ES2906450T3

ES2906450T3 - Turbina eólica con tren de potencia compacto de una etapa

Info

Publication number: ES2906450T3
Application number: ES12189373T
Authority: ES
Inventors: Adam Daniel Minadeo; James Henry Madge; Priyangu Chunilal Patel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2022-04-18
Anticipated expiration: 2032-10-22
Also published as: EP2587056A3; EP2587056B1; US8338980B2; EP2587056A2; CN103075308B; US20120133154A1; DK2587056T3; CN103075308A

Abstract

Una turbina eólica (100), que comprende: una torre (110); una góndola (120) dispuesta sobre dicha torre; una estructura principal (180) montada estacionariamente dentro de dicha góndola; palas individuales (130) de rotor conectadas a un buje de rotor (140); un tren de potencia (10) dispuesto dentro de dicha góndola (120), dicho tren de potencia comprendiendo: una multiplicadora (12) montada directamente en dicho buje de rotor, dicha multiplicadora comprendiendo un eje de salida (34); dicha multiplicadora (12) comprendiendo además un soporte de engranaje estacionario (14) montado en dicha estructura principal, en el que dicha multiplicadora (12) soporta sustancialmente el peso de dicho buje de rotor; un generador (16), dicho generador (16) comprendiendo un rotor de generador (20) y un estator de generador estacionario (22), dicho soporte de engranaje estacionario (14) estando dispuesto axialmente por delante de dicho estator de generador estacionario (22), dicho estator de generador estacionario (22) estando montado en dicha estructura principal, dicho eje de salida (34) estando acoplado a dicho rotor de generador (20) y en el que dicha multiplicadora (12) soporta sustancialmente el peso de dicho rotor de generador (20); un buje estriado (42) montado en dicho rotor del generador (20), dicho eje de salida (34) acoplado a dicho buje estriado (42) para accionar rotativamente dicho rotor del generador (20); y un rodamiento de buje estriado (44) montado en dicho soporte de engranajes (14) concéntrico a dicho buje estriado (42).

Description

DESCRIPCIÓN

Turbina eólica con tren de potencia compacto de una etapa

[0001] La presente materia se refiere en general a un tren de potencia compacto. Más concretamente, la materia se refiere a un tren de potencia compacto con engranajes para una turbina eólica.

[0002] Las turbinas eólicas están recibiendo cada vez más atención como una fuente de energía alternativa segura para el medio ambiente y relativamente barata. Las turbinas eólicas no emiten gases de efecto invernadero (GEI) y, por tanto, no contribuyen al calentamiento global. Con el creciente interés por la electricidad generada por el viento, se han realizado esfuerzos considerables para desarrollar turbinas eólicas que sean fiables y eficientes.

[0003] Normalmente, las turbinas eólicas se utilizan para convertir la energía cinética del viento en potencia mecánica. Esta potencia mecánica puede utilizarse para tareas específicas (como el bombeo de agua) o un generador puede convertir esta potencia mecánica (es decir, la rotación de un eje) en electricidad. Una turbina eólica suele incluir un mecanismo aerodinámico (por ejemplo, palas) para convertir el movimiento del aire en un movimiento mecánico (por ejemplo, la rotación), que luego se convierte con un generador en potencia eléctrica. La potencia del generador es proporcional al cubo de la velocidad del viento. Cuando la velocidad del viento se duplica, la capacidad de los generadores eólicos se multiplica casi por ocho.

[0004] La mayoría de las turbinas eólicas disponibles en el mercado utilizan trenes de potencia de engranajes de varias etapas para conectar las palas de la turbina con los generadores eléctricos. El viento hace girar las palas de la turbina, que hacen girar un eje de baja velocidad. El eje de baja velocidad se acopla a un eje de entrada de una multiplicadora, que tiene un eje de salida de mayor velocidad conectado a un generador. Así, el accionamiento por engranajes tiene como objetivo aumentar la velocidad del movimiento mecánico. Se describen varios ejemplos, por ejemplo, con referencia a los documentos DE 102009016329, US 2011/0068583 y DE 102007012408.

[0005] La mayoría de los trenes de potencia por engranajes de las turbinas eólicas existentes de potencia >1 MW utilizan múltiples etapas de engranajes para lograr relaciones de transmisión que van desde aproximadamente 1:70 hasta aproximadamente 1:110. Las tres etapas suelen comprender una primera etapa planetaria simple o epicicloidal, seguida de dos etapas de desplazamiento paralelo (engranaje principal engranaje secundario) o una segunda etapa planetaria simple seguida de una etapa de desplazamiento paralelo. La elevada relación de transmisión permite que el generador sea sustancialmente más pequeño y de menor coste que la multiplicadora. La velocidad relativamente alta del generador obliga a éste a tener una relación de aspecto más larga que ancha, con refrigeración radial. El eje de salida de alta velocidad de la multiplicadora no suele ser concéntrico con el eje de entrada de baja velocidad de la multiplicadora. Por estas razones, el generador se monta por separado y distanciado de la multiplicadora en una estructura principal (también llamada comúnmente bastidor o bancada). La potencia se transfiere de la multiplicadora al generador a través de un acoplamiento de eje flexible de "alta velocidad". Esta disposición obliga a la multiplicadora y al generador a estar físicamente distanciados entre sí, además de que requiere que tanto el eje de salida de la multiplicadora como el eje de entrada del generador estén soportados por separado en los rodamientos de la multiplicadora y en los rodamientos del generador, respectivamente.

[0006] Por lo tanto, la industria eólica desea una configuración más óptima de un tren de potencia con engranajes para proporcionar una mayor fiabilidad y disponibilidad, un coste reducido, una masa y un tamaño menores y una mayor eficiencia.

[0007] Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden resultar claros a partir de la descripción, o pueden aprenderse mediante la práctica de la invención.

[0008] Se proporcionan así varios aspectos y realizaciones de la presente invención, tal como se definen en las reivindicaciones adjuntas.

[0009] El eje de salida puede estar acoplado al rotor del generador mediante diversos dispositivos. Según la invención, se monta un buje estriado en el rotor, con el eje de salida acoplado al buje estriado. Un rodamiento del buje estriado está montado en el soporte del engranaje concéntrico al buje estriado.

[0010] Las realizaciones de la presente invención también abarcan cualquier configuración de una turbina eólica que tenga un tren de potencia como el aquí plasmado.

[0011] Varias características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y a las reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan a esta especificación y forman parte de ella, ilustran realizaciones de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la misma.

En los dibujos:

La Fig. 1 es una vista en perspectiva de una turbina eólica convencional;

La Fig. 2 es una vista en perspectiva parcial de una turbina eólica con un tren de potencia de acuerdo con aspectos de la invención;

La fig. 3 es una vista en corte de una realización de un tren de potencia que puede utilizarse en la turbina eólica de la fig. 2; y

La Fig. 4 es una vista en corte más detallada de una realización de un tren de potencia representativo.

[0012] A continuación se hará referencia en detalle a las realizaciones de la invención, uno o más ejemplos de las cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, no de limitación de la misma. De hecho, será evidente para los expertos en la materia que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la misma, que se define por las reivindicaciones adjuntas.

[0013] Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de una realización pueden utilizarse con otra realización para obtener otra realización más. Por lo tanto, se pretende que la presente invención abarque las modificaciones y variaciones que entren en el ámbito de las reivindicaciones adjuntas.

[0014] En la Fig. 1 se ilustra una turbina eólica comercial convencional de eje horizontal (HAWT) 100. La turbina eólica 100 incluye una torre tubular 110, que suele estar fabricada en acero u hormigón y que puede erigirse apilando varios segmentos de torre uno encima de otro. La torre 110 soporta el peso de la góndola 120, las palas 130 y el buje de rotor 140. La torre 110 también puede ser de tipo celosía (o cercha). La góndola 120 suele albergar los componentes del tren de potencia (por ejemplo, la multiplicadora, los ejes, los acoplamientos, el generador, etc.), así como la estructura principal 180 (también llamada "bastidor" o "bancada") sobre el que se montan los componentes del tren de potencia. Refiriéndose a la Fig. 2, los accionamientos de orientación 160 pueden estar acoplados a una corona dentada 170 para girar la estructura principal 180 (y la góndola 120) con respecto a la torre 110. Otros elementos, como la electrónica de control, pueden estar también alojados dentro de la góndola 120. Generalmente, la góndola 120 tiene un revestimiento exterior compuesto por un material ligero como fibra de vidrio o un compuesto de grafito. La función principal del revestimiento de la góndola es proteger el tren de potencia y los componentes de control de los elementos (por ejemplo, lluvia, hielo, nieve, etc.).

[0015] Las palas 130 están conectadas al buje de rotor 140, y el buje 140 puede contener un mecanismo de control de pitch para controlar el ángulo de pitch de cada pala 130. Normalmente, en la mayoría de las turbinas eólicas comerciales se emplean tres palas 130, aunque también podrían emplearse una, dos o cuatro o más palas. Las palas 130 convierten la energía cinética del viento en energía mecánica mediante la rotación de un eje de baja velocidad. Las palas 130 pueden estar fabricadas con materiales compuestos de fibra de vidrio o grafito, plásticos reforzados con fibra de vidrio o laminados de madera/epoxi, u otros materiales adecuados. En las construcciones convencionales, el eje de baja velocidad se conecta al buje 140 normalmente a través de un acoplamiento de brida atornillado.

[0016] Normalmente, en las turbinas de más de 1 MW, el eje de baja velocidad girará a una velocidad variable en función de la velocidad del viento, desde cero hasta una velocidad máxima de régimen estable que es, generalmente, la velocidad nominal de la turbina en la que ésta está produciendo la potencia nominal. La velocidad nominal de rotación a la potencia nominal de la turbina es una función de la potencia nominal, la longitud de las palas, la clase de viento, etc. y variará típicamente de unas 18 a unas 22 RPM para una turbina de 1,5 MW hasta unas 14 a unas 16,5 RPM para una turbina de 2,5 MW. Las velocidades nominales de rotación del eje de baja velocidad pueden variar también por encima o por debajo de estos rangos.

[0017] Los generadores se utilizan para convertir la rotación de un eje en energía eléctrica. Normalmente se utiliza una multiplicadora para aumentar la velocidad del eje de entrada al generador. La multiplicadora tiene como entrada el eje de baja velocidad, y la salida es un eje de mayor velocidad que, según aspectos de la presente invención, puede alimentar directamente al generador.

[0018] La Fig. 2 ilustra una turbina eólica 100 que incorpora un tren de potencia 10 de acuerdo con aspectos de la presente materia. El tren de potencia 10 incluye una multiplicadora 12 que está acoplada directamente al buje de rotor 140, como se explica con más detalle a continuación. La multiplicadora 12 incluye un soporte de engranajes estacionario 14 que está montado en la estructura principal 180 dentro de la góndola 120. Así, con esta configuración, la multiplicadora 12 soporta sustancialmente el peso del buje de rotor 140 mediante el acoplamiento directo de la multiplicadora 12 a la estructura principal 180 a través del soporte de engranajes estacionario 14.

[0019] Siguiendo con la figura 2, un generador 16 está acoplado de forma operativa a la multiplicadora 12 a través de un eje de salida de la multiplicadora 12 que está acoplado rotativamente a un rotor dentro del generador 16. Con esta configuración, la multiplicadora 12 también soporta sustancialmente el peso del rotor del generador.

[0020] El tren de potencia 10 representado en la Fig. 2 elimina así un eje de transmisión principal entre el buje de rotor 140 y la multiplicadora 12, así como los rodamientos y acoplamientos asociados. La configuración del tren de potencia 10 permite el uso de un generador 16 más pequeño y menos costoso y no sólo reduce la longitud total del tren de potencia, sino que proporciona un tren de potencia de la turbina eólica generalmente mucho más ligero que es capaz de producir una potencia significativa. La configuración del tren de potencia 10 permite el uso de un eje de transmisión de par más pequeño y un generador más pequeño dado que el par del rotor 140 se reduce gracias a la multiplicadora de una sola etapa 12, que proporciona una mayor fiabilidad y menos pérdidas por fricción en comparación con una multiplicadora de varias etapas. Además, el uso de un diseño de soporte de engranajes fijo 14, como se comenta con más detalle a continuación, permite simplificar la lubricación de los componentes giratorios. Además, el principal soporte estructural dentro de la góndola 120, es decir la estructura principal 180, puede simplificarse, reduciendo así aún más el peso y la complejidad de los componentes del tren de potencia.

[0021] Refiriéndose a las figuras 3 y 4, en una realización particular del tren de potencia de una sola etapa 10, la multiplicadora 12 incluye un rodamiento giratorio exterior 24 que tiene una corona estacionaria 26 montada en el soporte del engranaje fijo 14, por ejemplo mediante pernos 24 como se ilustra en la figura 4, o cualquier otro mecanismo de acoplamiento adecuado. El rodamiento giratorio 24 incluye una corona dentada giratoria 28 que está acoplada al rotor 140, por ejemplo, mediante pernos 24 como se ilustra en la Fig. 4, o cualquier otro mecanismo de acoplamiento adecuado. El acoplamiento entre la corona dentada 28 y el buje 140 puede incluir cualquier tipo de brida intermedia, u otro dispositivo de acoplamiento. Así, como puede apreciarse fácilmente en la Fig. 4, el rotor de la turbina eólica 140 está directamente acoplado a la disposición de engranajes dentro del tren de potencia 10 sin un eje de transmisión intermedio.

[0022] La multiplicadora 12 puede incluir cualquier tipo de disposición de engranajes adecuada. En las realizaciones ilustradas, la multiplicadora 12 incluye una configuración de engranaje planetario 32 entre la corona dentada giratoria 28 y un eje de salida de la multiplicadora 34. Esta configuración de engranaje planetario 32 puede incluir, por ejemplo, una pluralidad de engranajes planeta 38 acoplados a un engranaje central giratorio 36, que acciona rotativamente el eje de salida 34. Por ejemplo, el eje de salida 34 puede estar configurado como un componente integral o una extensión axial separada del engranaje central 36, como se representa particularmente en la Fig. 3. En una realización alternativa, el eje de salida 34 puede ser un componente formado por separado que se acopla mecánicamente al mismo engranaje 36 sin una disposición intermedia de engranaje.

[0023] Los engranajes planeta 38 pueden apoyarse en ejes individuales 40 definidos por porciones del soporte de engranajes fijo 14, de manera que el peso de los engranajes planeta 38 es soportado directamente por el soporte fijo 14, como se ilustra particularmente en la Fig. 3.

[0024] Refiriéndose a la Fig. 4, el generador 16 incluye un estator estacionario 22 que puede estar directamente acoplado al soporte del engranaje fijo 14 mediante pernos 24, o cualquier otro mecanismo de acoplamiento adecuado. El rotor 20 está acoplado rotacionalmente al eje de salida 34 de la multiplicadora 12 mediante cualquier mecanismo de acoplamiento adecuado, como un buje estriado 42 representado en las figuras. El buje estriado 42 puede estar acoplado directamente al estator 20 mediante pernos 24, o cualquier otro mecanismo de acoplamiento adecuado. El buje estriado 42 está soportado rotacionalmente por cualquier mecanismo de rodamiento adecuado, que también puede estar montado en el soporte del engranaje 14 de forma concéntrica al buje estriado 42.

[0025] En referencia a la Fig. 3, el estator del generador 22 puede estar montado (y, por tanto, soportado directamente por) en la estructura principal 180.

[0026] Debe apreciarse que la configuración ejemplar del tren de potencia 10 ilustrada en las figuras y discutida anteriormente se presenta sólo con fines ejemplares. Por ejemplo, la configuración del tren de potencia de una sola etapa 10 puede incluir cualquier configuración de engranaje adecuada que produzca una relación de transmisión deseada de entre aproximadamente 1,7:1 y aproximadamente 11:1, y más particularmente entre aproximadamente 4:1 y aproximadamente 6:1.

[0027] Debe apreciarse además que la presente invención abarca cualquier forma de turbina eólica 100 (Fig. 2) que utilice una configuración de tren de potencia 10 de acuerdo con aspectos de la invención como los discutidos anteriormente.

[0028] Esta descripción escrita utiliza ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el modo preferido, y también para permitir a cualquier persona experta en la materia practicar la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y la realización de cualquier método incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones, y puede incluir otros ejemplos que se les ocurran a los expertos en la materia. Estos otros ejemplos se consideran dentro del ámbito de las reivindicaciones si incluyen elementos estructurales que no difieren del lenguaje literal de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una turbina eólica (100), que comprende:

una torre (110);

una góndola (120) dispuesta sobre dicha torre;

una estructura principal (180) montada estacionariamente dentro de dicha góndola;

palas individuales (130) de rotor conectadas a un buje de rotor (140);

un tren de potencia (10) dispuesto dentro de dicha góndola (120), dicho tren de potencia comprendiendo:

una multiplicadora (12) montada directamente en dicho buje de rotor, dicha multiplicadora comprendiendo un eje de salida (34);

dicha multiplicadora (12) comprendiendo además un soporte de engranaje estacionario (14) montado en dicha estructura principal, en el que dicha multiplicadora (12) soporta sustancialmente el peso de dicho buje de rotor;

un generador (16), dicho generador (16) comprendiendo un rotor de generador (20) y un estator de generador estacionario (22), dicho soporte de engranaje estacionario (14) estando dispuesto axialmente por delante de dicho estator de generador estacionario (22), dicho estator de generador estacionario (22) estando montado en dicha estructura principal, dicho eje de salida (34) estando acoplado a dicho rotor de generador (20) y en el que dicha multiplicadora (12) soporta sustancialmente el peso de dicho rotor de generador (20);

un buje estriado (42) montado en dicho rotor del generador (20), dicho eje de salida (34) acoplado a dicho buje estriado (42) para accionar rotativamente dicho rotor del generador (20); y un rodamiento de buje estriado (44) montado en dicho soporte de engranajes (14) concéntrico a dicho buje estriado (42).

2. La turbina eólica (100) según la reivindicación 1, en la que dicha multiplicadora (12) comprende un rodamiento giratorio exterior (24) que tiene una corona estacionaria (26) montada en dicho soporte de engranaje (14) y una corona dentada giratoria (28), dicho buje de rotor (140) montado en dicha corona dentada giratoria (28).

3. La turbina eólica (100) según la reivindicación 2, en la que dicha multiplicadora (12) comprende una configuración de engranaje planetario (32) entre dicha corona dentada giratoria y dicho eje de salida (34), dicha configuración de engranaje planetario (32) comprendiendo una pluralidad de engranajes planeta (38) soportados por dicho soporte de engranajes (14) y engranados a dicha corona dentada giratoria (28), y un engranaje central giratorio (36) engranado a dichos engranajes planeta, dicho engranaje central accionando rotativamente dicho eje de salida (34).

4. La turbina eólica (100) según la reivindicación 3, en la que dicho eje de salida (34) comprende una extensión axial de dicho engranaje central (36).

5. La turbina eólica (100) según la reivindicación 3 o la reivindicación 4, en la que dicho eje de salida (34) y dicho engranaje central están formados como un único componente integral.

6. La turbina eólica (100) según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en la que dicho soporte de engranajes (14) define un eje fijo para cada uno de dichos engranajes planeta.

7. La turbina eólica (100) según cualquier reivindicación anterior, en la que dicho tren de potencia (10) tiene una relación de transmisión desde aproximadamente 1.7:0 hasta aproximadamente 11:1.