IT201700020849A1 - Giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l'albero di una turbina eolica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

[001] La presente invenzione trova collocazione nel settore tecnico dei collegamenti meccanici per organi in movimento ed ha per oggetto un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica.

[002] Come noto, le turbine eoliche bipala possono avere un rotore costituito da un mozzo oscillante incernierato all’estremità dell’albero.

[003] E’ inoltre previsto un mozzo oscillante applicabile alle turbine a controllo di passo, in cui le pale sono collegate al mozzo attraverso cuscinetti, e alle turbine a controllo d’imbardata, in cui le pale sono fissate rigidamente al mozzo.

[004] Nelle turbine di piccola taglia i mozzi oscillanti comprendono cerniere realizzate mediante la sovrapposizione alternata di strati cilindrici di metallo con strati cilindrici di materiale elastomerico.

[005] Le cerniere formate da strati cilindrici di materiale elastomerico presentano dimensioni relativamente limitate in quanto non è possibile realizzare vaste porzioni di materiale elastomerico omogeneo.

[006] Inoltre, la manutenzione di questo tipo di cerniere è particolarmente complicata, anche nelle turbine di piccola taglia.

[007] Nelle turbine di grande taglia, invece, è noto l’utilizzo di un mozzo oscillante comprendente una cerniera realizzata mediante una molteplicità di elementi elastomerici distinti.

[008] In questa tipologia di mozzi gli elementi elastomerici sono sollecitati da tutti i carichi trasferiti dalle pale all’albero turbina.

[009] In particolare, tali elementi sono sollecitati dalla coppia e dalla spinta aerodinamica, dalla forza peso del rotore e dal momento generato dall’oscillazione del rotore intorno alla cerniera.

[010] Inoltre, per consentire agli elementi elastomerici di lavorare in uno stato di compressione, all’atto del montaggio essi subiscono una deformazione tangenziale ottenuta facendo scorrere uno sull’altro gli strati di materiale elastomerico all’interno di una sede delimitata da una coppia di facce inclinate.

[011] In questo modo il precarico degli elementi elastomerici viene realizzato in maniera indiretta mentre durante il funzionamento della turbina il materiale è sottoposto prevalentemente ad una deformazione tangenziale ciclica la quale si sovrappone a quella del precarico.

[012] In questa tipologia di mozzi, per garantire la durata nel tempo del dispositivo gli elementi elastomerici vengono sovradimensionati ed utilizzati in maniera ridondante nella cerniera.

[013] Per turbine di taglia molto alta, questo tipo di cerniera può risultare troppo ingombrante.

[014] Inoltre, le dimensioni del mozzo comprendente una cerniera di questo tipo sono piuttosto elevate e ciò incrementa i costi complessivi del sistema.

[015] La presente invenzione intende superare i limiti delle soluzioni sopra esposte ed ha per oggetto una soluzione ibrida di mozzo oscillante costituita da una combinazione di elementi meccanici ed elastomerici.

[016] La presente invenzione intende risolvere i problemi tecnici sopra descritti consentendo di mettere a disposizione un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica che presenti un’elevata durata e non richieda frequenti manutenzioni.

[017] Un ulteriore scopo della presente invenzione consiste nel mettere a disposizione un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica in grado di sopportare per lungo tempo i carichi esterni agenti sull’albero.

[018] Un ulteriore scopo della presente invenzione consiste nel mettere a disposizione un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica che sia relativamente compatto e possa essere utilizzato in tutte le tipologie di turbine eoliche.

[019] Un ulteriore scopo della presente invenzione consiste nel mettere a disposizione un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica che possa essere facilmente installabile e consenta di ispezionare facilmente le parti che la compongono.

[020] Ancora, non ultimo scopo del presente trovato consiste nel mettere a disposizione un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica che sia di semplice costruzione e presenti costi di realizzazione relativamente ridotti.

[021] Questi scopi sono raggiunti da un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica in accordo con la rivendicazione 1.

[022] L’invenzione è basata su una soluzione compatta di tipo ಯibridoರ nella quale alcuni carichi passano dal mozzo all’albero turbina attraverso dei cuscinetti a strisciamento autolubrificanti e/o lubrificabili a grasso, mentre altri carichi passano dalla turbina al mozzo attraverso gli elementi elastomerici.

[023] Nel giunto oggetto del presente trovato, la forza ciclica causata dal peso del rotore in esercizio ed il momento ciclico causato dalle oscillazioni del rotore intorno alla cerniera sono contrastati da una serie di elementi elastomerici i quali vengono, rispettivamente, compressi dalla forza peso del rotore e subiscono una deformazione tangenziale per effetto del momento che si genera durante dall’oscillazione del rotore.

[024] La coppia e la spinta aerodinamica del rotore e la forza peso del rotore stesso generano delle forze radiali agenti sulla cerniera.

[025] Queste forze vengono contrastate da due coppie di cuscinetti autolubrificanti i quali generalmente sono ulteriormente lubrificabili mediante grasso o similari.

[026] Ciascuna coppia di cuscinetti è costituita da un manicotto metallico sferico autolubrificante e da un manicotto metallico cilindrico autolubrificante, tra loro radialmente sovrapposti.

[027] Altri scopi che saranno meglio descritti nel seguito sono conseguiti da un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica realizzata in accordo con le rivendicazioni precedenti.

[028] I vantaggi e le caratteristiche della presente invenzione emergeranno chiaramente dalla seguente descrizione dettagliata di una configurazione preferita ma non limitativa un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica con particolare riferimento ai seguenti disegni:

- La Figura 1 è una vista laterale di un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica;

- La Figura 2 è una sezione laterale del giunto di Figura 1;

- La Figura 3 è una vista prospettica sezionata di una porzione di Figura 2; - La Figura 4 è una vista laterale ingrandita di un primo particolare di Figura 3;

- La Figura 5 è una vista laterale di un secondo particolare di Figura3.

[029] La presente invenzione ha per oggetto un giunto per il collegamento oscillante tra il rotore e l’albero di una turbina eolica il quale sarà indicato nei disegni allegati con il numero di riferimento 1.

[030] Il giunto 1 comprende un mozzo 2 rotore di forma sostanzialmente scatolare e definente un asse longitudinale L.

[031] Tale mozzo 2 è atto ad alloggiare una testa d’albero 3 collegabile all’albero S della turbina e presenta almeno una coppia di fori 4 allineati lungo la direzione longitudinale L ma tra loro contrapposti.

[032] La testa d’albero 3 presenta una forma sostanzialmente a ಯTರ ed è provvista di una estremità cilindrica 5 destinata ad essere collegata all’albero S ed almeno due estremità opposte 6 le quali definiscono una coppia di perni cilindrici 7 disposti lungo l’asse longitudinale L.

[033] I perni 7 presentano una superficie esterna circolare 8 ed un bordo di estremità 9 sostanzialmente trasversale.

[034] Il giunto 1, inoltre, comprende una coppia di cerniere 10 poste in corrispondenza delle coppie di fori 4 del mozzo 2 per promuovere il collegamento oscillante dei perni 7 al mozzo 2.

[035] In generale, il mozzo 2 presenta una struttura metallica scatolare 11 essenzialmente di forma quadrata o cilindrica a cui sono collegate le pale 12 del rotore.

[036] Ciascuna cerniera 10 comprende almeno un cuscinetto a strisciamento 13 montato sulla superficie esterna 8 di un corrispondente perno 7 per consentirne la rotazione controllata rispetto all’asse longitudinale L ed il suo conseguente spostamento assiale rispetto a tale asse.

[037] Ogni cerniera 10, inoltre, presenta una pluralità di elementi di smorzamento, o ammortizzatori, 14 interagenti con il bordo 9 del perno 7 per smorzare le oscillazioni agenti sullo stesso lungo ed intorno alla direzione longitudinale L.

[038] Sono inoltre previsti mezzi di collegamento 15 atti a collegare reciprocamente il cuscinetto a strisciamento 13 con la pluralità degli elementi di smorzamento 14 in modo da realizzare un assieme unitario 16.

[039] Come ben visibile in Figura 3, i mezzi di collegamento 15 comprendono una porzione longitudinale 17 sostanzialmente cilindrica almeno parzialmente inseribile nel foro 4 del mozzo 2 e definente un alloggiamento 18 per il cuscinetto a strisciamento 13.

[040] La porzione inferiore 17 della cerniera 10 è collegata al mozzo 2 mediante una pluralità di prime viti 19 passanti attraverso opportuni fori 20 ricavati su una corona di collegamento 21.

[041] I mezzi di collegamento 15 presentano inoltre una corona circolare sostanzialmente trasversale posta a contatto con il bordo di estremità di un rispettivo perno ed unita alla porzione longitudinale cilindrica.

[042] La corona circolare 22 sarà unita al bordo di estremità 9 del perno 7 attraverso opportune viti di collegamento ed è atta a consentire l’alloggiamento della pluralità di elementi di smorzamento 14.

[043] Come meglio visibile nelle Figure 3 e 4, il cuscinetto a strisciamento 13 comprende una prima boccola autolubrificante cilindrica 24 inserita scorrevolmente sulla superficie esterna 8 del relativo perno 7 della testa 3 dell’albero, e una seconda boccola autolubrificante 25 montata scorrevolmente sulla prima boccola 24 attraverso un seggio 26.

[044] Il seggio 26 è fissato al mozzo attraverso la porzione longitudinale 17 della cerniera 10 mediante opportune viti 27 o elementi di collegamento simili.

[045] Il cuscinetto a strisciamento 13 presenta due superfici di scorrimento interne sferiche 28, 29 ricavate, rispettivamente, sulla prima 24 e sulla seconda boccola 25.

[046] La presenza delle superfici sferiche 28, 29 permette il disallineamento del perno 7 rispetto all’asse longitudinale L evitando in questo modo la presenza di sovraccarichi e impuntamenti in caso di spostamenti angolari fra la porzione longitudinale 17 ed il perno 7 durate l’applicazione dei carichi in esercizio.

[047] La prima boccola 24 presenta una superficie esterna 30 che concorre a rendere libera la rotazione intorno all’asse longitudinale L e consente spostamenti assiali lungo tale asse fra il perno 7 ed il mozzo 2.

[048] Opportunamente, il seggio 26 presenta una parete conica 31 posta a contatto con la superficie esterna 32 della seconda boccola autolubrificante 25.

[049] La posizione longitudinale di tale seggio 26 è regolabile in modo da bloccare il posizionamento della seconda boccola 25 rispetto al mozzo 2.

[050] Il seggio 26 può essere montato rispetto all’alloggiamento 18 in differenti posizioni angolari.

[051] In questo modo è possibile riposizionare angolarmente la seconda boccola autolubrificante 25 dopo un periodo di funzionamento predeterminato così da variare porzione della sua superfice sferica 29 destinata ad entrare in contatto con la superficie interna 28 della prima boccola 24.

[052] Grazie a questo accorgimento, sarà possibile variare le zone di contatto tra le superficie sferiche 28, 29 delle boccole 24, 25 passando da una zona usurata ad una zona non ancora usurata e prolungare così la durata del cuscinetto 13.

[053] Preferibilmente, potranno essere previsti mezzi di lubrificazione, non illustrati nelle figure, atti a promuovere la distribuzione controllata di un liquido lubrificante tra le superfici di scorrimento sferiche 28, 29 e cilindriche delle boccole 24, 25.

[054] Ad esempio, tali superfici 28, 29 possono essere lubrificate con grasso e potranno essere ricavati nella cerniera opportuni canali di adduzione del grasso, non visibili nelle figure.

[055] L’alimentazione del grasso può essere ripristinata periodicamente ed i mezzi di lubrificazione potranno essere del tipo manuale o automatico.

[056] Inoltre, il grasso può essere aggiunto periodicamente sia dall’interno del perno che dall’esterno dell’alloggiamento.

[057] Il giunto potrà anche comprendere guarnizioni elastiche 33, o diaframmi elastomerici, posti alle estremità del cuscinetto 13 ed atti a raccogliere il liquido lubrificante in eccesso che trafila o fuoriesce dalle superfici sferiche e cilindriche 28, 29 del cuscinetto 13.

[058] Ogni elemento di smorzamento 14 comprende una coppia di piastre di metallo 34 che ne definisce le estremità.

[059] All’interno delle piastre 34 sono sovrapposti in modo alternato strati di materiale metallico 35 e strati di materiale elastomerico 36.

[060] Questi strati 35, 36 potranno essere reciprocamente sovrapposti lungo un proprio asse di sviluppo e impilamento X, come visibile in Figura 5.

[061] Opportunamente, come meglio visibile in Figura 3, gli elementi di smorzamento 14 saranno posizionati sulla corona circolare 22 con il proprio asse di sviluppo X sostanzialmente parallelo all’asse longitudinale L.

[062] Questi elementi 14 saranno alloggiati lungo lo sviluppo circonferenziale della corona circolare metallica 22 ed una piastra 34 di ciascun elemento potrà essere inserita in una apposita cava formata sulla superficie esterna 37 della corona circolare 22.

[063] Questa piastra 34 sarà unita alla superficie esterna 37 della corona 22 mediante seconde viti di collegamento 38.

[064] L’altra piastra di estremità 34 di ciascun elemento di smorzamento 14 potrà essere ancorata con terze viti di collegamento 39 ad un settore 40 di corona anulare metallica.

[065] Quest’ultimo settore potrà a sua volta essere fissato alla porzione longitudinale 17 della cerniera 10 attraverso quarte viti di collegamento 41.

[066] Opportunamente, tra i settori 40 di corona anulare e la porzione longitudinale 17 potranno essere inseriti dei distanziali anulari 42 aventi uno spessore s predeterminato atto a promuovere una precompressione assiale degli strati elastomerici 36 durante il serraggio delle quarte viti di collegamento 41.

[067] Questa particolare configurazione dei settori 40 di corona anulare consente di assemblare, precaricare e sostituire gli elementi di smorzamento 14 in maniera separata ed indipendente tra loro.

[068] La precompressione degli strati elastomerici 36 può essere variata sostituendo il distanziale anulare 42 con un distanziale di spessore diverso.

[069] Gli elementi di smorzamento 14 potranno essere dimensionati in modo da conferire alla cerniera 10 la rigidezza assiale e la rigidezza torsionale richieste dal progetto funzionale della turbina.

[070] Inoltre, gli elementi elastomerici 14 svolgono un ruolo importante nello smorzare i carichi trasmessi longitudinalmente dal mozzo 2 al perno 7 della testa d’albero 2.

[071] Inoltre, gli elementi di smorzamento 14 concorrono ad ammortizzare i carichi che si trasmettono in direzione trasversale dal mozzo 2 al perno 7.

[072] Il giunto 1 può comprendere un coperchio 43 dotato di passaggi di ispezione richiudibili 44 attraverso i quali è possibile posizionare sensori di varia tipologia, non illustrati, atti a monitorare gli sforzi e le sollecitazioni agenti sui componenti della cerniera 10.

[073] I componenti cerniera 10 possono essere ispezionati dall’interno del mozzo 2 mediante opportuni passi d’uomo non visibili nelle figure.

[074] Inoltre, tra settori 40 di corona circolare ed i corrispondenti elementi di smorzamento 14 posso essere interposte celle di carico, anch’esse non illustrate, atte a controllare la forza assiale della cerniera 10.

[075] Anche se nella presente descrizione è stato descritto esclusivamente l’uso del presente giunto nel campo delle turbine eoliche, tale applicazione non deve essere intesa in maniera limitativa in quanto il dispositivo oggetto del trovato può essere installato anche su diversi organi di collegamento meccanici, siano essi terrestri o sottomarini, aventi comunque la funzione di collegare in maniera oscillante un albero ad un mozzo.

[076] La presente invenzione è realizzabile in altre varianti tutte rientranti nell’ambito delle caratteristiche tecniche inventive rivendicate e descritte; tali caratteristiche tecniche possono essere sostituite da diversi elementi tecnicamente equivalenti ed i materiali impiegati, le forme e le dimensioni del trovato possono essere qualsiasi purché compatibili con il suo uso.

[077] I numeri e i segni di riferimento inseriti nelle rivendicazioni e nella descrizione hanno il solo scopo di aumentare la chiarezza del testo e non devono essere considerati come elementi che limitano l’interpretazione tecnica degli oggetti o dei processi identificati con gli stessi.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un giunto (1) per il collegamento oscillante dell’albero rotante (S) di una turbina eolica comprendete: - un mozzo scatolare (2) definente un asse longitudinale (L) ed avente almeno una coppia di fori (4) longitudinalmente contrapposti ed allineati tra loro; - una testa d’albero (3) collegabile all’albero rotante (S) ed avente almeno una coppia di perni cilindrici (7) inseribili nei fori (4) di detto mozzo (2), ognuno di detti perni (7) avendo una superficie esterna cilindrica (8) ed un bordo trasversale di estremità (9); - almeno una coppia di cerniere (10) poste in corrispondenza di detta coppia di fori (4) per promuovere il collegamento oscillante di detti perni (4) al mozzo (2); in cui ciascuna cerniera (10) comprende: - almeno un cuscinetto a strisciamento (13) montato sulla superficie esterna (8) di un corrispondente perno (7) ed atto a consentirne, rispettivamente, la rotazione intorno all’asse longitudinale (L) ed il suo conseguente spostamento assiale rispetto a tale asse; - una pluralità di elementi di smorzamento (14) operativamente interagenti con il bordo (9) di detto mozzo (2) per smorzare le oscillazioni agenti sullo stesso lungo ed intorno alla direzione longitudinale (L); - mezzi di collegamento (15) atti a collegare reciprocamente detto almeno un cuscinetto a strisciamento (13) con detta pluralità di elementi di smorzamento (14) in modo da realizzare un assieme unitario (16).
2. 2. Giunto secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di collegamento (15) comprendono una porzione longitudinale (17) sostanzialmente cilindrica inseribile nel foro (4) del mozzo (2) e definente un alloggiamento (18) per detto almeno un cuscinetto a strisciamento (13), detta porzione longitudinale (17) essendo unita a detto mozzo (4) mediante una corona anulate (21) provvista di prime viti di collegamento (19).
3. 3. Giunto secondo la rivendicazione 2, in cui detti mezzi di collegamento (15) comprendono una corona (22) sostanzialmente trasversale posta a contatto con il bordo di estremità (9) di un rispettivo perno (7) ed unita a detta porzione longitudinale (17), detta corona circolare (22) essendo atta ad alloggiare detta pluralità di elementi di smorzamento (14).
4. 4. Giunto secondo la rivendicazione 3, in cui ognuno di detti cuscinetti a strisciamento (13) comprende una prima boccola autolubrificante (24) inserita sulla superficie esterna (8) di detto perno (7) ed una seconda boccola autolubrificante (25) montata scorrevolmente su detta prima boccola (24) ed ancorata a detta porzione longitudinale (9) mediante un seggio (26).
5. 5. Giunto secondo la rivendicazione 4, in cui detta prima boccola autolubrificante (24) e detta seconda boccola autolubrificante (25) presentano rispettive superfici interne di scorrimento sferiche (28, 29).
6. 6. Giunto secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detto seggio (26) presenta una parete conica (31) posta a contatto con la superficie esterna (32) di detta seconda boccola autolubrificante (25), detto seggio (26) essendo longitudinalmente regolabile per bloccare selettivamente la posizione di detta seconda boccola (25) rispetto a detto mozzo (2).
7. 7. Giunto secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui sono previsti mezzi di lubrificazione atti a promuovere la distribuzione controllata di un liquido lubrificante tra dette superfici di scorrimento sferiche (28, 29) e cilindriche (30, 32) di dette boccole (24, 25).
8. 8. Giunto secondo la rivendicazione 7, in cui è prevista una coppia di guarnizioni elastiche (33) poste alle estremità di ogni cuscinetto (13) per raccogliere il liquido lubrificante in eccesso che trafila dalle superfici (28, 29; 30, 32) dello stesso.
9. 9. Giunto secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun elemento di smorzamento (14) comprende una coppia di piastre metalliche di estremità (34) tra le quali sono disposti strati di materiale metallico (35) alternati a strati di materiale elastomerico (36), detti strati di materiale metallico (35) e detti strati di materiale elastomerico (36) essendo sovrapposti lungo un asse di sviluppo (X) predeterminato.
10. 10. Giunto secondo la rivendicazione 9, in cui gli elementi di smorzamento (14) di detta pluralità sono disposti lungo lo sviluppo di detta corona circolare (22) con il loro asse di sviluppo (X) sostanzialmente parallelo a detto asse longitudinale (L).
11. 11. Giunto secondo la rivendicazione 10, in cui ognuno di detti elementi di smorzamento (14) è alloggiato in una corrispondente cava ricavata sulla superficie esterna (37) di detta corona circolare (22), una piastra di estremità (34) di ciascun elemento di smorzamento (14) essendo ancorata alla superficie esterna (37) di detta corona circolare (22) attraverso seconde viti di collegamento (38).
12. 12. Giunto secondo la rivendicazione 11, in cui l’altra piastra di estremità (34) di ogni elemento di smorzamento (14) è ancorata ad un corrispondente settore di corona circolare (40) mediante terze viti di collegamento (39), detti settori di corona circolare (40) essendo a loro volta uniti a detta porzione longitudinale (17) di detta cerniera (10) mediante quarte viti di collegamento. (41)
13. 13. Giunto secondo la rivendicazione 12, in cui sono previsti anelli distanziatori (42) di spessore predeterminato (s) interposti tra detti settori di corona circolare (40) e detta porzione longitudinale (17) per promuovere la precompressione assiale degli strati di materiale elastomerico (36) di detti elementi di smorzamento (14).