ES2903524T3 - Conjunto de soporte del par para un engranaje de transmisión de energía eólica - Google Patents

Abstract

Conjunto de soporte de par para un engranaje de transmisión de energía eólica (3) para la transmisión de una fuerza de apoyo a una estructura de soporte (7) de un aerogenerador, previéndose por el lado del engranaje al menos un brazo de apoyo radial (11) con una abertura (12) correspondiente para la recepción de un perno de apoyo horizontal (14), que establece una conexión desmontable con al menos una abertura (13a; 13b) correspondiente de una unidad de ojetes de soporte (9) dispuesta en la estructura de soporte (7), estando la al menos una abertura de paso (13a; 13b) de la unidad de ojetes de soporte (9) provista de un casquillo de cojinete de elastómero (15a; 15b) de diferente rigidez en función de la carga, en el que se inserta el perno de apoyo (14), estando el casquillo de cojinete de elastómero (15a; 15b) compuesto por al menos una zona más blanda (16) de menor rigidez y al menos una zona más dura (17) de mayor rigidez, estableciendo la zona más blanda (16) de menor rigidez un contacto permanente entre la unidad de ojetes de apoyo (9) y el perno de apoyo (14), mientras que la zona más dura (17) de mayor rigidez sólo entra en contacto entre la unidad de ojetes de soporte (9) y el perno de apoyo (14) a partir de una carga mínima definida, caracterizado por que la zona más blanda (16) de menor rigidez está formada por un anillo exterior (18) moldeado en la misma que es más estrecho que la longitud total del casquillo de cojinete de elastómero (15a, 15b).

Description

DESCRIPCIÓN

Conjunto de soporte del par para un engranaje de transmisión de energía eólica

La presente invención se refiere a una conjunto de soporte de par adecuada para un engranaje de transmisión de energía eólica para la transmisión de una fuerza de apoyo a una estructura de soporte de un aerogenerador, previéndose por el lado del engranaje al menos un brazo de apoyo radial con una abertura asignada para la recepción de un perno de apoyo horizontal que establece una conexión desmontable con al menos una abertura correspondiente a la misma de una unidad de ojetes de soporte dispuesta en la estructura de soporte. La invención se refiere además a un aerogenerador para la generación de energía eléctrica con un engranaje de transmisión de energía eléctrica dotado de un conjunto de soporte de par de este tipo.

El campo de aplicación de la presente invención abarca principalmente aerogeneradores que, a diferencia de los denominados rotores directos, están provistos de un engranaje de transmisión de energía eólica, dispuesto entre el rotor y un generador eléctrico, para la transmisión del par del rotor a velocidades más elevadas. El apoyo horizontal del eje principal de los aerogeneradores convencionales se produce por medio de un cojinete de tres o cuatro puntos, compuesto por un rodamiento de par o por dos rodamientos individuales, que transmite las fuerzas de peso, así como los momentos de guiñada y cabeceo del rotor que se producen, totalmente a un soporte de la máquina. El soporte de la máquina constituye la estructura de apoyo fija para el tren de transmisión del aerogenerador. Un soporte de par dispuesto en el engranaje de transmisión de energía eólica sólo tiene que transferir el par de reacción a la estructura de soporte en el marco del cojinete de cuatro puntos. Este cojinete de cuatro puntos evita la introducción de fuerzas de peso y también de momentos de guiñada y cabeceo del rotor en el engranaje de transmisión de energía eólica. Además, la sustitución del engranaje en caso de reparación del engranaje resulta comparativamente sencilla. Con este fin, el soporte de par establece conexión desmontable entre el engranaje de transmisión de energía eólica y la estructura de soporte. Para la reducción de vibraciones, el soporte de par comprende con frecuencia al menos un elemento elastomérico que se encuentra en el flujo de torsión para aislar una transmisión de vibraciones a esta estructura de soporte. La presente invención aborda esta cuestión.

En el documento DE 102010 044 297 A1 se muestra un conjunto de soporte de par, que en este caso consiste en dos soportes pendulares dispuestos a ambos lados de un engranaje de transmisión de energía eólica. Esta forma de construcción de soportes de par convierte el par de reacción, que se debe desviar del engranaje de transmisión de energía eólica, en fuerzas de tracción y compresión. Mientras que los soportes pendulares son soportes de par bastante blandos con importantes deformaciones operativas, la rigidez en dirección transversal es muy baja. La forma de construcción aquí revelada de un soporte de par de orientación vertical está diseñada para soportar pares del orden de aproximadamente 3000 kNm. El soporte de par comprende una placa de torsión que se fija en la carcasa del engranaje de transmisión de energía eólica a través de una pluralidad de tornillos. Durante el funcionamiento del aerogenerador se produce un par de reacción derivado del movimiento de rotación del rotor, que se transmite a través de su cubo a un eje de transmisión y, a través de éste, a la entrada del engranaje de transmisión de energía eólica. Este par de reacción se apoya en el soporte de máquina del aerogenerador. El soporte de máquina, que constituye la estructura de soporte, es en una placa base dispuesta en una góndola del aerogenerador. El soporte de par consiste esencialmente en la mencionada placa de torsión, que desemboca en un perfil en U, que se ajusta a un elemento de amortiguación que, en el curso posterior de la fuerza, transmite la fuerza de apoyo a la estructura de soporte.

En cambio, el documento DE 10 2014 215 020 A1 describe un conjunto de soporte de par genérico diseñado de acuerdo con el principio de buje - perno. En este caso se moldea en la carcasa del engranaje de transmisión de energía eólica un brazo de apoyo que se extiende radialmente desde el mismo y que está provisto de una abertura para la recepción de un perno. En la forma de realización aquí revelada, el engranaje de transmisión de energía eólica presenta dos brazos de apoyo radiales dispuestos uno frente al otro en la carcasa, entre los que se produce una división del par de reacción a desviar. El perno de apoyo, que se extiende horizontalmente, establece una conexión desmontable con una abertura correspondiente, aquí no representada, de una unidad de ojetes de soporte de la estructura de soporte. A diferencia de los soportes pendulares descritos anteriormente, los soportes de par de este tipo están sometidos fundamentalmente a fuerzas de cizallamiento y flexión.

Los aerogeneradores con un concepto de apoyo del tipo antes descrito presentan una oscilación propia en la que todo el tren motriz puede empezar a tambalearse. Este bamboleo, en el que también interviene el engranaje de transmisión de energía eólica, provoca grandes fuerzas verticales en dirección a la estructura de soporte. Si la vibración de resonancia está dentro del rango de pares de giro de funcionamiento del aerogenerador, también se manifiesta normalmente en fuertes ruidos perturbadores. Estas vibraciones de resonancia aparecen generalmente cuando la velocidad del viento disminuye, y el ruido de enmascaramiento originado por las palas del rotor, aunque de bajo volumen, provoca un tono de resonancia agudo.

Estas vibraciones de resonancia perturbadoras se pueden evitar siempre que no sean provocadas por el engranaje de transmisión de energía eólica. Teóricamente cabe la posibilidad de emplear un engranaje de energía eólica cuyas frecuencias de excitación no se solapen con las vibraciones propias del tren motriz en el rango de velocidades de funcionamiento. Sin embargo, esto limita en gran medida las opciones de selección con respecto al engranaje de transmisión de energía eólica. Además, también es concebible reducir la frecuencia propia que conduce a la vibración del tren motriz de manera que no se superponga con las frecuencias de excitación del engranaje de transmisión de energía eólica en el rango de velocidades de funcionamiento. Sin embargo, esta solución sólo es posible si se aumenta considerablemente la masa del engranaje de transmisión de energía eólica o si se reduce considerablemente la rigidez de los soportes de par. En este caso, los soportes de par se tendrían que montar en cojinetes especialmente blandos. No obstante, esta medida también reduce notablemente la vida útil de los soportes de par, por lo que este enfoque de solución parece poco práctico.

Otro conjunto de soporte de par se revela en el documento CN 104864013 A.

Por lo tanto, el objetivo de la presente invención es el de proporcionar un conjunto de soporte de par para un engranaje de transmisión de energía eólica para la transmisión de una fuerza de apoyo a una estructura de soporte de un aerogenerador, con el que se reduzcan eficazmente las vibraciones de resonancia del tren de transmisión con medios técnicos sencillos sin perjudicar la vida útil del conjunto de soporte de par.

La invención incluye la teoría técnica de que la al menos una abertura de la unidad de ojetes de soporte pueda estar provista de un casquillo de cojinete de elastómero que, en función de la carga, presente una rigidez diferente y que se inserte en el perno de apoyo. Este casquillo de cojinete de elastómero especial comprende una zona blanda de baja rigidez y al menos una zona más dura de mayor rigidez.

En otras palabras, se propone un casquillo de cojinete de elastómero con diferentes rangos de rigidez, con el que se pueda conseguir un soporte de par en función de la carga. Los diferentes rangos de rigidez se pueden realizar mediante el diseño geométrico del casquillo de cojinete de elastómero.

Según la invención, la zona blanda de menor rigidez establece un contacto permanente entre el brazo de apoyo y el perno de apoyo, de modo que esta zona garantice el flujo de fuerza a través del soporte de par en la zona de baja carga. En cambio, la zona dura de mayor rigidez sólo entra en contacto entre el brazo de apoyo y el perno de apoyo a partir de una carga mínima definida, por lo que esta zona dura sólo garantiza el flujo de fuerza a partir de una carga mayor. Esta medida conduce, en caso de cargas menores en el soporte de par y velocidades más bajas, a vibraciones de resonancia reducidas, sin reducir la vida útil del casquillo del cojinete de elastómero. Esto se debe a que, en esta situación, la carga que provoca el desgaste es baja, produciéndose, a pesar de ello, un soporte de par suficiente. Sin embargo, si la carga sobre el soporte de torsión aumenta hasta superar la carga mínima definida, esta situación se manifiesta en que la zona dura entra en contacto entre el brazo de apoyo y el perno de apoyo, de modo que el flujo de fuerza esencial se conduce a través de la misma. En esta situación, las altas vibraciones de resonancia vinculadas a la alta carga se reducen a velocidades elevadas. Esto garantiza una larga vida útil del casquillo de cojinete de elastómero gracias a la gran rigidez que actúa en esta situación. En este caso, cabe la posibilidad de adaptar, mediante el cambio de la proporción de la zona blanda respecto a la zona dura, la reducción de las vibraciones de resonancia al espectro de frecuencias existente en un aerogenerador. La adaptación se puede llevar a cabo de forma que la resonancia sólo se reduzca para aquellas frecuencias que se excitarían en caso de una disminución del par, con el fin de eliminar los tonos de interferencia que se producen especialmente en esta situación, sin que la vida útil del casquillo de cojinete de elastómero se vea perjudicada por la baja rigidez de la zona blanda efectiva. De hecho, la vida útil del casquillo del cojinete de elastómero está dominada fundamentalmente por las situaciones de funcionamiento con mayores cargas, es decir, en particular en situaciones de alta velocidad. En este sentido, la zona más dura y resistente al desgaste del casquillo de cojinete de elastómero crea una especie de marco protector para la zona blanda del casquillo de cojinete de elastómero necesaria preferiblemente para la amortiguación de la resonancia en situaciones de disminución de la velocidad.

Según una forma de realización no reivindicada del casquillo de cojinete de elastómero para su uso en soportes de par en engranajes de transmisión de energía eólica, se propone que la zona blanda del casquillo de cojinete de elastómero con distinta rigidez en función de la carga presente una rigidez de rodadura de hasta un 50% menor que la de la zona dura. Este dimensionamiento representa un valor óptimo entre la reducción de las típicas vibraciones de resonancia y una larga vida útil. La rigidez de un casquillo de cojinete de elastómero suele expresarse en Newton por metro (N/m). Si se conoce la distancia entre un casquillo de cojinete de elastómero y un perno, es más representativa la rigidez de rodadura resultante, que se expresa en Nm/rad. En la aplicación según la invención, la rigidez de rodadura suele ser de 4E8 Nm/rad a 4E9 Nm/rad, dependiendo de la clase de potencia del aerogenerador, del número de casquillos de rodamiento, etc. Una rigidez de rodadura de la zona blanda de hasta un 50% menor conduce a una reducción teórica de la frecuencia máxima de hasta un 30%, aproximadamente. Una reducción de la frecuencia del 15% ya tiene una influencia considerable en el comportamiento de la resonancia, que suele estar en un rango entre 40Hz y 100Hz > -15% > 35Hz a 85Hz. Esta reducción de la frecuencia ya provoca un desplazamiento de los tonos de interferencia hacia la gama no audible.

Con preferencia conviene que la zona de menor rigidez se conecte en serie con la zona dura de mayor rigidez. De este modo se puede garantizar de manera sencilla que las dos zonas de rigidez diferentes del casquillo de cojinete de elastómero surtan efecto uno tras otro según se desee cuando la carga aumente o disminuya. Para una implementación constructiva de una conexión en serie como ésta se pueden concebir soluciones constructivas totalmente distintas. Existe, por ejemplo, la posibilidad de configurar la zona blanda de menor rigidez mediante al menos un anillo exterior moldeado en un casquillo de cojinete de elastómero cilíndrico hueco.

Este ejemplo de realización constructiva de la solución según la invención puede implementarse con poco esfuerzo en términos de tecnología de producción. En este caso, el casquillo de cojinete de elastómero puede consistir en su conjunto en el mismo material elastomérico, y la zona blanda de menor rigidez se produce como consecuencia de la geometría del anillo exterior, cuya altura es menor que la altura total del casquillo de cojinete de elastómero. Variando la altura del anillo exterior en relación con la altura de todo el casquillo de cojinete de elastómero, se puede llevar a cabo de forma sencilla el dimensionamiento del casquillo de cojinete de elastómero con respecto a la zona blanda en combinación con la zona dura.

Una variante de realización no reivindicada puede implementarse estructuralmente configurando la superficie de camisa o la abertura del casquillo de cojinete de elastómero de forma cónica. En esta variante de realización, con el aumento de la carga la unidad de ojetes de soporte o el perno de apoyo entraría cada vez más en contacto con el material del casquillo de cojinete de elastómero de la zona cónica, con lo que se incrementa la rigidez del cojinete.

De acuerdo con otra forma de realización no reivindicada, se propone que el casquillo de cojinete de elastómero presente una zona blanda formada por un anillo de elastómero blando insertado de manera radialmente interior y/o radialmente exterior en un cuerpo elastomérico duro de sección transversal fundamentalmente en forma de H. También es posible omitir el anillo de elastómero blando, cuya función es asumida, en este caso, por una ranura perimetral equivalente. Cuando la carga es reducida, la rigidez del casquillo de cojinete de elastómero la determinan principalmente los dos flancos estrechos de elastómero duro en los bordes y el al menos un anillo de elastómero blando o la al menos una ranura perimetral. En caso de una carga elevada, el anillo de elastómero blando, en el supuesto de que exista, se comprime y aumenta la rigidez del casquillo de cojinete de elastómero, cuya rigidez varía, según la invención, en función de la carga.

La al menos una abertura de la unidad de ojetes de soporte debería presentar preferiblemente un diámetro mayor que el diámetro de la abertura en el brazo de apoyo para la recepción del casquillo de cojinete de elastómero. En combinación con esta medida, el perno de apoyo interactúa directamente con la abertura del brazo de apoyo, configurándose la conexión preferiblemente como ajuste forzado. Una protección adicional de la posición del perno de apoyo se consigue mediante anillos de retención o similares.

Según una forma de realización preferida, la unidad de ojetes de soporte consiste en dos ojetes de soporte dispuestos paralelamente y a distancia entre sí, en cuyo espacio intermedio encaja el brazo de apoyo. La abertura en el brazo de apoyo y la al menos una abertura en la unidad de ojetes de soporte están alineados entre sí para recibir el perno de apoyo. En esta forma de realización se emplean dos casquillos de cojinete de elastómero asignados respectivamente a uno de los ojetes de la unidad de ojetes de soporte. Los dos casquillos de cojinete de elastómero se configuran preferiblemente de manera idéntica y actúan de modo aditivo.

Otras medidas que mejoran la invención se ilustran a continuación con más detalle a la vista de las figuras junto con la descripción de unos ejemplos de realización preferidos de la invención. Se muestra en la:

Figura 1 una representación esquemática de un tren de transmisión de un aerogenerador con un engranaje de transmisión de energía eólica dotado de un conjunto de soporte de par;

Figura 2 una sección longitudinal esquemática del conjunto de soporte de par de la figura 1;

Figura 3 una sección longitudinal en detalle del casquillo de cojinete de elastómero de la figura 2;

Figura 4 una sección transversal en detalle de un casquillo de cojinete de elastómero según una forma de realización no reivindicada y

Figura 5 una sección transversal en detalle de un casquillo de cojinete de elastómero según otra forma de realización no reivindicada.

De acuerdo con la figura 1, un tren de transmisión de un aerogenerador representado aquí esquemáticamente comprende un rotor 1 que puede ser accionado por el viento, cuyo movimiento de rotación se transmite a través de un eje del rotor 2 por el lado de entrada de un engranaje de transmisión de energía eólica 3. Por el lado de salida, el engranaje de transmisión de energía eólica 3 impulsa con una velocidad mayor un generador eléctrico 4 para la generación de energía eléctrica. El eje del rotor 2 tiene varios apoyos, en concreto, por el lado del rotor un rodamiento fijo 5 y por el lado del engranaje un rodamiento flotante 6. El rodamiento fijo 5, el rodamiento flotante 6, el generador 4 y también el engranaje 3 se apoyan en una estructura de soporte 7 (indicada esquemáticamente). Para ello, el engranaje de transmisión de energía eólica 3 está provisto de un conjunto de soporte de par 8.

El conjunto de soporte de par representado en detalle en la figura 2 consiste fundamentalmente en una unidad de ojetes de soporte 9 compuesta aquí por dos ojetes de soporte 9a y 9b dispuestos paralelamente y a distancia entre sí, que se fijan en la estructura de soporte 7 del aerogenerador. Los dos ojetes de soporte 9a y 9b forman un espacio intermedio 10 en el que encaja un brazo de apoyo 11 moldeado en la carcasa del engranaje de transmisión de energía eólica 3 de manera que su abertura 12 coincida en su alineación con las aberturas 13a y 13b de los ojetes de soporte 9a y 9b. Los dos ojetes de soporte 9a y 9b de la unidad de ojetes de soporte 9, así como el brazo de apoyo 11 del engranaje de transmisión de energía eólica 3, no representado en detalle, se han fabricado de un material de acero mecanizado con arranque de virutas, habiéndose producido las aberturas 12, 13a y 13b mediante perforación. Un perno de apoyo cilíndrico 14, también de acero, está conectado a la abertura 12 del brazo de apoyo 11 mediante un ajuste forzado. Los brazos de ambos lados del perno de apoyo 14 atraviesan las aberturas 13a y 13b de los dos ojetes de soporte 13a y 13b, disponiéndose entre ellos respectivamente un casquillo de cojinete de elastómero especial 15a y 15b según la presente invención. Para la recepción de los dos casquillos de cojinete de elastómero 15a y 15b, las dos aberturas 13a y 13b de la unidad de ojetes de soporte 9 presentan un diámetro mayor que el diámetro de la abertura 12 del brazo de apoyo 11.

Según la figura 3, el casquillo de cojinete de elastómero 15a representado a modo de ejemplo presenta una zona blanda 16 de baja rigidez y una zona 17 de mayor rigidez adyacente a la primera. La zona 16 de baja rigidez está en contacto permanente con el ojete de soporte, no representado en detalle. En cambio, la zona más dura 17 sólo entra en contacto con el ojete a partir de una carga mínima definida. Esto se consigue gracias a que la zona blanda 16 de menor rigidez está formada por un anillo exterior 18 moldeado en la misma., El anillo exterior 18, que es más estrecho frente a la longitud total del casquillo de cojinete de elastómero 15a, forma la zona blanca 16.

En el ejemplo de realización no reivindicado según la figura 4, la superficie de camisa exterior del casquillo de cojinete de elastómero 15a' se ha configurado de forma cónica, por lo que se produce una transición gradual de la zona blanda 16 a la zona dura 17.

En el ejemplo de realización no reivindicado según la figura 5, el casquillo de cojinete de elastómero 15" presenta una zona blanda 16 dispuesta en el centro, formada por sendos anillos de elastómero blando 19a y 19b insertados radialmente en el interior y radialmente en el exterior en un cuerpo de elastómero duro 20 con una sección transversal fundamentalmente en forma de H. Esto también puede omitirse si es necesario. Por lo tanto, la zona dura 17 se encuentra en el núcleo de este casquillo de cojinete de elastómero 15".

La invención no se limita a las formas de realización preferidas antes descritas de un casquillo de cojinete de elastómero. También son posibles otras variantes de realización. La invención se define en las siguientes reivindicaciones.

Cabe la posibilidad de diseñar la rigidez del casquillo de cojinete de elastómero de acuerdo con las necesidades mediante la selección de diferentes materiales. La zona blanda del casquillo de cojinete de elastómero puede consistir, por ejemplo, en un material de elastómero con una dureza Shore inferior a la de la zona más dura. Un casquillo de cojinete de elastómero de este tipo se puede fabricar en una o varias piezas. Se puede sobreponer, por ejemplo, un anillo de elastómero blando sobre un anillo de elastómero duro. En caso de desgaste, sólo se tiene que sustituir el anillo de elastómero blando, mientras que el anillo de elastómero duro se puede seguir utilizando.

Lista de referencias

1 Rotor

2 Eje del rotor

3 Engranaje de transmisión de energía eólica

4 Generador eléctrico

5 Rodamiento fijo

6 Rodamiento flotante

7 Estructura de soporte

8 Conjunto de soporte de par

9 Unidad de ojetes de soporte

10 Espacio intermedio

11 Brazo de apoyo

12 Abertura de paso

13 Abertura de paso

Perno de apoyo

Casquillo de cojinete de elastómero Zona blanda

Zona dura

Anillo exterior

Anillo de elastómero blando Cuerpo de elastómero duro

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Conjunto de soporte de par para un engranaje de transmisión de energía eólica (3) para la transmisión de una fuerza de apoyo a una estructura de soporte (7) de un aerogenerador, previéndose por el lado del engranaje al menos un brazo de apoyo radial (11) con una abertura (12) correspondiente para la recepción de un perno de apoyo horizontal (14), que establece una conexión desmontable con al menos una abertura (13a; 13b) correspondiente de una unidad de ojetes de soporte (9) dispuesta en la estructura de soporte (7), estando la al menos una abertura de paso (13a; 13b) de la unidad de ojetes de soporte (9) provista de un casquillo de cojinete de elastómero (15a; 15b) de diferente rigidez en función de la carga, en el que se inserta el perno de apoyo (14), estando el casquillo de cojinete de elastómero (15a; 15b) compuesto por al menos una zona más blanda (16) de menor rigidez y al menos una zona más dura (17) de mayor rigidez, estableciendo la zona más blanda (16) de menor rigidez un contacto permanente entre la unidad de ojetes de apoyo (9) y el perno de apoyo (14), mientras que la zona más dura (17) de mayor rigidez sólo entra en contacto entre la unidad de ojetes de soporte (9) y el perno de apoyo (14) a partir de una carga mínima definida, caracterizado por que la zona más blanda (16) de menor rigidez está formada por un anillo exterior (18) moldeado en la misma que es más estrecho que la longitud total del casquillo de cojinete de elastómero (15a, 15b).

2. Conjunto de soporte de par según la reivindicación 1, caracterizado por que la al menos una abertura (13a; 13b) de la unidad de ojetes de soporte (9) tiene un diámetro mayor que el diámetro de la abertura (12) del brazo de apoyo (11) para la recepción del casquillo de cojinete de elastómero (15a; 15b).

3. Conjunto de soporte de par según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el perno de apoyo (14) forma un ajuste forzado con la abertura (12) en el brazo de soporte (11).

4. Conjunto de soporte de par según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la unidad de ojetes de soporte (9) consta de dos ojetes de soporte (9a, 9b) dispuestos de forma paralela y a distancia entre sí, en cuyo espacio intermedio (10) en brazo de apoyo (11) encaja de manera que su abertura de paso (12) esté alineada con las aberturas de paso (13a, 13b) por el lado de los ojetes de soporte (9a, 9b).

5. Conjunto de soporte de par según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la unidad de ojetes de soporte (9) y el brazo de apoyo (11) se fabrican de un material de acero mecanizado con arranque de virutas.

6. Aerogenerador para la producción de energía eléctrica con un engranaje de transmisión de energía eólica (3) montado en una estructura de soporte (7), caracterizado por al menos un conjunto de soporte de par según una de las reivindicaciones anteriores dispuesto entre el engranaje de transmisión de energía eólica (3) y la estructura de soporten (7).