ITMC20090141A1

ITMC20090141A1 - Turbina eolica e relativo generatore.

Info

Publication number: ITMC20090141A1
Application number: IT000141A
Authority: IT
Inventors: Sandro Siniscalchi
Original assignee: Mait Spa
Priority date: 2009-06-11
Filing date: 2009-06-11
Publication date: 2010-12-12

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

"TURBINA EOLICA E RELATIVO GENERATORE”.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente domanda di brevetto per invenzione industriale ha per oggetto una turbina eolica ed in particolare il gruppo generatore della turbina.

Con riferimento a Fig. 1, una turbina eolica generalmente comprende una torretta di supporto (4) all'estremità superiore della quale è disposto un elemento munito di coperchio (40) generalmente chiamato navicella. Un mozzo (2) è supportato girevolmente dalla navicella (40), mediante un gruppo di supporti e cuscinetti. Il mozzo (2) è provvisto di appositi attacchi radiali (20) atti ad essere collegati ad attacchi complementari di pale (P) che si estendono radialmente dal mozzo per sfruttare la spinta del vento. L’insieme di mozzo e pale costituisce il rotore aerodinamico.

Il mozzo (2) è provvisto di un albero, denominato albero lento che è collegato a un rotore di un generatore elettrico (3) predisposto a trasformare l’energia meccanica in energia elettrica.

Nelle moderne turbine eoliche ad asse di rotazione orizzontale si distinguono principalmente due soluzioni circa la scelta del gruppo generatore elettrico e, quindi, del tipo di trasmissione del moto dall'albero lento al rotore del generatore elettrico:

- generatore elettrico a basso numero di poli, e

- generatore elettrico multipolare.

Affinché il generatore elettrico sia in grado di produrre energia elettrica alla frequenza richiesta dalla rete, nella prima soluzione è necessario interporre un moltiplicatore di giri fra albero lento e rotore del generatore.

Nella seconda soluzione, la cosiddetta “Direct-Drive”, è possibile eliminare il moltiplicatore di giri collegando direttamente albero lento e rotore del generatore elettrico. Il generatore elettrico, di tipo a magneti permanenti, dovrà essere correttamente dimensionato sia in termini di numero di poli che in termini di robustezza strutturale, dovendo assorbire una coppia molto più elevata rispetto alla soluzione con moltiplicatore di giri.

Come mostrato in Fig. 1, il generatore elettrico (3) ha una forma anulare ed è posto generalmente a sbalzo fra mozzo (2) e torre (4) della turbina, in modo da ridurre la lunghezza dell'albero lento. Per sopportare a sbalzo sia il mozzo (2) che il generatore (3), le strutture di collegamento alla torre ed i cuscinetti risultano generalmente piuttosto pesanti.

In particolare il rotore del generatore (3) utilizza gli stessi cuscinetti di supporto su cui è montato l'albero lento. Questo comporta che qualsiasi deformazione dei supporti sotto carico si rifletta anche sul rotore del generatore elettrico (3) e può avere influenza sul valore del traferro (distanza fra statore e rotore del generatore) al quale è strettamente legata l’efficienza del generatore elettrico e quindi la resa energetica della macchina eolica.

In tale configurazione con generatore (3) posto fra torre (4) e mozzo (2), in caso di interventi sul generatore (3), è necessario rimuovere le pale (P) o l’intero mozzo (2) prima di poter rimuovere il generatore elettrico (3) e questo comporta l’utilizzo di costose gru e lunghi periodi di fermo macchina.

Sono altresì noti sistemi di supporto del generatore usati solo su alcune macchine munite di moltiplicatore di giri, che normalmente vengono denominati “Three point suspension” (supporto su tre punti); poiché l'albero viene supportato da tre gruppi distanziati di cuscinetti.

Scopo della presente invenzione è di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota, fornendo una turbina eolica provvista di un gruppo generatore che sia efficiente, efficace, affidabile, versatile.

Altro scopo della presente invenzione è di fornire una tale turbina eolica provvista di un gruppo generatore che sia di semplice realizzazione, istallazione e manutenzione.

Questi scopi sono raggiunti in accordo all’invenzione, con le caratteristiche elencate nell’annessa rivendicazione indipendente 1.

Realizzazioni vantaggiose appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.

La turbina eolica secondo l'invenzione prevede che il generatore elettrico sia disposto nella parte posteriore della navicella e cioè dal lato della torre opposto a quello in cui si trova il rotore. Quindi l'asse verticale della torre si trova tra il mozzo e il generatore.

In questo caso si possono prevedere due gruppi di supporto separati: un primo gruppo di supporto per supportare girevolmente l'albero lento solidale al mozzo e un secondo gruppo di supporto per supportare girevolmente il rotore del generatore ed assorbire le forze derivanti dalla coppia trasmessa dallo statore alla struttura fissa.

La soluzione proposta presenta i seguenti vantaggi.

I carichi derivanti dal vento che agisce sulle pale del mozzo non sono trasmessi al generatore elettrico, in quanto vengono assorbiti dal primo gruppo di cuscinetti di supporto e dalla torre. In tal modo le deformazioni indotte dai carichi stessi non influiscono sul traferro (distanza fra statore e rotore del generatore), permettendo al generatore elettrico di lavorare in condizioni ottimali e comunque controllabili, in quanto i carichi più importanti che gravano sul secondo gruppo di cuscinetti del generatore elettrico sono solo quelli dovuti al peso proprio del rotore del generatore, facilmente calcolabile e non influenzabile da condizioni esterne come il vento. È molto importante sottolineare che l’efficienza del generatore elettrico e quindi la resa energetica della macchina eolica è fortemente dipendente dal valore del traferro. Soprattutto nel caso di un generatore a magneti permanenti.

Inoltre con tale configurazione è possibile sostituire agevolmente il generatore elettrico, senza rimuovere né il mozzo, né le pale, né la navicella.

Tale configurazione in cui il generatore è montato nella parte posteriore della navicella, in maniera indipendente dal mozzo, consente di interporre un cuscinetto a sfere o a rulli fra rotore e statore del generatore elettrico, mentre la coppia di reazione dello statore è assorbita da supporti, quali boccole preferibilmente in gomma Il cuscinetto è caricato sostanzialmente solo dal peso del rotore del generatore.

Tale soluzione presenta i seguenti vantaggi:

Il cuscinetto permette un centraggio ideale fra rotore e statore poiché le sedi, le forature e quant’altro sono realizzate di macchina nel telaio di supporto delle parti attive del generatore elettrico con lo stesso posizionamento.

Il generatore può essere interamente montato e testato in officina come fosse un prodotto finito. Nel caso in cui i supporti del generatore siano gli stessi del mozzo l’assemblaggio e i test in officina possono essere fatti solo utilizzando una dima della turbina, ma poi il generatore va smontato e rimontato sulla turbina in campo.

I carichi che sollecitano tale cuscinetto sono di facile determinazione poiché sono rappresentati sostanzialmente dal peso del rotore del generatore, pertanto la valutazione delle deformazioni del telaio di supporto delle parti attive del generatore e quindi l’influenza di queste deformazioni sul valore del traferro può essere effettuata in maniera affidabile.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione appariranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a una sua forma di realizzazione puramente esemplificativa e quindi non limitativa, illustrata nei disegni annessi, in cui:

la Fig. 1 è una vista in prospettiva, parzialmente interrotta, illustrante la parte superiore di una turbina eolica secondo la tecnica nota;

la Fig. 2 è una vista come Fig. 1, ma illustrante una turbina eolica secondo l'invenzione;

la Fig. 3 è una vista in prospettiva della turbina di Fig. 2 in cui è stata rimossa la copertura della navicella;

la Fig. 3A è una vista come Fig. 3, ma da una prospettiva diversa;

la Fig. 4 è una vista laterale della turbina di Fig. 2 illustrante in sezione assiale il gruppo generatore; e

la Fig. 5 è una vista ingrandita del gruppo generatore di Fig. 4.

Con l'ausilio delle Figg. 2 - 5 viene descritta la turbina eolica secondo l'invenzione, indicata complessivamente con il numero di riferimento (1). In seguito elementi uguali o corrispondenti a quelli già descritti sono indicati gli stessi numeri di riferimento e si omette la loro descrizione dettagliata.

Con riferimento a Fig. 2, la turbina (1) comprende una navicella (40) avente la forma di un elemento tubolare con sezione sostanzialmente a "T". La navicella (40) comprende:

- una porzione inferiore (43) che viene fissata all'estremità superiore della torretta (4);

- una porzione anteriore entro la quale il mozzo (2) è supportato girevolmente; e

- una porzione posteriore (45) nella quale è montato il gruppo generatore (3).

In questo caso il mozzo (2) e il gruppo generatore (3) sono supportati a sbalzo sue due porzioni opposte della navicella (40) rispetto alla torretta (4).

Con riferimento a Fig. 3, un albero lento (A) presenta una prima estremità solidale al mozzo (2). La navicella (40) comprende una base (41) provvista di una sede di forma arcuata (42) supportante un primo gruppo di supporto (5) che preferibilmente può essere un cuscinetto. Il primo gruppo di supporto (5) supporta girevolmente l'albero lento (A) solidale al mozzo (2). Vale a dire l'anello interno del primo gruppo di cuscinetti (5) è solidale all'albero lento; mentre l'anello esterno è solidale alla sede (42) della navicella.

Il primo gruppo di cuscinetti (5) è disposto nella parte anteriore (44) della navicella, a una breve distanza dall'asse verticale della torre (4).

L'albero lento (A) attraversa la navicella (40), superando l'asse della torre (4), in modo che una porzione della seconda estremità dell'albero lento (A) possa essere collegata ad un rotore (R), disposto girevolmente entro uno statore (S) del gruppo generatore (3). Il generatore (3) preferibilmente è a magneti permanenti di tipo direct drive.

Come mostrato in Fig. 4, tra il rotore (R) e lo statore (S) si genera una sottile intercapedine toroidale di aria denominata traferro (T).

Un secondo gruppo di supporto (6), quale ad esempio un cuscinetto a sfere o a rulli oppure una ralla, è disposto tra il rotore (R) e lo statore (S), in modo che il rotore (R) sia supportato girevolmente dallo statore (S), indipendentemente dalle sollecitazioni che gravano sul primo gruppo di cuscinetti (5).

Il secondo gruppo di cuscinetti (6) è disposto all'opposto del primo gruppo di cuscinetti (5) rispetto all'asse della torre (4). Vantaggiosamente, il secondo gruppo di cuscinetti (6) può essere disposto in posizione diametralmente opposta rispetto al primo gruppo di cuscinetti (5). Cioè la distanza tra il primo gruppo di cuscinetti (5) e l'asse della torre è prossima alla distanza tra il secondo gruppo di cuscinetti (6) e l'asse della torre.

Con riferimento a Fig. 5, il generatore (3) comprende una carcassa (30) resa solidale alla navicella (40). Lo statore (S) è reso solidale alla carcassa (30). Flange (31) radiali, solidali alla carcassa (30), supportano un codolo (32) attraverso il quale passa l'albero lento (A). Il rotore (R) è solidale all'albero lento (A), mediante una flangia (7).

Il secondo gruppo di cuscinetti (6) presenta un anello esterno (60) solidale alle flange (31) della carcassa e un anello interno (61) solidale alla flangia (7) del rotore. Tra l'anello interno (61) e l'anello esterno (60) del cuscinetto (6) sono disposte una pluralità di sfere o rulli (62).

Come mostrato in Fig. 3A, è previsto un terzo gruppo di supporto (8) che fissa lo statore (S) alla base (41) della navicella. Il terzo gruppo di supporto (8) comprende un supporto (80) solidale alla navicella. Nel supporto (80) sono montati due perni (81) disposti in posizioni diametralmente opposte rispetto all'albero lento (A). Ai due perni (81) sono fissate le estremità di una flangia (82) solidale allo statore (S).

La flangia (82) presenta un foro centrale (83) entro il quale e monatto girevole l'albero lento (A), mediante gruppi di cuscinetti.

Boccole in gomma (non mostrate nella figura) sono interposte tra l'albero lento (A) e la flangia (82) per assorbire la coppia di reazione dello statore (S).

Alla presente forma di realizzazione dell’invenzione possono essere apportate numerose variazioni e modifiche di dettaglio, alla portata di un tecnico del ramo, rientranti comunque entro l’ambito dell’invenzione espresso dalle rivendicazioni annesse.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Turbina eolica (1) comprendente: - una torre di supporto (4), - una navicella (40) montata fissa all'estremità superiore della torre (4), - un mozzo (2) provvisto di pale (P) che si estendono radialmente da esso, - un albero lento (A), supportato girevolmente da detta navicella (4), con un asse sostanzialmente orizzontale, e provvisto di una prima estremità solidale a detto mozzo (2), in modo che il mozzo (2) possa essere supportato a sbalzo rispetto alla torretta (4), - un generatore (3) comprendente uno statore (S) solidale alla navicella (40) ed un rotore (R) collegato all'albero lento (A), in cui detto generatore (3) è disposto nella navicella (40) dalla parete opposta rispetto al mozzo, cioè l'asse verticale di detta torre (4) si trova tra il mozzo (2) e il generatore (3), caratterizzata dal fatto di comprendere inoltre: - un primo gruppo di supporto (5) montato in detta navicella (40) nella sua parte anteriore e supportante girevolmente detto albero lento (A), e - un secondo gruppo di supporto (6) atto a rendere girevole il rotore (R) rispetto allo statore (S) del generatore (3) e, al tempo stesso, supportare l’albero lento (A) nella parte posteriore della navicella.
2) Turbina eolica (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto generatore (3) è supportato a sbalzo rispetto alla torre (4).
3) Turbina eolica (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detto secondo gruppo di supporto (6) è disposto in posizione opposta a detto primo gruppo di supporto (5) con riferimento all'asse della torre (4).
4) Turbina eolica (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che la distanza tra l'asse della torre (4) e il secondo gruppo di supporto (6) è sostanzialmente uguale alla distanza tra l'asse della torre e il primo gruppo di supporto (5).
5) Turbina eolica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto primo gruppo di supporto comprende un cuscinetto (5) provvisto di un anello interno e un anello esterno, in cui l'anello interno è solidale all'albero lento (A) e l'anello esterno è solidale alla navicella (40).
6) Turbina eolica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto secondo gruppo di supporto comprende un cuscinetto (6) provvisto di un anello interno (61) ed un anello esterno (60), in cui l'anello interno è solidale ad una flangia (7) del rotore (R) fissata all'albero lento (A) e l'anello esterno (61) è solidale ad una flangia (31) dello statore (S) che è solidale alla navicella (40), tra l'anello interno (61) e l'anello esterno (60) essendo previste sfere o rulli (62).
7) Turbina eolica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto secondo gruppo di supporto (6) comprende una ralla.
8) Turbina eolica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzata dal fatto di comprendere un terzo gruppo di supporto (8) comprendente una flangia (82) supportata dalla base (41) della navicella e solidale allo statore (S); detta flangia (82) prevedendo un foro centrale (83) attraverso il quale passa l'albero lento (A), essendo previste boccole tra la flangia (82) e l'albero lento per assorbire i carichi derivanti dalla coppia di reazione dello statore (S).
9) Turbina eolica (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detta navicella (40) ha una forma tubolare con sezione sostanzialmente a "T" e comprende: - una porzione inferiore (43) fissata all'estremità superiore della torre (4), - una porzione anteriore (44) di fronte alla quale ruota detto mozzo (2), e - una porzione posteriore (45) in cui è montato detto generatore (3).