saliente lo más cerca posible del punto de unión al accionador (7). En consecuencia, el vástago (8) o el sistema de articulación de bola, si es necesario, será más corto y como resultado de la reducción del brazo de palanca que tiene que soportar 10, también será de sección más pequeña que en el caso sin saliente. Por lo tanto, toda o parte de las dimensiones de dicho vástago (8) o sistema de vástago-bola que conecta la placa de accionamiento (6) al accionador (7) se reducen, y se pueden usar elementos más simples y más baratos para dicha unión. Las conexiones roscadas entre el vástago (8) y la placa de accionamiento (6) que también requieren mecanizado de 15 las superficies de acoplamiento de los dos (6, 8) aumentan así tanto el tiempo como el coste del proceso de fabricación.
En este caso, el accionador (7) está unido al buje (4) en un primer extremo de dicho accionador (7), y unido al saliente en la placa de accionamiento (6) en un segundo extremo de dicho accionador (7). Dicha protuberancia está situada excéntricamente en la placa de accionamiento de tal manera que la fuerza requerida para rotar la pala es lo más pequeña posible.
Si el vástago (8) o el sistema de articulación de bola que conecta el accionador (7) a la placa de accionamiento (6) se integra parcialmente en la placa de accionamiento (6), las dimensiones (sección) del vástago (8) o sistema de articulación de bola se reducen, como cuando su longitud, determinada por la distancia entre la placa de accionamiento (6) y el punto de aplicación de la fuerza del accionador (7) se reduce, entonces el impulso creado en la sección donde se une con la placa de accionamiento (6) se reduce por la reducción del brazo de palanca.
En el caso de integración parcial, el vástago (8) o sistema de articulación de bola puede ser un pasador cilíndrico unido por interferencia térmica a la placa de accionamiento (6) y mecanizado para permitir espacio libre (rotación alrededor del eje) entre una biela del accionador (7) y dicho vástago (8), siendo necesario el espacio libre para permitir la rotación del soporte (2) por medio de un accionador lineal (7). Por lo tanto, solo hay pernos de fijación (9) para la unión de la placa de accionamiento (6) al soporte (2) y a la pala (1).
Preferiblemente, la unión entre el pasador cilíndrico y la protuberancia (17) es adyacente a la biela del accionador (7).
Si el vástago (8) o el sistema de articulación de bola que conecta el accionador (7) a la placa de accionamiento (6) está completamente integrado en la placa de accionamiento (6) parte de la protuberancia se mecanizará, lo que proporcionará el espacio libre descrito anteriormente.
Preferentemente esta parte sola, donde el vástago (8) o el sistema de eje-bola está integrado al menos parcialmente en la placa de accionamiento (6), se realiza por colada. Este proceso de fabricación permite que la parte tenga geometrías complejas, tales como, por ejemplo, el ángulo pre-cónico o la unión en una parte de dos de los elementos del sistema de paso de pala, tal como el vástago (8) o el sistema de eje-bola y la placa de accionamiento (6), como se describe y se muestra en las Figuras 5 y 6.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Turbina eólica con sistema de paso de pala en donde la turbina eólica comprende:
• al menos una pala (1),
• un soporte (2) con un anillo fijo (3) unido a un buje (4) de la turbina eólica y un anillo móvil (5),
• una placa de accionamiento (6) accionada por un accionador (7) unido al buje (4), en donde la placa de accionamiento (6) está dispuesta entre la pala (1) y el soporte (2) y comprende una cara trasera
(12) dispuesta en contacto con la pala (1) y una cara frontal (15) dispuesta en contacto con una cara trasera (16) del anillo móvil (5) del soporte (2), en donde la cara trasera (12) de la placa de accionamiento (6) es perpendicular a la dirección longitudinal de la pala (1), y la cara frontal (15) de la placa de accionamiento (6) es perpendicular al eje de soporte (2), la cara trasera (12) y la cara frontal (15) de la placa de accionamiento (6) forman un ángulo distinto de 0°, y
• medios de fijación (9, 10) para conectar la pala (1), la placa de accionamiento (6) y el anillo móvil (5) del soporte (2),
en donde el accionador (7) está unido a la cara frontal (15) de la placa de accionamiento (6), por medio de un vástago (8) o un sistema de articulación de bola que conecta el accionador (7) con la placa de accionamiento (6) que está integrada al menos parcialmente como una protuberancia en dicha placa de accionamiento (6), formando una sola pieza,
y en donde los medios de fijación (9, 10) comprenden pernos (9) dispuestos en orificios (14) que pasan a través del anillo móvil (5) del soporte (2), la placa de accionamiento (6) y la raíz de la pala
(1), en donde los pernos (9) están dispuestos paralelos a la dirección longitudinal de la pala (1).
2. Turbina eólica con sistema de paso de pala según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de
fijación (9, 10) comprenden además tuercas (10) que permiten que la pala (1), la placa de accionamiento (9) y el anillo móvil (5) del soporte (2) se fijen en su lugar por medio de los pernos (9) dispuestos en los orificios (14) que pasan a través del anillo móvil (5) del soporte (2), la placa de accionamiento (6) y la raíz de la pala (1).
3. Turbina eólica con sistema de paso de pala según la reivindicación 2 caracterizada porque el soporte (2) comprende un anillo móvil (5) y un anillo fijo (3) con una geometría cilíndrica recta de modo que una cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte de palas (2) orientado hacia el interior del buje (4) es perpendicular al eje de rotación del soporte (2).
4. Turbina eólica con sistema de paso de pala según la reivindicación 3 caracterizada porque la cara frontal (11)
del anillo móvil (5) del soporte (2) orientado hacia el interior del buje (4) comprende rebajes (13) paralelos a la cara trasera (12) de la placa de accionamiento (6) situada en contacto con la pala (1), donde las tuercas de fijación (10) descansan.
5. Turbina eólica con sistema de paso de pala según la reivindicación 2, caracterizada porque la cara trasera
(12) de la placa de accionamiento (6) y una cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2) orientada hacia el interior del buje (4) son paralelas, de modo que la cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2) es perpendicular al eje longitudinal de la pala (1).
6. Turbina eólica con sistema de paso de pala según la reivindicación 5 caracterizada porque las tuercas de
fijación (10) descansan sobre la cara frontal (11) del anillo móvil (5) del soporte (2).
7. Turbina eólica con sistema de paso de pala según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizada
porque un tramo de los orificios (14) que pasan a través del anillo móvil (5) del soporte (2) forma un ángulo con el eje del soporte (2) igual al ángulo formado entre la cara trasera (12) y la cara frontal (15) de la placa de accionamiento (6).
8. Turbina eólica con sistema de paso de pala según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizada
porque un tramo de los orificios (14) que pasan a través del anillo móvil (5) del soporte (2) es paralelo al eje
(2) del soporte y tiene un diámetro que define un alojamiento en donde los pernos (9) están dispuestos paralelos a la dirección longitudinal de la pala (1).
9. Turbina eólica con sistema de paso de pala de acuerdo con una cualquiera de las anteriores reivindicaciones caracterizada porque el accionador (7) está unido al buje (4) en un primer extremo de dicho accionador (7) y unido a un extremo del saliente en la placa de accionamiento (6) en un segundo extremo del accionador (7).
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