ES2939408T3 - Disposición de protección de cojinetes - Google Patents

Abstract

La invención describe un dispositivo de protección de cojinetes (10, 1) de un cojinete liso (22L, 22F) dispuesto entre una carcasa (21) y un componente giratorio (20) de una turbina eólica (2), cuyo dispositivo de protección de cojinetes (10, 22F) 11) comprende un monitor de velocidad del viento (10) dispuesto para monitorear la velocidad del viento (S) en las proximidades de la turbina eólica (2) y para generar una señal de alerta (W) cuando la velocidad del viento (S) excede un mínimo predefinido (Smín); un módulo de cambio de modo (11) de una batería de respaldo (24) dispuesto para proporcionar energía de reinicio a un auxiliar (23) de la turbina eólica (2), cuyo módulo de cambio de modo (11) está adaptado para cambiar la batería de respaldo (24) de un modo de potencia normal (M1) a un modo de baja potencia (M0) para conservar suficiente potencia de reinicio después de condiciones de baja velocidad del viento, y cambiar la batería de reserva (24) del modo de bajo consumo (M0) al modo de consumo normal (M1) en respuesta a la señal de activación (W). La invención describe además una turbina eólica (2); y un método para proteger un cojinete liso (22L, 22F) de una turbina eólica (2) durante la parada. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Disposición de protección de cojinetes

La invención describe una disposición de protección para un cojinete liso. La invención describe además una turbina eólica y un método para proteger un cojinete liso de una turbina eólica durante una parada.

La técnica anterior se divulga en los documentos US 2011/291416 A1 y US 2012/134808 A1.

En algunos tipos de turbinas eólicas, el rotor aerodinámico de la turbina eólica puede estar conectado a un eje o árbol de un tren de transmisión que se extiende a través de una carcasa, que a su vez está montada en un bastidor de lecho de la turbina eólica. El rotor aerodinámico de la turbina eólica gira con relativa lentitud. Debido a su ventaja en durabilidad y manejo de cargas altas, y debido a que son igualmente aplicables para uso en aplicaciones de rotación lenta y rotación rápida, los cojinetes lisos (también denominados cojinetes planos o cojinetes fluidos) se pueden usar en cualquier parte del tren de transmisión. En una turbina de caja de engranajes, una caja de engranajes aumenta la velocidad de rotación del árbol de rotor de baja velocidad a una velocidad más alta para un generador eléctrico, y se puede usar un cojinete liso en una primera o segunda etapa donde la carga es alta.

A diferencia de los cojinetes de bolas o de rodillos, los cojinetes lisos no usan elementos rodantes dentro del cojinete. En cambio, el eje o árbol solo está separado de la carcasa del cojinete mediante una fina película de lubricante, tal como aceite. Con este tipo de cojinete, se necesita una velocidad de rotación mínima para mantener una película lubricante suficiente entre el árbol y la carcasa cuando el árbol está sujeto a carga radial. Dicho de otro modo, para mantener un estado satisfactorio dentro del cojinete, lo ideal es que la velocidad de rotación del árbol no caiga por debajo de un cierto umbral inferior durante un período de tiempo prolongado.

Para un cojinete liso, surge un problema cuando la velocidad de rotación del árbol cae por debajo de ese umbral mínimo. Cuando eso sucede, la carga radial sobre el árbol dará como resultado un contacto de alta fricción entre el árbol y el revestimiento del cojinete. Esto puede dar como resultado daños permanentes en el cojinete, y un reemplazo es una tarea muy costosa.

Sin embargo, con los diseños de turbinas eólicas conocidos, no siempre es posible asegurar que el árbol rote siempre a una velocidad que esté por encima del umbral seguro. Esto se debe a que la velocidad de rotación del tren de transmisión depende de la velocidad del viento. Si la velocidad del viento es demasiado baja, la velocidad de rotación del tren de transmisión no será suficiente para evitar que la carga radial dañe los cojinetes.

Por estas razones, una turbina eólica puede diseñarse para responder a una situación de velocidad del viento tan baja mediante el despliegue de un sistema de frenos que mantiene el rotor aerodinámico y el árbol parados. Un estado de “parada” durante el cual los frenos están activados puede persistir durante un período de tiempo indefinido. El sistema de frenos asegura que el cojinete no sufra ningún daño cuando no hay viento o la velocidad del viento es insuficiente para hacer girar el árbol de rotor a la velocidad mínima requerida.

Alternativamente, en lugar de proporcionar un sistema de frenos para sujetar el componente rotatorio durante condiciones de poco viento, se puede proporcionar una bomba para suministrar lubricante a presión para “hacer flotar” el componente rotatorio sobre una capa de lubricante presurizado dentro del cojinete. Tal disposición no necesita frenos y puede hacer frente a velocidades de rotación muy bajas. Sin embargo, si hay un fallo en la red, la bomba debe ser alimentada por la turbina eólica. Cuando el viento cae demasiado bajo para que la turbina eólica genere suficiente energía, la bomba deja de funcionar. Durante este tiempo de parada, la fricción estática en el cojinete actúa como freno y es suficiente para evitar que el rotor aerodinámico gire. Sin embargo, cuando la velocidad del viento aumenta nuevamente, la bomba debe reiniciarse para “hacer flotar” el árbol nuevamente antes de que el rotor aerodinámico resuma su giro. En ausencia de la red, por ejemplo, durante un fallo en la red, la bomba debe ser alimentada por la batería de respaldo de la turbina eólica. En una turbina eólica que usa varios cojinetes lisos, se pueden desplegar uno o ambos tipos de freno según corresponda.

El controlador de una turbina eólica de este tipo generalmente estará equipado con algún medio para recibir datos de velocidad del viento, por ejemplo, desde un sensor externo de velocidad del viento, tal como un anemómetro montado en la góndola, o desde un controlador del parque eólico. Cuando la velocidad del viento aumenta de nuevo a un nivel por encima del mínimo crítico, esto se informa al controlador de la turbina eólica, que libera el sistema de frenos y el tren de transmisión podrá volver a rotar a una velocidad que garantice una lubricación adecuada.

Una turbina eólica generalmente comprende varios auxiliares que deben alimentarse continuamente con energía. Los auxiliares pueden ser ventiladores, controladores, etc., y el sistema de frenos y la bomba de lubricante mencionados anteriormente también son auxiliares. Siempre que el rotor aerodinámico esté girando, se genera energía para la red y también se puede usar para alimentar el controlador de la turbina eólica y los auxiliares. Cuando el rotor aerodinámico está estacionario (por ejemplo, durante condiciones de calma, condiciones de tormenta, etc.), los auxiliares de la turbina eólica pueden alimentarse con energía desde la red. Sin embargo, no siempre se garantiza un suministro de energía fiable desde la red. Por esta razón, la energía generada por la turbina eólica o recibida desde la red también se usa para cargar una batería interna de respaldo o fuente de alimentación auxiliar.

Cuando la velocidad del viento es demasiado baja, es decir, demasiado baja para que la turbina eólica genere energía, el sistema de frenos se activará para mantener el árbol de rotor en su posición para evitar daños en los cojinetes lisos. Los frenos solo se liberarán cuando la velocidad del viento haya aumentado nuevamente a un nivel que haga que el rotor aerodinámico rote a la velocidad mínima requerida. Sin embargo, si ha ocurrido un fallo en la red y la batería de respaldo se agota durante este tiempo, el controlador de la turbina eólica no podrá recibir ningún dato y no podrá procesar las lecturas de la velocidad del viento desde un sensor externo de velocidad del viento. En tal situación, no hay forma de que el controlador determine cuándo la velocidad del viento es lo suficientemente alta como para permitir que se libere el sistema de frenos.

Esto puede dar como resultado un problema grave, ya que la velocidad del viento puede llegar a ser tan alta que el rotor aerodinámico gire de manera forzada, aunque los frenos todavía estén activados. Esto puede dar lugar a daños graves en los frenos y en el árbol de rotor. Tal situación puede incluso ser un riesgo de incendio debido al calor generado por la fricción del deslizamiento del freno y el deslizamiento del cojinete en ausencia de lubricación.

Para evitar daños tan graves, los diseños de turbinas eólicas conocidos generalmente incluyen una batería de respaldo con capacidad suficiente para proporcionar energía auxiliar de manera fiable durante el peor de los casos, en el que la turbina eólica se desconecta de la red durante condiciones prolongadas de calma o sin viento que duran varias horas, o incluso días. La turbina eólica puede generar energía para sus sistemas auxiliares en caso de fallo en la red, siempre que haya suficiente viento para hacer girar el rotor aerodinámico. Sin embargo, durante un período de calma en el que no hay suficiente viento para hacer girar el rotor aerodinámico, y durante el cual no hay suministro de red, la batería debe proporcionar energía a varios auxiliares. La batería debe ser capaz de proporcionar energía suficiente para volver a poner en funcionamiento la turbina eólica, por ejemplo, para liberar los frenos, para hacer funcionar el mecanismo de guiñada para hacer girar el rotor aerodinámico hacia el viento, etc. Sin embargo, el coste de una batería aumenta con el tamaño, por lo que una gran batería de respaldo con la capacidad necesaria para sobrevivir a un estado de parada tan larga es un componente muy costoso, que se suma al coste total de la turbina eólica.

Además, los sistemas de baterías pueden perder capacidad con el tiempo, por ejemplo, si la batería no recibe el mantenimiento adecuado para completar correctamente los ciclos de carga/descarga. El mantenimiento correcto de una batería puede requerir el enfriamiento de la batería para evitar temperaturas extremas y evitar duraciones prolongadas con niveles de carga bajos. Si el sistema de la batería pierde capacidad, es posible que no pueda proporcionar energía durante condiciones prolongadas de parada hasta el momento en que se puedan liberar los frenos nuevamente.

Por lo tanto, es un objeto de la invención proporcionar unos medios para superar los problemas descritos anteriormente.

Este objeto se consigue mediante la disposición de protección de cojinetes reivindicada, mediante la turbina eólica reivindicada y mediante el método reivindicado para proteger un cojinete liso de una turbina eólica.

En el contexto de la invención, la turbina eólica comprende un componente rotatorio, una carcasa de cojinete y un cojinete liso dispuestos entre la carcasa y el componente rotatorio. El componente rotatorio puede ser el rotor exterior de una turbina eólica de transmisión directa, por ejemplo, o un árbol de rotor de una turbina eólica con engranajes. Se puede suponer que se usan uno o más cojinetes lisos para asegurar la estabilidad requerida de los componentes relevantes y para soportar el componente rotatorio.

Según la invención, la disposición de protección de cojinetes está adaptada para una turbina eólica de este tipo y comprende un monitor de velocidad del viento dispuesto para monitorizar la velocidad del viento en las proximidades de la turbina eólica y generar una señal de alerta cuando la velocidad del viento supera una mínima predefinida; y un módulo de cambio de modo de una batería de respaldo dispuesto para proporcionar energía de reinicio a uno o más auxiliares de la turbina eólica. El módulo de cambio de modo está adaptado para cambiar la batería de respaldo desde un modo de energía normal a un modo de energía baja para conservar suficiente energía de reinicio después de condiciones de baja velocidad del viento, y para cambiar la batería de respaldo a un modo de energía normal en respuesta a la señal de alerta. La velocidad mínima del viento predefinida para una turbina eólica particular puede determinarse sobre la base del tamaño de su rotor aerodinámico, el diámetro del árbol de rotor, las dimensiones de un rotor exterior, etc.

Durante el modo de energía baja o modo de “reposo”, preferiblemente el único componente que consume energía es el terminal de entrada del controlador de la turbina eólica que está configurado para recibir la señal de “alerta” desde el monitor de velocidad del viento. Todos los demás auxiliares o componentes de la turbina eólica están apagados. Los frenos del rotor aerodinámico todavía permanecerán activados. Para ello, los frenos pueden ser frenos pasivos que se activan automáticamente en ausencia de energía, o pueden comprender una válvula hidráulica configurada para mantener la presión sobre los frenos en ausencia de energía.

Una ventaja de la disposición de protección de cojinetes de la invención es que asegura que siempre habrá suficiente carga de batería disponible para liberar los frenos del sistema de frenos después de condiciones prolongadas de calma o de baja velocidad del viento. En lugar de permitir que la carga de la batería se agote constantemente, una parte de la carga restante en la batería se reserva con el propósito de liberar los frenos de manera segura. Por ejemplo, el módulo de cambio de modo puede poner la batería en el modo de energía baja para conservar un cierto nivel de carga que será necesaria para liberar los frenos y/o para alimentar una bomba de lubricante de un cojinete liso. El método de la invención asegura de forma fiable que esta cantidad reservada estará disponible cuando sea necesario, independientemente de la duración de la condición de parada. Preferiblemente, también se reserva suficiente energía de reinicio para alinear el rotor aerodinámico con el viento.

Según la invención, la turbina eólica es del tipo descrito anteriormente y comprende una serie de sistemas auxiliares dispuestos para reiniciar la turbina eólica de manera segura después de condiciones de baja velocidad del viento; y también comprende una realización de la disposición de protección de cojinetes de la invención.

Una turbina eólica de este tipo siempre podrá responder de manera segura cuando la velocidad del viento aumente de nuevo después de condiciones prolongadas de calma o de baja velocidad del viento. Esto puede asegurarse sin tener que proporcionar una batería de capacidad excesivamente grande, de manera que los costes globales de la turbina eólica pueden mantenerse favorablemente bajos.

Según la invención, la batería de respaldo de una turbina eólica de este tipo está dispuesta para proporcionar energía de reinicio a una o más serie de elementos auxiliares para reiniciar de manera segura la turbina eólica después de condiciones de baja velocidad del viento. Como se explicó anteriormente, un auxiliar de este tipo puede ser un sistema de frenos para detener el componente rotatorio para proteger un cojinete liso de daños durante condiciones de poco viento, una bomba de lubricante para tal cojinete, etc.

Preferiblemente, la batería de respaldo también puede proporcionar energía a un sistema de guiñada para realinear correctamente el rotor aerodinámico con el viento. Los auxiliares aseguran que la turbina eólica pueda reanudar su funcionamiento de forma correcta y segura después de un período de calma. La batería de respaldo se caracteriza por un módulo de cambio de modo adaptado para cambiar la batería de respaldo desde un modo de energía normal a un modo de energía baja durante un estado de velocidad del viento insuficiente para conservar suficiente energía de reinicio, y para cambiar la batería de respaldo desde el modo de energía baja de vuelta a un modo de energía normal en respuesta a una señal de alerta. La señal de alerta puede originarse en un monitor de velocidad del viento como se ha descrito anteriormente, cuando la velocidad del viento aumenta de nuevo después del estado de baja velocidad del viento.

Una ventaja de una batería de respaldo de este tipo es que se puede realizar actualizando una disposición de batería de respaldo existente. Durante condiciones de baja velocidad del viento, el módulo de cambio de modo puede monitorizar la carga restante de la batería. En algún momento durante dicha fase de parada, el módulo de cambio de modo hará que la batería entre en un modo de “reposo” o modo de energía baja para mantener una reserva mínima que se usará para volver a poner en funcionamiento la turbina eólica cuando la velocidad del viento vuelve a aumentar. El módulo de cambio de modo puede comprender un terminal de entrada para recibir la señal de alerta. El módulo de cambio de modo puede comprender cualquier componente eléctrico y/o electrónico adecuado para evaluar y responder a estos eventos.

Según la invención, el método para proteger un cojinete liso de una turbina eólica de este tipo durante una parada comprende las etapas de proporcionar un monitor de velocidad del viento para medir la velocidad del viento en las proximidades de la turbina eólica y generar una señal de alerta cuando la velocidad del viento supera una mínima predefinida; disponer una batería de respaldo para proporcionar energía de reinicio a un auxiliar de la turbina eólica; cambiar la batería de respaldo desde un modo de energía normal a un modo de energía baja para conservar suficiente energía de reinicio; y cambiar la batería de respaldo de nuevo al modo de energía normal en respuesta a la señal de alerta.

Una ventaja del método de la invención es que proporciona una forma sencilla de asegurar que habrá suficiente carga de batería para liberar los frenos y hacer que la turbina eólica vuelva a ponerse en funcionamiento cuando la velocidad del viento vuelve a aumentar después de un tiempo prolongado de parada. Ser capaz de responder correctamente a las crecientes velocidades del viento asegura que el cojinete no se dañe por rotación forzada o deslizamiento. El método también evita la necesidad de una batería de alta capacidad grande y costosa como se describió anteriormente.

Realizaciones y características particularmente ventajosas de la invención se proporcionan en las reivindicaciones dependientes, como se revela en la siguiente descripción.

El monitor de velocidad del viento usa preferiblemente un sensor de velocidad del viento que está dispuesto en el exterior de la turbina eólica. En una realización particularmente preferida de la invención, el sensor de velocidad del viento está realizado como un anemómetro de eje vertical, tal como un anemómetro de copa de Robinson. La ventaja de un anemómetro de eje vertical es que puede medir correctamente la velocidad del viento independientemente de la dirección del viento. Una ventaja de usar un anemómetro de copa de Robinson es que este tipo de anemómetro se ha usado ampliamente durante décadas y existe un gran cuerpo de conocimiento que relaciona la velocidad del viento con la velocidad de rotación del eje vertical del anemómetro.

En una realización particularmente preferida de la invención, el monitor de la velocidad del viento comprende un codificador rotatorio adaptado para generar un valor digital de la velocidad del viento sobre la base de la velocidad de rotación del eje vertical del anemómetro. El codificador rotatorio puede comprender una rueda o un disco montado en el eje vertical del anemómetro y un sensor sin contacto, tal como un sensor de infrarrojos, dispuesto para contar las rotaciones de la rueda o el disco. El sensor emite preferiblemente una señal digital para las rotaciones por minuto (rpm) de la rueda. Por lo tanto, el valor de la velocidad del viento se proporciona como salida digital del sensor. En esta realización, el monitor de la velocidad del viento comprende también preferentemente un procesador de señal digital (DSP) adaptado para generar la señal de alerta sobre la base del valor de la velocidad del viento. Preferiblemente, el DSP comprende una memoria en la que se almacena la velocidad mínima del viento y un comparador dispuesto para comparar los valores de la velocidad mínima del viento y la velocidad del viento medida. El DSP preferiblemente también comprende unos medios para establecer si la velocidad del viento medida supera la velocidad mínima del viento durante un período de tiempo suficiente antes de generar la señal de alerta.

En una realización preferida de la invención, el DSP se realiza para consumir la menor cantidad de energía posible y se alimenta mediante una pequeña batería recargable. Alternativamente, el DSP podría alimentarse mediante la batería de respaldo de la turbina eólica, ya que solo consume una cantidad de energía relativamente pequeña. Por supuesto, el procesador de señal digital estaría alimentado durante toda la duración de la parada, y esto se tendría en cuenta cuando se calcula la reserva de la batería antes de poner la batería en su modo de energía baja.

En otra realización preferida de la invención, el monitor de velocidad del viento puede comprender un codificador rotatorio, un procesador de señal digital y un pequeño generador para suministrar energía a los componentes del monitor de velocidad del viento, en el que el eje vertical del anemómetro de copa sirve como el rotor del pequeño generador.

En una realización alternativa de la invención que usa un anemómetro de copa, el monitor de la velocidad del viento comprende un generador adaptado para generar una tensión en proporción a la velocidad de rotación del eje vertical del anemómetro, y en el que el eje vertical del anemómetro se realiza como el rotor del generador. Un rectificador está adaptado para proporcionar una tensión de CC, y esta tensión está directamente relacionada con la velocidad del viento de una manera bien definida. Preferiblemente, se dispone un potenciómetro para calibrar la tensión de salida a la velocidad de rotación del eje vertical del anemómetro. Preferiblemente, el monitor de la velocidad del viento comprende un diodo Zener con una tensión de ruptura inversa elegida de tal manera que la señal de alerta permanece baja mientras la velocidad de rotación del eje vertical del anemómetro está por debajo de una velocidad correspondiente a la velocidad mínima del viento predefinida.

En lugar de usar un anemómetro de copa, en una realización preferida de la invención, el monitor de la velocidad del viento comprende uno o más sensores ultrasónicos de la velocidad del viento adaptados para generar un valor digital de la velocidad del viento. Un sensor ultrasónico de la velocidad del viento o un anemómetro ultrasónico mide la velocidad del viento basándose en el tiempo de vuelo de los pulsos sónicos entre pares de transductores. Una ventaja de usar un anemómetro ultrasónico es la falta de partes móviles y su robustez en la posición expuesta en la góndola de la turbina eólica. Preferiblemente, uno o más anemómetros ultrasónicos se conectan a una interfaz de sensor acústico de viento adecuada que se alimenta mediante la batería de respaldo de la turbina eólica. La interfaz está preferiblemente configurada para enviar una medición digital de la velocidad del viento al controlador de la turbina eólica durante el funcionamiento normal de la turbina eólica. Preferiblemente, la interfaz comprende un componente adecuado que está configurado para generar la señal de alerta sobre la base de la medición digital de la velocidad del viento durante una baja velocidad del viento. Si la batería ya se ha puesto en su modo de funcionamiento de energía baja para conservar energía, la señal de alerta hará que se cambie de vuelta al modo de energía normal para que la turbina eólica pueda reanudar el funcionamiento de forma segura y controlada.

Otros objetos y características de la presente invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada considerada junto con los dibujos adjuntos. Sin embargo, debe entenderse que los dibujos se diseñan únicamente para propósitos de ilustración, y no como una definición de los límites de la invención.

La figura 1 muestra una realización de la turbina eólica de la invención;

la figura 2 muestra una serie de gráficos que ilustran la relación entre la velocidad del viento, la señal de alerta y los modos de funcionamiento de la batería para una realización de la disposición de protección de cojinetes de la invención;

las figuras 3 a 6 muestran varias realizaciones de un monitor de la velocidad del viento para la disposición de protección de cojinetes de la invención;

la figura 7 muestra una sección transversal a través de un árbol de rotor, carcasa y cojinete;

la figura 8 muestra una turbina eólica de la técnica anterior;

la figura 9 muestra la velocidad del viento y el nivel de carga de la batería para la turbina eólica de la figura 8.

En los diagramas, números de referencia similares se refieren a objetos similares a lo largo de todo el documento. Los objetos en los diagramas no están necesariamente dibujados a escala.

La figura 1 muestra una realización de la turbina 2 eólica de la invención. Aquí, la turbina 2 eólica es una turbina eólica con engranajes que usa uno o más cojinetes lisos, pero se entenderá que la disposición de protección de cojinetes es igualmente aplicable a un cojinete liso de una turbina eólica de transmisión directa. Los componentes relevantes de la turbina 2 eólica son un árbol 20 de rotor de baja velocidad, una carcasa 21 del árbol de rotor y un cojinete liso (no visible en el diagrama) dispuesto entre la carcasa 21 y el árbol 20 de rotor. En esta realización, un componente auxiliar es un sistema 23 de frenos dispuesto para activar o bloquear el árbol 20 de baja velocidad durante condiciones de baja velocidad del viento. Una realización de la disposición de protección de cojinetes de la invención se indica mediante un monitor 10 de viento y un módulo 11 de cambio de modo. Otros componentes son una caja de engranajes que une el árbol 20 de baja velocidad a un árbol de alta velocidad para accionar un generador 26; y un controlador 27 de turbina eólica que controla los diversos componentes según sea necesario.

En este ejemplo de realización, la disposición de protección de cojinetes comprende un monitor 10 de la velocidad del viento incorporado en un anemómetro 25 de copa exterior que está montado en la parte superior de la góndola de la turbina 2 eólica. Un anemómetro 25 de copa generalmente se configura para proporcionar al controlador 26 una medición 250 de la velocidad del viento para que el controlador 27 pueda responder en consecuencia, por ejemplo, para el cambio de paso de las palas según sea necesario, para activar el sistema 23 de frenos, etc. El monitor 10 de la velocidad del viento genera una señal de alerta W cuando la velocidad del viento supera una mínima predefinida. La disposición de protección de cojinetes comprende además un módulo 11 de cambio de modo de una disposición 24 de batería de respaldo que está instalada en la turbina 2 eólica para proporcionar energía a varios auxiliares.

En este ejemplo de realización, uno de estos auxiliares es el sistema 23 de frenos, que debe bloquear o sujetar el árbol 20 durante condiciones climáticas de calma o de parada. Durante tales condiciones de parada, el módulo 11 de cambio de modo monitoriza la capacidad C de la batería y cambia la batería 24 de respaldo a un modo de energía baja cuando la capacidad restante de la batería ha disminuido a una capacidad mínima predefinida requerida para proporcionar energía de reinicio a los auxiliares. Cuando la velocidad del viento aumenta por encima de la velocidad mínima del viento, el monitor 10 de la velocidad del viento emite una señal de alerta al módulo 11 de cambio de modo, que entonces puede cambiar la batería 24 de respaldo de vuelta al modo de funcionamiento de energía normal, de modo que los frenos pueden liberarse a tiempo para evitar daños en el cojinete y el árbol de rotor.

La figura 2 muestra una serie de gráficos que ilustran la relación entre la velocidad del viento S, la señal de alerta W, la capacidad C de la batería y los modos de funcionamiento M0, M1 de la batería para una realización de la disposición de protección de cojinetes de la invención. La parte superior del diagrama muestra la velocidad del viento S. Siempre que la velocidad del viento esté por encima de una cierta mínima S^mín, se hará que el rotor aerodinámico de la turbina eólica rote a velocidades que sean suficientes para mantener la película de lubricante necesaria en el cojinete descrito en la figura 6 a continuación. La energía generada durante este tiempo se puede usar para asegurar que la batería de respaldo esté cargada.

Siempre que la velocidad del viento esté por debajo de esa mínima S^mín (en el tiempo fe del diagrama), la señal de alerta W es “baja” o “0”. Este estado persistirá durante la parada entre el tiempo fe y el tiempo t² , es decir, siempre que la velocidad del viento se mantenga por debajo de la mínima S^mín. Los frenos se activarán cuando la velocidad del viento caiga por debajo de esa mínima S^mín para proteger el cojinete de daños durante la parada. Dado que el rotor aerodinámico ya no puede girar y ya no se puede generar energía, la batería de respaldo debe suministrar energía a los auxiliares, incluyendo el sistema de frenos. El módulo de cambio de modo de la batería de respaldo monitoriza el nivel de carga C a medida que se agota durante la parada. Cuando un nivel de carga mínimo C^mín predefinido se alcanza (en el tiempo t ⁱ del diagrama), el módulo de cambio de modo cambia la batería de respaldo a un modo de energía baja M0 como se indica en la parte inferior del diagrama. El nivel de carga mínimo C^mín predefinido puede haberse determinado en alguna etapa anterior, por ejemplo, midiendo la cantidad de energía necesaria para alinear el rotor aerodinámico para su funcionamiento y para liberar los frenos del componente rotatorio. El modo de energía baja M0 se indica aquí como un nivel “0”, y el modo de energía normal M1 se indica mediante un nivel “1”. Por supuesto, estos modos M0, M1 se pueden definir de cualquier manera apropiada. Durante el modo de energía baja M0, la energía de la batería de respaldo solo se utilizará para alimentar los circuitos electrónicos necesarios para recibir una señal de alerta. El controlador de la turbina eólica desactiva todas las demás funciones durante este modo de “reposo” M0. Esencialmente, todo se apaga durante este modo de energía baja M0, incluyendo el controlador de la turbina eólica y el controlador de la batería o el módulo de cambio de modo; el único componente que consume energía es el circuito que está configurado para recibir la señal de alerta. Esto asegura que habrá suficiente carga para poder liberar los frenos y alinear el rotor aerodinámico para su funcionamiento.

Cuando la velocidad del viento aumenta por encima de la mínima S^mín de nuevo (en el tiempo t² del diagrama), la señal de alerta W pasa a “alta”. La señal de alerta W hace que el módulo de cambio de modo de la batería de respaldo vuelva al modo de energía normal M1. La batería de respaldo ahora puede proporcionar la energía necesaria para liberar los frenos y accionar cualquier bomba de lubricante para que el rotor aerodinámico pueda volver a girar. La batería de respaldo también puede proporcionar la energía necesaria para alinear correctamente el rotor aerodinámico con el viento y estar listo para funcionar, de modo que la turbina eólica pueda generar energía una vez más. La batería de respaldo puede entonces recargarse mediante la energía generada por la turbina eólica. Siempre que la velocidad del viento esté por encima de esa mínima S^mín, la señal de alerta W del monitor de velocidad del viento puede permanecer “alta” o “1”, y volverá a bajar al comienzo de un estado de parada posterior.

Debe entenderse que la velocidad del viento debe permanecer de manera fiable por encima de la mínima S^mín durante un tiempo antes de liberar los frenos. Se puede suponer que la curva de la velocidad del viento S en este diagrama muestra una velocidad promedio del viento obtenida promediando o suavizando los valores de velocidad del viento recopilados durante al menos varios minutos. El diagrama muestra varias curvas que se puede entender que se extienden sobre la misma duración de tiempo, que se puede medir en minutos, horas o incluso días. Para simplificar, los tiempos fe, t ⁱ , t² del evento son compartidos por las diferentes curvas, sin embargo, debe entenderse que los eventos relevantes (por ejemplo, la velocidad del viento aumenta por encima de la mínima S^mín; el modo de batería vuelve al normal M1) no son necesariamente simultáneos.

La figura 3 muestra una posible realización de un monitor 10 de la velocidad del viento. El monitor 10 de la velocidad del viento comprende un anemómetro 25 de copa de Robinson que tiene un eje 251 vertical rotatorio. En esta realización, se usa un codificador rotatorio que comprende una rueda 253 codificadora y un sensor 254 adecuado, tal como un sensor de infrarrojos, para codificar las rpm del eje 251 vertical rotatorio como una señal 250 digital que se envía a un procesador 112 de señal digital. Una ventaja de usar un codificador 253, 254 rotatorio sin contacto es que las mediciones de la velocidad del viento del anemómetro de copa son muy precisas. El DSP 112 puede comparar la señal 250 recibida con un valor de rpm almacenado que corresponde a la velocidad mínima del viento S^mín. Este valor de rpm se puede almacenar localmente en una memoria del d Sp 112. Si el resultado de la comparación indica que la velocidad del viento es mayor que la velocidad mínima del viento S^mín, se emite una señal de alerta W. En esta realización, el DSP 112 y el sensor 254 están configurados para consumir la menor cantidad de energía posible y recibir energía desde un pequeño suministro 113 de batería recargable.

La figura 4 muestra una realización similar a la de la figura 3, que usa un codificador rotatorio como se describió anteriormente e incorpora además un pequeño generador 114 configurado para suministrar energía al procesador 112 de señal digital. Una ventaja de esta realización es que la señal 250 precisa de la velocidad del anemómetro puede ser procesada por un DSP 112, pero no se necesita una batería adicional.

La figura 5 muestra una realización alternativa en la que el monitor 10 de la velocidad del viento está configurado para usar el eje 251 vertical rotatorio de un anemómetro de copa de Robinson como rotor de un generador. El par necesario para hacer girar el eje 251 vertical lo proporciona el viento. Aquí, el monitor 10 de la velocidad del viento usa un generador 252 de imán permanente trifásico dispuesto para usar el eje vertical como su rotor. Los generadores de imanes permanentes tienen una relación simple entre velocidad y tensión, lo que permite una calibración favorablemente precisa del monitor de la velocidad del viento. Además, el motor trifásico elimina el “par de torsión” que, de lo contrario, podría afectar la precisión del monitor 10 de la velocidad del viento. Un rectificador 255 de energía de CA-CC convierte la energía de CA desde el generador 252 en CC, y se usa un filtro 256 de paso bajo para eliminar cualquier componente de CA restante de la señal 250 de la velocidad del viento de CC y para suavizar cualquier variación en la señal debido a fluctuaciones o turbulencias de la velocidad del viento a corto plazo. Se usa un potenciómetro 259 para ajustar o calibrar la tensión 250 de CC a la velocidad de rotación del eje 251 vertical del generador 252 local. Un diodo 104 Zener con una tensión de ruptura inversa específica está dispuesto en la salida del monitor 10 de la velocidad del viento. La tensión de ruptura inversa es una tensión que corresponde a la velocidad mínima del viento S^mín predefinida indicada en la figura 2, y esta tensión se puede determinar durante la etapa de calibración. Cuando la tensión en el potenciómetro 259 es inferior al nivel que corresponde a la velocidad mínima del viento S^mín, el diodo 104 Zener bloqueará el flujo de corriente, de manera que la tensión de la señal de salida o señal de alerta W será “baja” (por ejemplo, 0 voltios con respecto a una conexión a tierra de referencia). Cuando la tensión a través del diodo Zener aumenta por encima del nivel predefinido, lo que indica que la velocidad del viento es mayor que la velocidad mínima del viento S^mín predefinida, la corriente es capaz de cruzar una resistencia 105 de alta impedancia, de modo que la señal de alerta W pase a “alta” (por ejemplo, varios voltios por encima de la conexión a tierra de referencia). El experto sabrá cómo elegir un valor de la resistencia 105 de alta impedancia para asegurar que el flujo de corriente no supere la capacidad del diodo 104 Zener.

La figura 6 muestra una realización alternativa en la que el monitor 10 de la velocidad del viento comprende una serie de anemómetros 28 ultrasónicos. Estos están dispuestos para entregar valores de la velocidad del viento a un módulo 280 de interfaz. El módulo 280 de interfaz comprende un componente adecuado, tal como un procesador que generará una señal de alerta W para el módulo 11 de cambio de modo cuando la velocidad del viento esté por encima de una velocidad mínima del viento S^mín. Durante condiciones de baja velocidad del viento, el módulo 280 de interfaz puede alimentarse mediante la batería 24 de respaldo y configurarse para consumir la menor cantidad de energía posible.

La figura 7 muestra una sección transversal a través de un árbol 20 de rotor y una carcasa 21 de la turbina 2 eólica de la figura 1 anterior. El orificio interior de la carcasa 21 está revestido con un revestimiento 22L de cojinete, y el árbol 20 de rotor y el revestimiento 22L de cojinete están separados por una película 22F lubricante. El lubricante se puede rellenar a través de una entrada 220. Es importante que la película 22F lubricante se mantenga en todo momento cuando el árbol 20 rota. Cuando la velocidad de rotación es insuficiente para asegurar esto, el árbol 20 debe bloquearse o sujetarse en posición mediante el sistema 23 de frenos descrito anteriormente. Alternativamente, en lugar de proporcionar un sistema de frenos para sujetar el árbol durante condiciones de poco viento, se puede proporcionar una bomba para suministrar lubricante presurizado a través de la boquilla 220 para “hacer flotar” el árbol 20 sobre una capa de lubricante 22F presurizado.

La figura 8 muestra una turbina 2 eólica de la técnica anterior. El diagrama muestra la batería 24 de respaldo usual dispuesta para suministrar energía a auxiliares, incluyendo un sistema 23 de frenos dispuesto para sujetar o bloquear el árbol 20, por ejemplo, durante condiciones de velocidad del viento insuficiente. Se proporciona un sensor 25 de la velocidad del viento en la góndola para entregar mediciones 250 de la velocidad del viento al controlador 27 de la turbina eólica. Esto es posible siempre que haya energía disponible, por ejemplo, energía generada por la propia turbina eólica o energía extraída de la batería 24 de respaldo. Sin embargo, si la batería 24 de respaldo es la única fuente de energía y se ha agotado después de condiciones climáticas prolongadas de baja velocidad del viento, no podrá liberar los frenos 23 que estaban activados para proteger el cojinete en la carcasa 21. Se pueden producir daños graves, como se explicó en la introducción.

La figura 9 muestra la velocidad del viento S y el nivel de carga C de la batería para la turbina eólica de la técnica anterior de la figura 8. Aquí, cuando las condiciones de baja velocidad del viento o de calma persisten durante un período de tiempo prolongado (varias horas o incluso días), el nivel de carga C de la batería de respaldo puede agotarse por completo cuando la velocidad del viento vuelve a aumentar por encima de la mínima S^mín. En ese caso, la batería de respaldo no puede liberar los frenos y se pueden producir daños graves si el viento fuerza el giro del rotor aerodinámico contra los frenos activados.

Aunque la presente invención se ha descrito en forma de realizaciones preferidas y variaciones de las mismas, se entenderá que se podrían realizar numerosas modificaciones y variaciones adicionales sin apartarse del alcance de la invención.

Por motivos de claridad, debe entenderse que el uso de “un” o “una” a lo largo de esta solicitud no excluye una pluralidad, y “que comprende” no excluye otras etapas o elementos.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

   i. Método para proteger un cojinete (22L, 22F) liso de una turbina (2) eólica durante una parada, método que comprende las etapas de

   - proporcionar un monitor (10) de velocidad del viento para medir la velocidad del viento (S) en las proximidades de la turbina (2) eólica y generar una señal de alerta (W) cuando la velocidad del viento (S) supera una mínima (S^mín) predefinida;

   - proporcionar una batería (24) de respaldo para proporcionar energía de reinicio a una serie de auxiliares (23) de la turbina (2) eólica que incluyen al menos un sistema (23) de frenos del cojinete (22L, 22F) liso; - cambiar la batería (24) de respaldo desde un modo de energía normal (M1) a un modo de energía baja (M0) para conservar suficiente energía de reinicio; y

   - cambiar la batería (24) de respaldo de vuelta al modo de energía normal (M1) en respuesta a la señal de alerta (W).
2. 2. Método según la reivindicación 1, en el que una capacidad mínima (C^mín) predefinida de la batería (24) para proporcionar energía de reinicio se determina en una etapa previa del cálculo de la cantidad de energía necesaria para hacer girar el rotor aerodinámico de la turbina (2) eólica hacia el viento y para liberar los frenos ^{de un sistema (23) de frenos y/o para operar una bomba de lubricante del cojinete} (22^l, ^{22F) liso.}
3. 3. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una etapa de monitorizar la capacidad de la batería y, durante una condición de parada, cambiar la batería (24) de respaldo al modo de energía baja (M0) cuando la capacidad restante de la batería ha disminuido a la capacidad mínima (C^mín) predefinida requerida para proporcionar energía de reinicio a los auxiliares (23).
4. 4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los frenos del sistema (23) de frenos se activan cuando la velocidad del viento (S) cae por debajo de la velocidad mínima del viento (S^mín) para proteger el cojinete (22L, 22F) liso de daños durante una parada.
5. 5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los frenos del sistema (23) de frenos se liberan a tiempo para evitar daños en el cojinete (22L, 22F) liso y un árbol (20) de rotor cuando aumenta la velocidad del viento (S) por encima de la velocidad mínima del viento (S^mín).
6. 6. Disposición (10, 11) de protección de cojinetes de un cojinete (22L, 22F) liso dispuesto entre una carcasa (21) y un componente (20) rotatorio de una turbina (2) eólica, disposición (10, 11) de protección de cojinetes que está configurada para llevar a cabo las etapas del método de las reivindicaciones 1 a 5, y comprende - un monitor (10) de velocidad del viento dispuesto para monitorizar la velocidad del viento (S) en las proximidades de la turbina (2) eólica y generar una señal de alerta (W) cuando la velocidad del viento (S) supera una mínima (S^mín) predefinida; y

   - un módulo (11) de cambio de modo de una batería (24) de respaldo dispuesto para proporcionar energía de reinicio a una serie de auxiliares (23) de la turbina (2) eólica que incluye al menos un sistema (23) de frenos del cojinete (22L, 22F) liso, módulo (11) de cambio de modo que está adaptado para cambiar la batería (24) de respaldo desde un modo de energía normal (M1) a un modo de energía baja (M0) para conservar suficiente energía de reinicio después de condiciones de baja velocidad del viento, y para cambiar la batería (24) de respaldo desde el modo de energía baja (M0) a un modo de energía normal (M1) en respuesta a la señal de alerta (W).
7. 7. Disposición de protección de cojinetes según la reivindicación 6, en la que el monitor (10) de la velocidad del viento está incorporado en un sensor (25) de la velocidad del viento dispuesto en el exterior de la turbina (2) eólica.
8. 8. Disposición de protección de cojinetes según la reivindicación 7, en la que el sensor (25) de la velocidad del viento comprende un anemómetro de eje vertical.
9. 9. Disposición de protección de cojinetes según la reivindicación 8, en la que el monitor (10) de la velocidad del viento comprende un codificador (253, 254) rotatorio adaptado para generar un valor (250) digital de la velocidad del viento sobre la base de la velocidad de rotación del anemómetro.
10. 10. Disposición de protección de cojinetes según la reivindicación 7, en la que el monitor (10) de la velocidad del viento comprende un sensor (28) ultrasónico de la velocidad del viento adaptado para generar un valor (250) digital de la velocidad del viento.
11. 11. Disposición de protección de cojinetes según la reivindicación 9 o la reivindicación 10, en la que el monitor (10) de la velocidad del viento comprende un procesador (112) de señal digital adaptado para generar la señal de alerta (W) sobre la base del valor (250) digital de la velocidad del viento.
12. 12. Disposición de protección de cojinetes según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, que comprende una batería (115) recargable dispuesta para proporcionar energía a componentes del monitor (10) de la velocidad del viento.
13. 13. Disposición de protección de cojinetes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el módulo (11) de cambio de modo está adaptado para monitorizar la capacidad restante (C) de la batería y cambiar la batería (24) de respaldo al modo de energía baja (M0) cuando la capacidad restante de la batería ha disminuido a una capacidad mínima (C^mín) predefinida.
14. 14. Disposición de protección de cojinetes según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la batería (24) de respaldo está dispuesta para proporcionar energía de reinicio a una disposición de bomba de lubricante del cojinete (22L, 22F) liso, y/o

    en la que la batería (24) de respaldo está dispuesta para proporcionar energía de reinicio a un sistema de guiñada de la turbina (2) eólica.
15. 15. Turbina (2) eólica, que comprende

    - un componente (20) rotatorio, una carcasa (21) y un cojinete (22L, 22F) liso dispuesto entre la carcasa (21) y el componente (20) rotatorio;

    - una serie de sistemas (23) auxiliares dispuestos para reiniciar la turbina (2) eólica después de condiciones de baja velocidad del viento; y

    - una disposición (10, 11) de protección de cojinetes según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 14.