GENERADOR ELÉCTRICO PARA TURBINAS DE VIENTO Y AIRE REFERENCIA CRUZADA A SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud se refiere a la solicitud de Patente de los E.U.A. Número de Serie 10/773,851, con título "Variable Speed Wind Turbine Technology", presentada en febrero 4, 2004; la patente de los E.U.A. número 6,304,002; la solicitud de patente de los E.U.A. Número de Serie 10/213,764 de Amir S. Mikhail y Edwin C. Hahlbeck, con título "Improved Distributed Power Train That Increases Electric Power Generator Density" presentada en agosto 7, 2002; la solicitud de patente de los E.U.A. Número de Serie 09/920,247 de Peter Stricker, con título "Distributed Generation Drivetrain (DGD) Controller For Application To Wind Turbine and Ocean Current Turbine Generators" presentada en julio 31, 2001; la solicitud de patente de los E.U.A Número de Serie 10/426,287 de Kevin L. Cousineau, con título "Distributed Static VAR Compensation (DSVC) System For Wind And Water Turbine Applications" presentada en abril 30, 2003, y la solicitud de patente de los E.U.A. Número de Serie 10/449,342 de Amir S. Mikhail y Edwin C. Hahlbeck, con título "Improved Distributed Power Train (DGD) with M ltiple Power Paths" presentada en mayo 31, 2003, todas las cuales fueron asignadas a Clipper Windpower Technology, Inc. y se incorporan aquí por referencia.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN 1. Campo de la Invención Esta invención se refiere a dispositivos de generación de energía eléctrica tales como turbinas de viento y turbinas de corrientes oceánicas, y más particularmente a un generador eléctrico, particularmente adecuado para ser alojado en una barquilla de turbina de una turbina de eje horizontal, flujo axial, de viento o de agua . 2. Técnica Previa En una turbina de viento de eje horizontal típica, una barquilla se monta en una torre vertical alta. La barquilla aloja mecanismos transmisores de energía, equipo eléctrico y soporta un sistema de rotor en un extremo. Los sistemas de rotor para turbinas de viento de eje horizontal, ordinariamente incluyen una o más aspas conectadas a un cubo de rotor en una flecha. El flujo del viento hace girar al rotor, que a su vez gira una flecha principal en la barquilla. La flecha gira una caja de engranajes, que transmite par de torsión a un generador eléctrico. La barquilla típicamente gira respecto a la torre vertical, para aprovechar el viento que fluye desde cualquier dirección. El giro respecto a este eje vertical en respuesta a cambios en la dirección del viento, se conoce como desvío o respuestas de desvío y el eje vertical se refiere como el eje de desvío. Conforme el viento se mueve pasando las aspas con velocidad suficiente, el sistema rotor gira y la turbina de viento convierte la energía del viento en energía eléctrica a través del generador. Una salida eléctrica del generador se conecta a una red de energía. Los generadores empleados en las turbinas de viento usualmente se conectan a la flecha de salida de la caja de engranajes, con un acoplamiento flexible. El generador se monta en una estructura de soporte y se calza o ajusta por tornillos para alinear el generador a la caja de engranajes. Debido a la flexibilidad de muy grandes plataformas, el acoplamiento se expande a un acoplamiento y contra eje para acomodar la deflexión. El rotor-generador se sostiene por cojinetes ubicados en el bastidor de generador y requieren lubricación en un programa regular. Es por lo tanto conveniente el proporcionar un sistema de montaje de generador que elimina acoplamientos . También es conveniente el proporcionar un generador de turbina de viento que es fácil de montar y desmontar en una barquilla que se ubica sobre una torre alta.
También es conveniente el proporcionar un generador de turbina de viento que proporciona un alineamiento perfecto o casi perfecto del espacio de aire . También es conveniente el proporcionar un generador de turbina de viento que proporciona ahorros en costos, al utilizar un sello de laberintos que se duplica como un protector de magneto. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN De acuerdo con los principios de esta invención, un generador para turbinas de flujo de fluido de eje horizontal incluye un rotor-generador montado en forma única a piñones de salida de caja de engranajes, de esta manera eliminando la necesidad por acoplamientos. El bastidor de generador se ubica directamente en la caja de engranajes y se sitúa para controlar el entrehierro. El control del entrehierro, es crítico para una función adecuada del generador. De acuerdo con un aspecto de la invención, la ubicación del rotor de generador es servida por ahusamientos de ubicación dual . Los ahusamientos permiten un alineamiento libre de separación. Para facilitar remoción del generador, los ahusamientos tienen ángulos empinados que exceden el coeficiente de fricción de los materiales empleados. Unos ahusamientos empinados tienen una longitud limitada conforme disminuye rápidamente el diámetro. Para proporcionar un soporte adecuado sobre su longitud, la flecha emplea ahusamientos duales; cada superficie cónica corta y ubicada en forma precisa, proporciona una ubicación exacta en los lados cercano y lejano del eje. El encontrar la ubicación exacta asegura un balance correcto del rotor. La longitud de la flecha recta entre los ahusamientos de ubicación dual, sirve para soportar al generador durante montaje y desmontaje. Esto es importante debido a que hace conveniente y seguro al montaje del generador. El ajuste en la flecha y la perforación de rotor de acoplamiento tienen suficiente separación para permitir ensamblado bajo todas las condiciones . La porción del eje o flecha recto entre los ahusamientos de ubicación dual, mientras que tienen suficiente separación para facilidad de ensamblado, ubica lo suficientemente en forma precisa al bastidor de generador, para permitir un acoplamiento inicial de los pasadores de ubicación del bastidor. Estos pasadores en forma de bala provocan auto alineamiento del bastidor conforme se avanza el generador en las flechas de engranajes durante montaje del generador en la barquilla. Conforme el montaje generador se jala dentro de la flecha por el apriete de sus pernos de montaje, los ahusamientos centran el rotor y los pasadores cilindricos o de bala centran el bastidor (estator) . Cada uno del rotor y estator se retienen por su sistema de empernado respectivo. El sistema de empernado del rotor proporciona suficiente carga de contacto en los ahusamientos para transmitir el par de torsión de impulso necesario . A fin de alinear aproximadamente el sub-montaje de rotor y bastidor, el sub-montaje de alinea por elementos retenedores de ajuste suelto. Estos elementos tienen una separación ligeramente menor que el espacio de aire para centrar el rotor y el estator lo suficientemente bien para evitar daño a los magnetos del rotor. Cuando el sistema alinea el rotor y estator, estos elementos retenedores actúan como sellos de laberinto, diseñados para proteger el interior de generador contra contaminación . La invención tienen la ventaja de que el sistema de montaje único elimina acoplamientos. La invención tiene la ventaja de que el generador es fácil de montar y desmontar en una barquilla de turbina de viento, ubicada sobre una torre alta. La invención tiene la ventaja de que el diseño de generador proporciona un alineamiento casi perfecto o perfecto del espacio de aire. El alineamiento perfecto provoca que el balance se repita a tolerancias de fábrica . La invención tiene la ventaja de que el sello de laberinto del generador se duplica como un protector de magneto, de esta manera resultando en ahorros de costo . La invención tiene la ventaja de que el uso de ahusamientos permite la orientación del rotor-a—caja de engranajes sea aleatoria. Cajas de engranajes en campo tiene un freno aplicado. Un generador sin cojinetes no puede alinearse fácilmente si se utilizan chavetas. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en perspectiva en corte de un generador de turbina de viento convencional de la técnica previa; La Figura 2A es una vista frontal de una barquilla en donde se incorpora la invención; La Figura 2B es una vista lateral de puerta de una barquilla en donde se incorpora la invención; La Figura 2C es una vista en perspectiva de corte de la barquilla de las Figuras 2A y 2B; La Figura 2D es una vista en perspectiva de un sub-montaje que comprende cuatro generadores, en cada uno de los cuales se incorpora la presente invención;
La Figura 3 es una vista lateral en sección transversal de uno de los generadores ilustrado en la Figura 2D; La Figura 4 es una porción de la vista lateral en sección transversal de uno de los generadores ilustrado en la Figura 3; La Figura 5 es una ilustración de los tubos de enfriamiento de agua ilustrado en la Figura 4 ; La Figura 6A es una vista en sección transversal de una mitad del estator; La Figura 6B es una vista en sección transversal de una ranura de devanado; y La Figura 7 es una vista de núcleo de estator ilustrado en la Figura 3. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Con referencia a la Figura 1, que es una vista en perspectiva en corte de un generador de turbina de viento convencional de la técnica previa. La turbina de viento comprende un generador 100 y una caja de engranajes 104, que se acoplan a la flecha de alimentación del generador mediante un acoplamiento 102. La flecha de alimentación de engranaje se conecta a una flecha principal de turbina 106, que se desplaza por el rotor de turbina, que gira por la energía del viento. Las características principales de la presente invención que la distinguen frente a la técnica previa, se resumen a continuación y los componentes claves se discuten con más detalle en las secciones siguientes. * Transmisión compacta que caracteriza una flecha principal integrada, dos cajas de engranajes helicoidales de dos etapas, y conjunto multi-generador que se desplaza por cuatro flechas de salida. Ver Figura 2C. * Barquilla compacta que es significativamente más corta que algunas turbinas de viento, de valor nominal comparable. Las Figuras 2A y 2B muestran dimensiones clave de una barquilla ensamblada; * Cuatro generadores síncronos de magneto permanente enfriados por aire o enfriados por líquidos separados, con conversión completa de energía; ß Requerimiento de capacidad de grúa reducida, comparable con el requerido para una turbina con capacidad nominal típica de 1.5 MW a 2 MW. Con referencia a las Figuras 2C y 2D, que son vistas en perspectiva de un sub-montaje generador de turbina de viento que comprende cuatro generadores. La presente invención se incorpora en cada generador. El dispositivo generador con energía de viento, incluye un generador eléctrico alojado en una barquilla de turbina 200, que se monta a una base de desvío 202 sobre una estructura de torre alta anclada al piso. La base de desvío de turbina 202 está libre para girar en el plano horizontal de manera tal que tiende a permanecer en la ruta de la corriente predominante del viento. La turbina tiene un cubo 206 con aspas principales (no mostradas) conectadas. Las aspas giran en respuesta a la corriente del viento. Cada una de las aspas puede tener una sección de extensión de aspa que es variable en longitud, para proporcionar un rotor de diámetro variable y puede ser engranada para cambiar el paso. La barquilla 200 aloja mecanismos para transmisión de energía, equipo eléctrico y una flecha que soporta el rotor. El sistema rotor ilustrado en las Figuras 2C y 2D tiene aspas (no mostradas) conectadas al borde exterior del cubo 206, que giran una flecha en la barquilla. La flecha gira engranajes que transmiten par de torsión a los cuatro generadores eléctricos . La barquilla gira respecto a un eje vertical para aprovechar el viento que fluye desde cualquier dirección. El giro respecto a este eje vertical en respuesta a cambios en la dirección del viento se conoce como desviación o respuestas de desviación y el eje vertical se refiere como el eje de desviación. Conforme el viento pasa por las aspas con velocidad suficiente, el sistema rotor gira y la turbina de viento convierte la energía del viento en energía eléctrica a través de los generadores. Salidas eléctricas de los generadores se conectan a una red de energía . El diámetro del rotor puede ser controlado para extender completamente las aspas de rotor a una baja velocidad de flujo y retraer las aspas de rotor conforme aumenta la velocidad de flujo de manera tal que las cargas suministradas por o ejercidas sobre el rotor o exceden límites predeterminados. La turbina se mantiene por la estructura de la torre en la ruta de la corriente del viento, de manera tal que la turbina se mantiene en sitio horizontalmente, en alineamiento con la corriente del viento. El generador eléctrico se desplaza por la turbina para producir electricidad y se conecta a los cables que transportan energía que interconectan con otras unidades y/o a una red de energía. Con referencia a la Figura 3, que es una vista lateral en sección transversal de uno de los generadores ilustrados en las Figuras 2C y 2D. Los siguientes números identifican elementos correspondientes del aparato generador/caja de engranajes: 1- radiador para generador enfriado por agua 2- alojamiento extremo contra el viento 3- chaqueta o cubierta exterior 4- núcleo estator 5- ventilador de extremo 6- núcleo rotor 7- perno de radiador 8- perno retenedor 9- manguera de engrasado 10- cepillo de tierra 11- alojamiento de extremo a favor del viento 12- cubos de cepillo 13- ventilador axial 14- ventilador radial 15- retenedor de cojinetes 16- sello de laberinto 17- cojinete opcional externo 18- cubo de husillo 19- cubo de rotor 21- piñón de alta velocidad para caja de engranajes
22- husillo de caja de engranajes 23- alojamiento de soporte central 24- entrada de agua 25- perno de retención de entrada de agua 26- cojinetes de husillo de caja de engranajes 27- alojamiento de caja de engranaje 28- perno de soporte central 29- perno de alojamiento de extremo contra el viento 30- perno de alojamiento de extremo a favor del viento 31- espacio de aire 32 -retenedor para entrada de agua. 33 -ahusamiento 34 -ahusamiento 35-pasador de nariz-bala 36 -perno de montaje 37-pernos de rotor 38-magnetos de rotor 39-rectificador 40 -terminales de generador 41-montajes de diodo 42-conector de salida El generador incluye un rotor de generador 66 montado en forma única a los piñones de salida de caja de engranajes 21 eliminando la necesidad por acoplamientos.
El bastidor de generador 3 se ubica directamente en la casa de engranaje 27 y ubica para controlar el entrehierro 31. El control del entrehierro 31 es crítico para una función de generador adecuada. La ubicación del rotor generador se alinea por ahusamientos duales 33 y
34. Los ahusamientos permiten alineamiento libre de separación. Para facilitar la remoción, los ahusamientos tienen ángulos empinados que exceden el coeficiente de fricción de los materiales empleados . Los ahusamientos empinados tienen longitud limitada conforme disminuye rápidamente el diámetro. La flecha emplea ahusamientos duales a fin de proporcionar un soporte adecuado sobre su longitud. Cada superficie cónica corta y ubicada en forma precisa de los ahusamientos proporcionan una ubicación exacta en los lados cercano y lejano. La longitud de la flecha de husillo recta 22 entre los ahusamientos de localización 33 y 34, sirve para soportar al generador durante montaje y desmontaje. Esto es importante para hacer el montaje conveniente y seguro. El ajuste en esta flecha y la perforación del rotor de acoplamiento tienen separación suficiente para permitir ensamblados bajo todas las condiciones. La porción de flecha de husillo recto 22, mientras que tiene separación suficiente para fácil montaje, ubica al bastidor de generador 3 suficientemente en forma precisa, para permitir acoplamiento inicial de los pasadores de localización de bastidor 35. Estos pasadores en forma de bala provocan auto-alineamiento del bastidor, conforme se avanza el generador en la fecha de caja de engranajes 22. Conforme el montaje de generador se impulsa sobre la fecha por él apriete de sus pernos de montaje 36, los ahusamientos centran al rotor 6 y los pasadores de bala 35 centran el bastidor/estator 3.
El rotor y estator cada uno se retienen por su sistema de empernado respectivo. El sistema de empernado derrotó 36 proporciona suficiente carga de contacto con los ahusamientos 33, 34 para transmitir el par de impulso necesario. A fin de alinear aproximadamente el sub-montaje de rotor y bastidor, se alinean por elementos retenedores de ajuste suelto 2-16. Estos elementos 2-16 tienen ligera menos separación que el entrehierro 31 para centrar bien el rotor y estator suficiente para evitar daño a las magnetos del rotor 38. Cuando el sistema alinea el rotor y extractor, estos elementos retenedores actúan como sellos de laberinto 16 diseñados para proteger contra contaminación el interior del generador. Rectificadores Integrales Sistemas de frecuencia de variables típicos consisten de generadores síncronos o asincronos cuya salida se rectifica a CD (DC) y después se invierten a frecuencia de línea. El enfoque convencional es conducir la salida de frecuencia variable a un sistema convertidor en donde se llevan a cabo estas conversiones. En esta invención, la rectificación ocurre en un rectificador 39 ubicado justo en el generador. Esto tiene las siguientes ventajas : La conexión de terminales de generador 40 es directamente en los montajes de diodo 41, eliminando juntas y aislamiento innecesarios. El colector de salida 42 tiene un voltaje superior, que reduce el tamaño de las terminales de salida del generador 40. El conector de salida 42 tiene solo dos alambres, las salidas + y -, no importa que tantas fases tenga el generador. El número reducido de alambres es muy importante ya que reduce costos para grandes tramos de cable. La ubicación del generador ayuda en proporcionar empaque compacto al eliminar uniones extra y extensión del bastidor de generador como parte del colector térmico. En una configuración distribuida, con múltiples generadores, los rectificadores conectados directamente a los generadores, permiten desconexión de los sistemas generadores individuales durante falla del rectificador, permitiendo que las unidades restantes continúen operando. Estator de Enfriado por Agua Ahora con referencia a la FIGURA 4 , que es una porción de la vista lateral en sección transversal de uno de los generadores mostrados en la FIGURA 3, ilustrando la ubicación de un sistema de enfriamiento de agua para enfriar el estator del generador de magneto permanente (PM = permanent magnet) . Se coloca tubería de enfriamiento ya sea directamente en la ranura de devanado o se coloca en orificios punzonados justo por encima o adyacentes a las ranuras de devanado. Múltiples de tubos 50 y 52 mostrados en la FIGURA 5, proporcionan líneas de alimentación de agua 54 y 56, que alternan la dirección de flujo de agua en cada ranura salteada del núcleo de estator 4 (FIGURA 3) para equilibrar la extracción de calor del núcleo de estator en cada extremo del núcleo extractor. Un radiador 1 se proporciona para el generador enfriador por agua, y su ubicación se ilustra en la FIGURA 3, junto con la entrada de agua 24, el perno retenedor de agua 25 y el retenedor de entrada de agua 32. La FIGURA 6A es una vista en sección transversal de una mitad del estator que muestra los tubos de enfriamiento 50 y 52, en orificios adyacentes a los de devanado 64 o en las ranuras de devanado 68. La FIGURA 6B es una vista en sección transversal de una ranura de devanado 68 que muestra un tubo de enfriamiento 50 dentro de la ranura de devanado (como una alternativa al arreglo mostrado en la FIGURA 6A) . La FIGURA 7 es una vista del núcleo de estator 4 mostrado en la FIGURA 3.
COMPENDIO Lo que se ha descrito es un diseño de generador eólico, muy compacto, que reduce el peso y permite abatimiento y elevación prácticos del generador mediante una grúa a bordo, ubicada en la barquilla de la turbina eólica, en donde está alojado el generador. Un generador construido de acuerdo con los principios de la intención deberá lograr el mínimo peso posible debido a que el generador no tiene flecha, las cubiertas de extremo no soportan el rotor de manera tal que son de peso ligero, haciendo posible el auto manejo. Aquéllos con destreza en la técnica lograrán que una de las cubiertas de extremo pueda eliminarse totalmente al utilizar el frente de caja de engranajes para cerrar este extremo del generador En una máquina convencional, la flecha de caja de engranajes tiene una chaveta al igual que la flecha del generador. Si el generador no tiene cojinetes, no se puede girar bien el rotor hasta después de montarlo. Mientras tanto, conforme la turbina se coloca en sitio en la turbina de viento, la fecha debe fijarse por seguridad. Esto impide orientar las dos chavetas sin medios de manejo especiales. Los ajustes de ahusamientos eliminan este problema, debido a que no hay chavetas para alinear. El abatimiento de costo, reducción de número de partes y colocar los cojinetes dentro de la caja de engranajes para mejor lubricación, todos trabajan en conjunto para crear una turbina eólica novedosa. La invención se ha ilustrado y descrito con referencia una turbina eólica montada sobre una torre basada en el piso, aquellos con destreza en la técnica se darán cuenta que la invención también es aplicable a turbinas subacuáticas, en donde la turbina tiene anclado subacuático y las aspas se giran por la fuerza de la corriente del agua. Mientras que la invención se ha mostrado y descrito particularmente con referencia a modalidades preferidas de la misma, se entenderá por aquéllos con destreza en la técnica que los anteriores y otros cambios en forma y detalle pueden realizarse sin apartarse del alcance de la invención.