ES2865523T3 - Unión para la conexión oscilante del rotor a un árbol de turbina eólica - Google Patents

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ES2865523T3 ES18712648T ES18712648T ES2865523T3 ES 2865523 T3 ES2865523 T3 ES 2865523T3 ES 18712648 T ES18712648 T ES 18712648T ES 18712648 T ES18712648 T ES 18712648T ES 2865523 T3 ES2865523 T3 ES 2865523T3
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Abstract

Una unión (1) para la conexión oscilante del árbol de rotor (S) de una turbina eólica, que comprende: - un buje (2) en forma de caja que define un eje longitudinal (L) y que tiene un par de orificios (4) longitudinalmente contrapuestos y alineados entre sí; - una cabeza de árbol (3) diseñada para conectarse al árbol de rotor (S) y que tiene un par de pivotes cilíndricos (7) diseñados para ser insertados a través de los orificios (4) de dicho buje (2), teniendo cada uno de dichos pivotes (7) una superficie exterior cilíndrica (8) y un borde de extremo transversal (9); - un par de bisagras (10) ubicadas en la proximidad de dicho par de orificios (4) para promover la conexión oscilante de dichos pivotes (7) al buje (2); en donde cada bisagra (10) comprende: - un cojinete plano (13) montado sobre la superficie exterior (8) de un pivote correspondiente (7) para permitir el desplazamiento axial del mismo con respecto a dicho eje longitudinal (L); - una pluralidad de miembros amortiguadores elásticos (14) que interactúan operativamente con el borde extremo (9) de dicho pivote (7) para amortiguar la oscilación aplicada sobre el mismo a lo largo y alrededor del eje longitudinal (L); - medios de conexión (15) diseñados para conectar recíprocamente dicho cojinete plano (13) a dicha pluralidad de miembros amortiguadores (14) de modo que para formar un conjunto integral (16), dichos medios de conexión (15) comprenden una parte longitudinal sustancialmente cilíndrica (17) conectada al buje (2) y diseñada para ser al menos parcialmente insertada en el respectivo orificio (4); caracterizada por que cada cojinete plano (13) comprende un primer casquillo autolubricante (24) insertado en la superficie exterior (8) de dicho pivote (7) y un segundo casquillo autolubricante (25) montado de forma deslizante en dicho primer casquillo (24) y anclado a dicha parte longitudinal (17) por un asiento (26), teniendo dicho primer casquillo autolubricante (24) y dicho segundo casquillo autolubricante (25) respectivas superficies de deslizamiento esféricas internas (28, 29).

Description

DESCRIPCIÓN
Unión para la conexión oscilante del rotor a un árbol de turbina eólica
La presente invención se refiere al campo técnico de las conexiones mecánicas para miembros móviles y tiene por objeto una unión para la conexión oscilante del rotor a un árbol de una turbina eólica.
Como es sabido, las turbinas eólicas de dos palas pueden estar provistas de un rotor que consiste en un buje oscilante que se une al extremo del árbol.
También pueden estar provistas de un buje oscilante adecuado para su aplicación en turbinas con sistema de control de paso, en donde las palas se conectan al buje mediante cojinetes, y a turbinas con sistema de control de guiñada, en donde las palas se fijan rígidamente al buje.
En turbinas de pequeño tamaño, los bujes oscilantes utilizan bisagras que consisten en dos cojinetes, cada uno de los cuales se obtiene mediante la superposición alterna de capas metálicas cilíndricas y capas cilíndricas de material elastomérico.
Las bisagras que consisten en capas cilíndricas de material elastomérico tienen dimensiones relativamente pequeñas, ya que no es posible producir grandes porciones de material elastomérico homogéneo.
Además, el mantenimiento de este tipo de bisagras es especialmente complicado, incluso en el caso de turbinas de pequeño tamaño.
Por el contrario, se sabe que en turbinas de gran tamaño se utiliza un buje oscilante que comprende bujes formados por una pluralidad de elementos elastoméricos distintos que consisten en capas alternas de material elastomérico y metálico.
En este tipo de bujes los elementos elastoméricos se someten a todas las cargas transferidas al árbol de la turbina por las palas.
Más concretamente, estos elementos se someten a la tensión ejercida por el par y la sustentación aerodinámica, por la fuerza de peso del rotor y por el momento generado por la oscilación del rotor alrededor de la bisagra.
Además, para permitir que los elementos elastoméricos funcionen en estado de compresión, al ensamblarlos sufren una acción de deformación tangencial que se obtiene haciendo que las capas de material elastomérico se deslicen unas sobre otras dentro de un asiento delimitado por un par de caras inclinadas.
De esta forma, la precarga de los elementos elastoméricos se genera de forma indirecta, mientras que durante el funcionamiento de la turbina el material se somete principalmente a una acción cíclica de deformación tangencial que se suma a la de la precarga.
En este tipo de bujes, para garantizar la duración del dispositivo en el tiempo, los elementos elastoméricos se sobredimensionan y se utilizan de forma redundante en la bisagra.
Para turbinas muy grandes, este tipo de bisagra puede resultar excesivamente engorroso.
Además, las dimensiones del buje que comprende una bisagra de este tipo son bastante grandes y esto aumenta los costes globales del sistema.
La presente invención pretende superar las limitaciones de las soluciones descritas anteriormente al proporcionar una versión híbrida del buje oscilante, constituido por una combinación de elementos mecánicos y elastoméricos.
La presente invención pretende resolver los problemas técnicos descritos anteriormente al proporcionar una unión para la conexión oscilante entre el rotor y el árbol de una turbina eólica, en donde dicha unión presenta una larga duración y no requiere un mantenimiento frecuente.
Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar una unión para la conexión oscilante entre el rotor y el árbol de una turbina eólica que pueda asegurar la conexión de estos componentes incluso en condiciones de funcionamiento extremas.
Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar una unión para la conexión oscilante entre el rotor y el árbol de una turbina eólica que sea relativamente compacta y pueda utilizarse en todo tipo de turbinas eólicas.
Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar una unión para la conexión oscilante entre el rotor y el árbol de una turbina eólica que pueda instalarse fácilmente y permita inspeccionar fácilmente los componentes de la turbina.
Una vez más, otro objeto de la invención, pero no menor, es proporcionar una unión para la conexión oscilante entre el rotor y el árbol de una turbina eólica que sea sencilla de fabricar y tenga costes de producción relativamente bajos.
El documento EP2715121 describió una bisagra elastomérica tambaleante cuya configuración, sin embargo, presenta todos los inconvenientes enumerados anteriormente.
Estos objetos se consiguen mediante una unión para la conexión oscilante entre el rotor y el árbol de una turbina eólica realizada según la reivindicación 1.
La invención se basa en una solución compacta de tipo "híbrido", en la que algunas cargas se trasfieren desde el buje al árbol de la turbina a través de cojinetes lisos que son autolubricantes o pueden ser lubricados con grasa, mientras que otras cargas son trasferidas por la turbina al buje a través de elementos elastoméricos.
En la unión objeto de la presente invención la fuerza cíclica producida por el peso del rotor en funcionamiento y el momento cíclico generado por las oscilaciones del rotor alrededor de la bisagra son contrarrestados por una serie de elementos elastoméricos que son comprimidos respectivamente por la fuerza de peso del rotor y sometidos a una acción de deformación tangencial debida al momento generado durante la oscilación del rotor.
El par y la sustentación aerodinámica del rotor y la fuerza de peso del propio rotor generan fuerzas radiales que actúan sobre la bisagra.
Estas fuerzas son contrarrestadas por dos pares de cojinetes autolubricantes que, por lo general, pueden lubricarse usando grasa o lubricantes similares.
Cada par de cojinetes está constituido por un manguito metálico esférico autolubricante y por un manguito metálico cilíndrico autolubricante que se superponen radialmente entre sí.
Otros objetos de la invención, que se describen con mayor detalle a continuación, se consiguen mediante una unión para la conexión oscilante entre el rotor y el árbol de una turbina eólica realizada según las reivindicaciones anteriores.
Las ventajas y características de la presente invención se ilustran claramente en la siguiente descripción detallada de una realización preferida pero no limitativa de una unión para la conexión oscilante entre el rotor y el árbol de una turbina eólica, con referencia específica a los siguientes dibujos, en donde:
- la Figura 1 muestra una vista lateral de una unión para la conexión oscilante entre el rotor y el árbol de una turbina eólica;
- la Figura 2 muestra una vista en sección lateral de la unión ilustrada en la Figura 1;
- La Figura 3 muestra una vista en sección en perspectiva de una parte de la Figura 2;
- la Figura 4 muestra una vista lateral ampliada de un primer detalle de la Figura 3;
- la Figura 5 muestra una vista lateral de un segundo detalle de la Figura 3.
El objeto de la presente invención es una unión para la conexión oscilante entre el rotor, que consiste en el conjunto formado por el buje y las palas, y el árbol de una turbina eólica, estando indicada dicha unión por el numeral de referencia 1 en los dibujos adjuntos.
La unión 1 comprende un buje de rotor sustancialmente en forma de caja 2 que define un eje longitudinal L.
Dicho buje 2 se diseña para alojar una cabeza de árbol 3 adecuada para ser conectada al árbol S de la turbina y está provisto de al menos un par de orificios 4 que se alinean a lo largo de la dirección longitudinal L pero uno frente al otro.
La cabeza de árbol 3 tiene sustancialmente forma de T y está provista de un extremo cilíndrico 5 destinado a ser conectado al árbol S y dos extremos opuestos 6 que definen un par de pivotes cilíndricos 7 dispuestos a lo largo del eje longitudinal L.
Los pivotes 7 tienen una superficie exterior circular 8 y un borde de extremo sustancialmente transversal 9.
La unión 1 comprende además un par de bisagras 10 colocadas al nivel de los pares de orificios 4 del buje 2 para promover la conexión oscilante de los pivotes 7 al buje 2.
El buje 2 generalmente comprende una estructura metálica en forma de caja 11 esencialmente en forma rectangular o cilíndrica, a la que se conectan las palas 12 del rotor.
Cada bisagra 10 comprende al menos un cojinete plano 13 montado en la superficie exterior 8 de un pivote correspondiente 7 para permitir la rotación controlada de este último con respecto al eje longitudinal L y su consiguiente desplazamiento axial con respecto a dicho eje.
Además, cada bisagra 10 está provisto de una pluralidad de elementos amortiguadores elásticos 14 que interactúan con el buje 2 y el borde 9 del pivote 7 para amortiguar las oscilaciones que actúan entre el pivote y el buje 2 a lo largo y alrededor de la dirección longitudinal L.
También se proporcionan medios de conexión 15, que son integrales con el buje 2 y diseñados para contener el cojinete plano 13 y permitir a la pluralidad de elementos amortiguadores 14 ser conectados al pivote 7 de tal manera que forme un conjunto unitario 16.
Como puede verse en la Figura 3, los medios de conexión 15 comprenden una parte longitudinal sustancialmente cilíndrica 17 adecuada para ser insertada al menos parcialmente en el orificio 4 del buje 2 y conectada a este último. Dicha parte longitudinal 17 se diseña además para definir un alojamiento 18 para el cojinete plano 13.
La parte inferior 17 de la bisagra 10 se conecta al buje 2 por medio de una pluralidad de primeros tornillos 19 que pasan por orificios convenientes 20 hechos en un anillo de conexión 21.
Los medios de conexión 15 comprenden además un anillo circular sustancialmente transversal colocado en contacto con el borde extremo de un pivote respectivo y unido a la parte longitudinal cilíndrica.
El anillo circular 22 se unirá al borde extremo 9 del pivote 7 mediante tornillos de conexión adecuados y es adecuado para permitir a la pluralidad de elementos amortiguadores elásticos 14 ser alojados en el mismo.
Como se ilustra con mayor detalle en las Figuras 3 y 4, el cojinete plano 13 comprende un primer casquillo cilíndrico autolubricante 24 encajado de forma deslizante en la superficie exterior 8 del pivote correspondiente 7 de la cabeza 3 del árbol, y un segundo casquillo autolubricante 25 montado de forma deslizante en el primer casquillo 24 y anclado a la parte longitudinal 9 a través de un asiento 26.
El asiento 26 se fija al buje por medio de la parte longitudinal 17 de la bisagra 10 mediante tornillos adecuados 27 o elementos de conexión similares.
El cojinete plano 13 tiene dos superficies internas deslizantes esféricas 28, 29 obtenidas respectivamente en el primer casquillo 24 y en el segundo casquillo 25.
La presencia de las superficies esféricas. 28, 29 permite la desalineación del pivote 7 con respecto al eje longitudinal L, evitando así la presencia de cualquier sobrecarga y atascamiento en el caso de desplazamientos angulares entre la parte longitudinal 17 y el pivote 7 durante la aplicación de cargas operativas.
El primer casquillo 24 tiene una superficie exterior sustancialmente cilíndrica 30 lo que contribuye a asegurar su libre rotación alrededor del eje longitudinal L y permite desplazamientos axiales a lo largo de dicho eje entre el pivote 7 y el buje 2.
Convenientemente, el asiento 26 tiene una pared cónica 31 que se coloca en contacto con la superficie exterior sustancialmente cilíndrica 32 del segundo casquillo autolubricante 25.
La posición longitudinal de dicho asiento 26 se puede ajustar de tal manera que bloquee el segundo casquillo 25 en su posición con respecto al buje 2.
De esta forma, es posible variar la posición angular del segundo casquillo autolubricante 25 después de un período predeterminado de funcionamiento, de manera que se reposicione angularmente y se varíe la parte de su superficie esférica 29 diseñada para entrar en contacto con la superficie interior 28 del primer casquillo 24.
Gracias a esta solución, será posible variar las áreas de contacto entre las superficies esféricas 28, 29 de los casquillos 24, 25 pasando de un área desgastada a un área aún no desgastada y así prolongar la vida útil del cojinete 13.
Preferiblemente, es posible proporcionar medios lubricantes, no ilustrados en las figuras, que se diseñan para promover la distribución controlada de un fluido lubricante entre las superficies deslizantes esféricas y cilíndricas 28, 29 de los casquillos 24, 25.
Por ejemplo, dichas superficies 28, 29 se pueden lubricar con grasa y en la bisagra se pueden obtener canales de alimentación de grasa adecuados, no visibles en las figuras.
La alimentación de grasa se puede restaurar periódicamente y los medios de lubricación pueden ser de tipo manual o automático.
Además, se puede agregar grasa periódicamente tanto desde el interior del pivote como desde el exterior del alojamiento.
La unión también puede comprender sellos elásticos 33 o diafragmas elastoméricos posicionados en los extremos del cojinete 13 y adecuados para recoger el exceso de fluido lubricante que se escapa de las superficies esféricas y cilíndricas 28, 29 del cojinete 13.
Cada elemento amortiguador 14 comprende un par de placas de metal 34 que definen sus extremos.
Dentro de las placas 34 hay capas superpuestas alternativamente de un material metálico 35, que tienen una forma plana, cóncava o diferente, y capas de un material elastomérico 36.
El material elastomérico 36 se puede obtener mediante un proceso de curado.
Dichas capas 35, 36 pueden superponerse mutuamente a lo largo de su propio eje de desarrollo y superposición X, como se puede ver en la Figura 5.
Convenientemente, como se puede ver mejor en la Figura 3, los elementos amortiguadores 14 se colocarán en el anillo circular 22 con su eje de desarrollo X sustancialmente paralelo al eje longitudinal L.
Dichos elementos 14 se alojarán a lo largo de la circunferencia del anillo circular metálico 22 y una placa 34 de cada elemento se puede introducir en un rebaje adecuado formado en la superficie exterior 37 del anillo circular 22.
Dicha placa 34 se unirá a la superficie exterior 37 del anillo 22 mediante segundos tornillos de conexión 38 u otros elementos similares.
La otra placa de extremo 34 de cada elemento amortiguador 14 se puede anclar a un sector 40 del anillo anular metálico mediante terceros tornillos de conexión 39, o elementos de conexión equivalentes.
Dicho sector se puede fijar a su vez a la parte longitudinal 17 de la bisagra 10 mediante cuartos tornillos de conexión 41.
Convenientemente, entre los sectores 40 del anillo anular y la parte longitudinal 17 se puede insertar espaciadores anulares 42, en donde dichos espaciadores anulares 42 tienen un grosor predeterminado s adecuado para promover la precompresión axial de las capas elastoméricas 36 durante el apriete de los cuartos tornillos de conexión 41.
Esta configuración específica de los sectores 40 del anillo anular permite ensamblar, precargar y sustituir los elementos amortiguadores 14 por separado e independientemente el uno del otro.
La precompresión de las capas elastoméricas 36 se puede variar reemplazando el espaciador anular 42 por un espaciador de diferente grosor.
Los elementos amortiguadores 14 se puede dimensionar de tal manera como para dar a la bisagra 10 la rigidez axial y la rigidez torsional requeridas por el diseño funcional de la turbina.
Además, los elementos elastoméricos 14 son muy importantes para amortiguar las cargas transmitidas longitudinalmente al pivote 7 de la cabeza de árbol 2 por el buje 2.
Además, los elementos amortiguadores 14 contribuyen a amortiguar las cargas que se transmiten transversalmente al pivote 7 por el buje 2.
La unión 1 puede comprender una cubierta 43 provista de pasajes de inspección de cierre 44 a través de los que es posible posicionar sensores de varios tipos, no ilustrados aquí y diseñados para monitorizar las tensiones que actúan sobre los componentes de la bisagra 10.
Los componentes de la bisagra 10 se pueden inspeccionar desde el interior del buje 2 a través de pozos de registro adecuados que no son visibles en las figuras.
Además, entre los sectores 40 del anillo circular y los correspondientes elementos amortiguadores 14 se pueden interponer células de carga, que tampoco se ilustran en las figuras, en donde dichas células de carga se diseñan para controlar la fuerza axial de la bisagra 10.
Incluso si esta descripción concierne exclusivamente al uso de la unión en el campo de las turbinas eólicas, esta aplicación no debe considerarse como una limitación del alcance de la invención, ya que el dispositivo objeto de la invención se puede instalar también en diferentes miembros de conexión mecánica, tanto en tierra como bajo el agua, siempre que sirvan para la función de conectar un árbol a un buje de manera oscilante.
La presente invención puede llevarse a cabo según otras realizaciones variantes, todas las cuales caen dentro del alcance de las características inventivas reivindicadas y descritas en el presente documento; estas características técnicas pueden obtenerse mediante componentes y materiales diferentes pero técnicamente equivalentes; la invención puede llevarse a cabo en cualquier forma y tamaño, siempre que sean compatibles con su uso previsto.
Los números de referencia y los signos añadidos en las reivindicaciones y la descripción están destinados a hacer que el texto sea más claro de entender y no deben considerarse como elementos destinados a limitar el alcance técnico de aplicación de los objetos o procesos que deben identificar.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Una unión (1) para la conexión oscilante del árbol de rotor (S) de una turbina eólica, que comprende:
- un buje (2) en forma de caja que define un eje longitudinal (L) y que tiene un par de orificios (4) longitudinalmente contrapuestos y alineados entre sí;
- una cabeza de árbol (3) diseñada para conectarse al árbol de rotor (S) y que tiene un par de pivotes cilíndricos (7) diseñados para ser insertados a través de los orificios (4) de dicho buje (2), teniendo cada uno de dichos pivotes (7) una superficie exterior cilíndrica (8) y un borde de extremo transversal (9);
- un par de bisagras (10) ubicadas en la proximidad de dicho par de orificios (4) para promover la conexión oscilante de dichos pivotes (7) al buje (2);
en donde cada bisagra (10) comprende:
- un cojinete plano (13) montado sobre la superficie exterior (8) de un pivote correspondiente (7) para permitir el desplazamiento axial del mismo con respecto a dicho eje longitudinal (L);
- una pluralidad de miembros amortiguadores elásticos (14) que interactúan operativamente con el borde extremo (9) de dicho pivote (7) para amortiguar la oscilación aplicada sobre el mismo a lo largo y alrededor del eje longitudinal (L);
- medios de conexión (15) diseñados para conectar recíprocamente dicho cojinete plano (13) a dicha pluralidad de miembros amortiguadores (14) de modo que para formar un conjunto integral (16), dichos medios de conexión (15) comprenden una parte longitudinal sustancialmente cilíndrica (17) conectada al buje (2) y diseñada para ser al menos parcialmente insertada en el respectivo orificio (4);
caracterizada por que cada cojinete plano (13) comprende un primer casquillo autolubricante (24) insertado en la superficie exterior (8) de dicho pivote (7) y un segundo casquillo autolubricante (25) montado de forma deslizante en dicho primer casquillo (24) y anclado a dicha parte longitudinal (17) por un asiento (26), teniendo dicho primer casquillo autolubricante (24) y dicho segundo casquillo autolubricante (25) respectivas superficies de deslizamiento esféricas internas (28, 29).
2. Unión según la reivindicación 1, en donde dicha parte longitudinal (17) define un alojamiento (18) para dicho al menos un cojinete plano (13), estando dicha parte longitudinal (17) unida a dicho buje (2) mediante un anillo anular (21) con primeros tornillos de conexión (19).
3. Unión según la reivindicación 2, en donde dichos medios de conexión (15) comprenden un anillo sustancialmente transversal (22) unido a dicha parte longitudinal (17) y en contacto con el borde extremo (9) de un pivote respectivo (7), estando dicho anillo transversal (22) diseñado para alojar dicha pluralidad de elementos amortiguadores elásticos (14).
4. Unión según la reivindicación 2, caracterizada por que dicho asiento (26) se conecta a: dicha parte longitudinal (17) de dichos medios de conexión (15).
5. Unión según la reivindicación 4, en donde dicho asiento (26) tiene una pared en forma de cono (31) en contacto con la superficie exterior (32) de dicho segundo casquillo autolubricante (25), siendo dicho asiento (26) ajustable longitudinalmente para bloquear selectivamente la posición de dicho segundo casquillo (25) con respecto a dicho buje (2).
6. Unión según la reivindicación 1, en donde se proporcionan medios de lubricación para promover la distribución controlada de un líquido lubricante entre dichas superficies deslizantes esféricas (28, 29) y dichas superficies cilíndricas (30, 32) de dichos casquillos (24, 25).
7. Unión según la reivindicación 6, en donde se proporciona un par de sellos elásticos (33), estando dichos sellos elásticos (33) ubicados en los extremos de cada cojinete (13) para recoger el exceso de líquido lubricante que gotea de las superficies (28, 29; 30, 32) de dicho cojinete (13).
8. Unión según la reivindicación 3, en donde cada elemento amortiguador (14) comprende un par de placas metálicas extremas (34) y unas capas metálicas (35) alternadas con capas elastoméricas (36) se colocan entre ellas, estando dichas capas metálicas (35) y dichas capas elastoméricas (36) superpuestas a lo largo de un eje alargado predeterminado (X).
9. Unión según la reivindicación 8, en donde los miembros amortiguadores (14) de dicha pluralidad se disponen a lo largo de la extensión de dicho anillo circular (22) con su eje alargado (X) sustancialmente paralelo a dicho eje longitudinal (L).
10. Unión según la reivindicación 9, en donde cada uno de dichos miembros amortiguadores (14) se aloja en un rebaje correspondiente formado en la superficie exterior (37) de dicho anillo circular (22), estando una placa de extremo (34) de cada miembro amortiguador (14) anclada a la superficie exterior (37) de dicho anillo circular (22) mediante segundos tornillos de conexión (38) o miembros de conexión similares.
11. Unión según la reivindicación 10, en donde la otra placa de extremo (34) de cada miembro amortiguador (14) se ancla a un sector circular de anillo correspondiente (40) mediante terceros tornillos de conexión (39) o miembros de conexión similares, estando dichos sectores de anillo circular (40) a su vez unidos a dicha parte longitudinal (17) de dicha bisagra (10) mediante cuartos tornillos de conexión (41).
12. Unión según la reivindicación 11, en donde se proporcionan espaciadores anulares (42), teniendo dichos espaciadores (42) un grosor predeterminado (s) y estando interpuestos entre dicho anillo circular (40) y dicha parte longitudinal (17) para promover la precarga axial de las capas elastoméricas (36) de dicho miembro amortiguador (14) cuando las capas elastoméricas (36) son precargadas por cuartos tornillos de conexión (41).
ES18712648T 2017-02-23 2018-02-22 Unión para la conexión oscilante del rotor a un árbol de turbina eólica Active ES2865523T3 (es)

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