ES2715575T3 - Transmisión - Google Patents
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Abstract
Turbina eólica que comprende: - un rotor de turbina con palas de rotor (5) para la turbina eólica, - un árbol de transmisión principal (20, 41) 5 accionado por el rotor de turbina; - un generador (16), y - una transmisión entre el árbol de transmisión principal y el generador, en donde la transmisión comprende: - un engranaje principal (10, 18, 42, 45) montado en el árbol de transmisión principal; - dos o más piñones (12) que engranan con el engranaje principal; - dos o más bombas hidráulicas (13), accionada cada una por un piñón; - un motor hidráulico (15) que acciona el generador; y - un conducto de alta presión (21) y un conducto de baja presión (27) que conectan el motor hidráulico y las bombas hidráulicas; caracterizada por que - el motor hidráulico (15) se acopla directamente a y es soportado por el generador (16).
Description
DESCRIPCIÓN
Transmisión
La presente invención se refiere a una transmisión de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Tal dispositivo se conoce por el documento WO 2011011682. Esta publicación describe un sistema de accionamiento de turbina eólica con un tren de engranajes de entrada que se puede conectar al árbol motor girado mediante energía eólica, y una pluralidad de circuitos hidráulicos interpuestos entre el tren de engranajes de entrada y el generador. La publicación describe funcionalmente el tren de engranajes de entrada que forma parte de una multiplicadora. Las multiplicadores conocidas soportan los cojinetes para los engranajes y la carcasa soporta la multiplicadora. En situaciones en las que las dimensiones aumentan, por ejemplo, la longitud de las palas, también aumentan las dimensiones del cojinete de rotor y del engranaje principal y disminuye la velocidad de rotación de las palas. Debido a las dimensiones cada vez mayores, las soluciones convencionales para soportar el árbol de rotor con dos cojinetes colocados a cierta distancia ya no son deseables, ya que derivan en soluciones complicadas para la base de los cojinetes con el fin de evitar cambios no deseados en las dimensiones debido a la diferencia de temperatura en varios componentes y en diferentes posiciones en la carcasa.
Para evitar las soluciones complicadas en los diseños conocidos, un solo cojinete soporta el árbol de rotor. Sin embargo, en los diseños conocidos todavía se producen desviaciones dimensionales de las dimensiones y/o deformaciones deseadas como resultado de las altas cargas en la multiplicadora y esto conlleva un riesgo no deseado en la construcción de la multiplicadora.
Para reducir o evitar estos riesgos, la multiplicadora es según la reivindicación 1. De esta manera, las fuerzas en la multiplicadora, aparte de las fuerzas gravitacionales, están limitadas a un par entre el árbol de transmisión principal y el árbol de rotor. La fijación de la posición de la multiplicadora con respecto a la posición del engranaje principal mediante el uso del cojinete de árbol de transmisión principal evita que deformaciones, oscilaciones o cualquier otro movimiento involuntario de la carcasa o el cojinete principal de rotor influyan en el engrane de dientes del engranaje principal con el piñón y evita cargas adicionales sobre los engranajes. Las fuerzas entre el engranaje principal y el piñón permanecen en la multiplicadora y el par en el piñón se transfiere a la presión hidráulica sin dejar ningún par o fuerza adicional. Las barras de tensión conducen el par en el engranaje principal de vuelta a la carcasa sin ninguna fuerza lineal resultante en la multiplicadora. Esto evita cualquier deformación en la multiplicadora que pueda influir en el funcionamiento de los engranajes.
De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 2. De esta manera, el engranaje principal puede transmitir un par considerablemente mayor y al mismo tiempo las fuerzas de los dientes en el primer conjunto de dientes de engranaje son iguales a las fuerzas en el segundo conjunto de dientes de engranaje, aunque en la dirección opuesta, de modo que solo permanece un par resultante y no hay carga resultante sobre el cojinete que soporta el engranaje principal. Las fuerzas de los dientes mantienen el engranaje principal entre los piñones y estas fuerzas se contrarrestan entre sí a través de los cojinetes de piñón en la multiplicadora, y los cojinetes de piñón se colocan uno cerca de otro para que las deformaciones sean insignificantes. Esto mejora la precisión de la interacción entre el engranaje principal y los piñones.
De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 3. De esta manera, el número de piñones aumenta y las fuerzas entre los piñones y el engranaje principal se distribuyen uniformemente alrededor de la circunferencia del engranaje principal para que no quede ninguna carga sobre el cojinete de engranaje principal. Los piñones ejercen la fuerza de piñón espaciada igualmente alrededor del engranaje principal para que estas fuerzas no den lugar a fuerzas de flexión sobre la multiplicadora y se evitan flexiones o deformaciones del engranaje principal y la multiplicadora.
De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 4. De esta manera, hay una abertura en el centro de la multiplicadora, de modo que el personal de mantenimiento puede acceder al rotor y desde el mismo y de ese modo las bombas pueden quedar en el centro reduciéndose así necesidades de espacio.
De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 5. De esta manera, las juntas de estanqueidad de aceite están cada una en una circunferencia exterior que encierra una superficie, de modo que un elemento de resorte que rodea la superficie asegura el funcionamiento correcto de las juntas de estanqueidad. De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 6. De esta manera, el engranaje principal de gran diámetro tiene dientes de engranaje en el interior y el exterior de un casquillo que forma el cuerpo de engranaje. El engranaje principal puede moverse en la multiplicadora en la dirección del eje de rotación con respecto a los piñones. El número de dientes en el interior y el exterior del engranaje principal puede ser diferente, por lo que las bombas pueden tener diferentes velocidades de rotación. Como las bombas se encuentran en la gran circunferencia de la multiplicadora, es posible aumentar el número de bombas y piñones, por ejemplo, a seis u ocho. De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 7. De esta manera, el engranaje principal y
los piñones deben colocarse correctamente en ambas direcciones de los ejes de rotación del engranaje principal y los piñones. A continuación, los engranajes transmiten una carga alta de manera efectiva y las bombas pueden estar dentro de la multiplicadora, reduciéndose así las dimensiones de la carcasa.
De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 8. De esta manera, el engranaje principal se coloca así mismo entre los piñones y los piñones pueden moverse en la dirección axial del eje de piñón sin alterar el ajuste. Las bombas pueden estar dentro de la multiplicadora, reduciéndose así las dimensiones de la carcasa. De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 9. De esta manera, los dientes de engranaje del piñón o los piñones son más largos cuando están engranados con el engranaje principal, de modo que la carga transmitida puede ser mayor y los engranajes funcionan con más suavidad.
De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 10. De esta manera, es más fácil acceder a las bombas y la dimensión de la carcasa se puede limitar a la dimensión máxima del cojinete de rotor.
De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 11. De esta manera, las bombas obtienen una mayor velocidad de rotación y las bombas pueden tener un volumen de bombeo más pequeño y, por tanto, son más pequeñas, aunque tienen la misma capacidad.
De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 12. De esta manera, las irregularidades en el flujo de aceite de las bombas al motor hidráulico se reducen y no alteran la rotación del generador.
De acuerdo con una realización, la transmisión es según la reivindicación 13. De esta manera, al menos un piñón ejerce una carga sobre el engranaje principal en una dirección opuesta y por tanto crea una carga entre todos los piñones y el engranaje principal. Esto evita que, en una situación en la que el rotor está en reposo y puede oscilar hacia atrás, los frentes de los dientes choquen y estos choques provoquen daños en los frentes de los dientes. Los dientes permanecen bajo pretensión y se evitan daños como resultado de choques repetidos de los frentes de los dientes.
En lo sucesivo, la invención se aclara con la ayuda de algunas realizaciones utilizando un dibujo.
En el dibujo
La figura 1 muestra una vista lateral de una turbina eólica,
La figura 2 muestra una vista esquemática de una primera realización de una transmisión entre las palas de la turbina eólica y un generador de electricidad,
La figura 3 muestra una vista esquemática de una segunda realización de una transmisión entre las palas de la turbina eólica y un generador de electricidad,
La figura 4 muestra una vista esquemática de una tercera realización de una transmisión entre las palas de una turbina eólica y un generador de electricidad.
La figura 5 muestra una vista esquemática del diagrama hidráulico de la transmisión entre las palas y el generador de electricidad, y
La figura 6 muestra una vista en sección esquemática de una realización de una carcasa con una multiplicadora. La figura 1 muestra una góndola 3 montada en una torre 1. El buje 6 está montado en la góndola 3 y el buje 6 puede girar alrededor del eje de palas 4. Las palas 5 están fijadas al buje 6. La góndola 3 puede girar alrededor de un eje de guiñada 2 por lo que el eje de palas 4 puede dirigirse en la dirección del viento predominante. Para generar electricidad a partir del viento, el tamaño del dispositivo parece ser lo más importante para la eficiencia económica y las turbinas eólicas grandes con palas largas son más adecuadas para una generación eficiente. Debido a un límite natural a la velocidad máxima de la punta de una pala 5 cuando se mueve a través del aire, la velocidad de rotación de la turbina es menor a medida que aumenta la longitud de la pala. Para turbinas eólicas con longitudes de pala de 30 a 80 metros, la velocidad de rotación del buje 6 se limita a entre 10 y 25 revoluciones por minuto.
Un generador 16 está colocado en la góndola 3 (ver figuras 2 y 3) para generar electricidad. El generador 16 es adecuado para transformar la energía generada por las palas 5 en electricidad y gira a una velocidad de rotación máxima de 1.500 revoluciones por minuto, de modo que las dimensiones del generador 16 son limitadas. En algunos casos, el generador 16 es adecuado para una velocidad de rotación máxima de 3.000 revoluciones por minuto. Esto significa que la transmisión entre el generador 16 y el buje 6 tiene una relación de transmisión de entre 60 y 150. La figura 2 muestra esquemáticamente una realización de la transmisión entre el generador 16 y el buje 6. En el buje hay un dispositivo de ajuste de pala 7 para ajustar el ángulo de paso de las palas 5. El buje 6 está acoplado a un
primer árbol 9 que está apoyado en los cojinetes 8. Los cojinetes 8 están montados en una multiplicadora 17. Un engranaje cilíndrico 10 está montado en el primer árbol 9. En la multiplicadora 17 hay cinco piñones 12 que se apoyan en cojinetes 11. Los piñones 12 están engranados con el engranaje 10, el engranaje 10 tiene entre cinco y diez veces el número de dientes que un piñón 12. En la realización mostrada, el buje 6 y el engranaje 10 tienen un árbol común 9. En otra realización, el buje 6 y el engranaje 10 tienen ejes separados que están alineados y que pueden acoplarse mediante un acoplamiento.
Una bomba 13 está acoplada a cada piñón 12 y un conducto 14 conecta las bombas 13 a un motor hidráulico 15. El motor hidráulico 15 acciona el generador 16. El volumen de bombeo del motor hidráulico 15 es menor que el volumen de bombeo de una bomba 13 que puede ser de 2,5 dm3, mientras que el volumen de bombeo del motor hidráulico es, por ejemplo, de 1 dm3. De esta manera, la relación de transmisión entre la velocidad de rotación de las cinco bombas 13 y el motor hidráulico 15 es de 12.5.
La figura 3 muestra una realización que se puede comparar con la realización de acuerdo con la figura 2 y en la que los ejes de los piñones 12 son perpendiculares a un eje de un engranaje de una corona 18. Los ejes del piñón 12 se dirigen hacia el centro de una multiplicadora 19 de modo que las bombas se colocan dentro de la circunferencia de la multiplicadora 19. En la realización mostrada, la corona 18 tiene un eje 20 y la corona 18 tiene un cojinete de un solo sentido. En una realización adicional, los cojinetes de la corona 18 tienen un diámetro que se puede comparar con el diámetro de los dientes de la corona 18, y el buje 6 y la multiplicadora 19 tienen forma de anillo, por lo que las bombas 13 se colocan en el lado interior del anillo.
La figura 4 muestra una tercera realización que se puede comparar con la realización de la figura 2 o 3. En la realización de la figura 4, una corona 18 está en un eje hueco en forma de anillo 20 soportado por un cojinete 8, el cojinete 8 también sirve como cojinete para el eje hueco del buje 6. La multiplicadora 19 tiene forma de anillo hueco. Los ejes de rotación de los piñones 12 forman un ángulo con el eje de rotación del eje 20 y, en la realización mostrada, las bombas 13 están situadas en el lado interior de la multiplicadora 19.
La figura 5 muestra un diagrama hidráulico simplificado que muestra la conexión entre las bombas 13 y el motor hidráulico 15. Una de las bombas está diseñada como una bomba/motor 22. Un conducto de alta presión 21 conecta el lado de alta presión del motor hidráulico 15, las bombas 13 y un acumulador de alta presión 30. Un conducto de baja presión 27 conecta el lado de baja presión del motor hidráulico 15, las bombas 13 y un acumulador de baja presión 29. A través de las válvulas 23 y 25, una primera entrada de la bomba/motor 22 se puede conectar al conducto de baja presión 27 o al conducto de alta presión 21. A través de las válvulas 24 y 26, se puede conectar una segunda entrada de la bomba/motor 22 al conducto de baja presión 27 o al conducto de alta presión 21. Una válvula 28 cierra el flujo de aceite a través del motor hidráulico 15.
Un sistema de control (no mostrado) controla las válvulas 23, 24, 25, 26 y 28. Durante el uso normal, las válvulas 23, 2425 y 26 se configuran de manera que la bomba/motor 22 se active como una bomba estándar. En la situación en la que el viento está en calma, la válvula 28 bloquea la rotación del motor hidráulico 15, mientras que la diferencia de presión entre el acumulador de alta presión 30 y el acumulador de baja presión 29 permanece. Las válvulas 23, 24, 25 y 26 se ajustan de modo que la bomba/motor 22 se active como un motor y cause un esfuerzo dentado entre los piñones 12 y el engranaje 10 o la corona 18. De esta manera, se evita el juego de engrane entre los engranajes, lo que también significa que los flancos de engranaje no chocan. Esto mejora la durabilidad de los flancos de engranaje.
Las realizaciones muestran una turbina eólica con un eje de rotación horizontal para las palas. También se conocen turbinas eólicas con un eje de rotación vertical. Las realizaciones mostradas según se describen en las figuras, pueden adaptarse y usarse para transferir la baja velocidad de rotación de las palas a la alta velocidad de rotación del generador.
Las realizaciones muestran una transmisión entre el eje de rotación de las palas y el árbol del generador para tener un valor fijo. Quedará claro que aislar una o más bombas del flujo de aceite entre las bombas y el motor hidráulico derivará en un cambio en la relación de transmisión para que se adapte mejor a una situación que se produzca. Un convertidor 31 entre el generador 16 y una conexión a la red 32 transforma la frecuencia de la corriente alterna generada en el generador 16 en la frecuencia deseada de la conexión a la red 32.
La figura 6 muestra una sección transversal esquemática de una realización de una góndola 3 que tiene la multiplicadora 17 con dos juegos de bombas 13 en lados diametralmente opuestos de la multiplicadora 17. En la figura 6, la mitad superior de la multiplicadora 17 muestra una primera sección a través de los ejes de rotación de los dos piñones 12. En la figura 6, la mitad inferior de la multiplicadora 17 muestra una segunda sección transversal perpendicular a la primera sección transversal con una vista de las bombas 13.
La parte superior de la torre 1 tiene un reborde superior 33. En el reborde superior 33 hay un cojinete de guiñada 34 que soporta una carcasa 35, por lo que la carcasa 35 puede girar alrededor del eje de guiñada 2. La carcasa 35 es una parte estructural de la góndola 3 y soporta un cojinete de rotor 36 con un eje de rotación de rotor aproximadamente horizontal 54. La carcasa 36 tiene un reborde de refuerzo 50 y otros refuerzos que aseguran que
el cojinete de rotor 36 tenga suficiente resistencia contra la deformación bajo carga.
El cojinete de rotor 36 tiene juntas de estanqueidad (no se muestran) para garantizar una lubricación adecuada del cojinete, y alrededor de la circunferencia exterior del cojinete de rotor 36 hay cubiertas (no mostradas) que garantizan la protección del cojinete de rotor 36 y de sus juntas de estanqueidad contra el entorno circundante. Una cubierta de carcasa 51 está fijada a la carcasa 35 para crear un espacio en el que se encuentra el generador 16; el espacio tiene un suelo y vigas, tanques de enfriamiento y/o de aceite, un enfriador de aceite y otras instalaciones para el funcionamiento de la instalación. También contiene un sistema de control 52 para controlar los diferentes componentes.
El cojinete del rotor 36 soporta un árbol de buje 38 y un árbol de transmisión principal 41, una placa de acoplamiento 37 fija el cojinete de rotor 36 en el árbol de transmisión principal 41. Una primera corona 42 y una segunda corona 45 están empernadas en el árbol de transmisión principal 41. Juntos, el árbol de buje 38, la placa de acoplamiento 37, el árbol de transmisión principal 41, la primera corona 42 y la segunda corona 45 forman un árbol común soportado por el cojinete de rotor 36. En otras realizaciones, para facilitar el montaje o por otras razones, las partes que forman el árbol común se subdividen en otras partes o se subdividen de manera diferente o se combinan partes de manera diferente.
Un cojinete de engranaje principal 43 soporta una carcasa de multiplicadora 46 y el árbol común y, en esta realización, específicamente la primera corona 42 soporta el cojinete de engranaje principal 43. El cojinete de engranaje principal 43 podría ser adecuado para permitir el movimiento axial de las coronas 42, 43, de modo que estos engranajes puedan colocarse por sí mismos en dirección axial. Una barra de tensión 55 se sujeta a la carcasa de multiplicadora 46 y un resorte 56 montado en un soporte 57 que se sujeta en el interior de la carcasa 35 evita la rotación de la barra de tensión 5 alrededor del eje de rotación 54 y con ello evita la rotación de la multiplicadora 46. Entre la carcasa de multiplicadora 46 y la segunda corona hay una junta de estanqueidad 44 y entre la carcasa de multiplicadora 46 y el árbol de transmisión principal 41 hay una junta de estanqueidad 40. Las juntas de estanqueidad 40 y 44 se montan de manera que la superficie de estanqueidad esté en el diámetro interior y las juntas de estanqueidad 40 y 44 pueden ser juntas de estanqueidad de aceite que eviten que el aceite lubricante salga de la multiplicadora 17.
La figura 6 muestra un piñón 12 engranado con la primera corona 42 y un piñón 12 engranado con la segunda corona 45. Un eje de piñón 49 conecta el piñón 12 con la bomba 13. La bomba 13 tiene una carcasa de bomba que está acoplada a la carcasa de multiplicadora 46 y la carcasa de bomba soporta los cojinetes de eje de piñón 49. Los conductos de aceite 47 conectan las bombas 13 y el motor hidráulico 15. El motor hidráulico 15 está acoplado al generador 16 que está montado con un soporte 53 sobre un bastidor en la góndola 3.
La realización de la figura 6 muestra dos coronas 42, 45 con cuatro bombas 13 que están montadas en la parte central de la multiplicadora 17, por lo que los ejes de rotación de las bombas 13 son perpendiculares al eje de rotación de las coronas accionadas por rotor 42, 43. Como se indica antes, en lugar de coronas, se pueden usar engranajes cónicos o una rueda cilíndrica con dientes internos y dientes externos y el ángulo entre la rueda accionada por rotor y los piñones puede tener cualquier valor entre 0 y 90 grados. En la situación en la que la rueda accionada por rotor tiene solo un juego de dientes de engranaje, el cojinete de engranaje principal 43 es adecuado para absorber una fuerza axial.
En los diagramas mostrados, las partes convencionales, tales como un tanque, un sistema de enfriamiento, una válvula de alivio de alta presión, un sistema de precarga para generar la baja presión en el acumulador de baja presión, un sistema de advertencia y seguridad y otras protecciones para un sistema hidráulico no se muestran, aunque estarán disponible según sea necesario. Además, los sistemas de lubricación para cojinetes y engranajes no se han ilustrado, pero se pueden incluir según se requiera.
Claims (13)
1. Turbina eólica que comprende:
- un rotor de turbina con palas de rotor (5) para la turbina eólica,
- un árbol de transmisión principal (20, 41) accionado por el rotor de turbina;
- un generador (16), y
- una transmisión entre el árbol de transmisión principal y el generador, en donde la transmisión comprende:
- un engranaje principal (10, 18, 42, 45) montado en el árbol de transmisión principal;
- dos o más piñones (12) que engranan con el engranaje principal;
- dos o más bombas hidráulicas (13), accionada cada una por un piñón;
- un motor hidráulico (15) que acciona el generador; y
- un conducto de alta presión (21) y un conducto de baja presión (27) que conectan el motor hidráulico y las bombas hidráulicas;
caracterizada por que
- el motor hidráulico (15) se acopla directamente a y es soportado por el generador (16).
2. Turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1, en la que el engranaje principal (10, 18, 42, 45) tiene dos conjuntos de dientes de engranaje en lados opuestos y cada conjunto de dientes de engranaje coopera con un piñón (12) de igual dimensión; en donde dos piñones son opuestos entre sí en lados opuestos del engranaje principal.
3. Turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en la que el o cada conjunto de dientes de engranaje engrana con dos o más piñones (12) que están separados por igual alrededor de una circunferencia del conjunto de dientes de engranaje.
4. Turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1, 2 o 3, en la que el engranaje principal (10, 18, 42, 45), el árbol de transmisión principal (20, 41) y la multiplicadora (17, 19) tienen forma de anillo.
5. Turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 4, en la que una primera junta de estanqueidad está montada en la multiplicadora (17, 19) y una segunda junta de estanqueidad (44) está montada en el árbol de transmisión principal.
6. Turbina eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 5, en la que el engranaje principal es un engranaje cilíndrico que tiene un conjunto de dientes de engranaje en la circunferencia exterior y un conjunto de dientes de engranaje en la circunferencia interior, y los ejes de rotación del engranaje principal y de los piñones (12) son paralelos.
7. Turbina eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 5, en la que el engranaje principal (10, 18, 42, 45) tiene dientes cónicos a ambos lados del cuerpo de engranaje, los piñones son engranajes cónicos y los ejes de rotación de los piñones (12) forman un ángulo con o son perpendiculares al eje de rotación (54) del engranaje principal.
8. Turbina eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 5, en la que cada conjunto de dientes de engranaje del engranaje principal (18, 42, 45) forma una corona de engranaje en un lado del cuerpo de engranaje, los piñones son engranajes cilíndricos y los ejes de rotación de los piñones son perpendiculares al eje de rotación del engranaje principal o pueden formar un ángulo.
9. Turbina eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en la que los piñones (20) tienen dientes helicoidales.
10. Turbina eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en la que la multiplicadora en forma de anillo (17, 19) encierra las bombas (13).
11. Turbina eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en la que el número de dientes de un conjunto de dientes del engranaje principal (10, 18, 42, 45) es al menos cinco veces y posiblemente al menos diez veces el número de dientes del piñón o piñones (12).
12. Turbina eólica de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en la que un acumulador de alta presión (30) se conecta al conducto de alta presión (21) y un acumulador de baja presión (29) se puede conectar al conducto de baja presión (27).
13. Turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 12, en la que una válvula (23, 24, 25, 26, 28) puede intercambiar conexiones de los orificios de al menos una bomba (13) con el conducto de alta presión (21) y el conducto de baja presión (27) de modo que el piñón conectado a esta bomba ejerce una contrafuerza sobre el engranaje principal (10, 18, 42, 45).
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