WO2008090253A1 - Multiplicadora sensorizada - Google Patents

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Definitions

  • 5 displacement and load sensors have been implemented to measure the radial and axial movements of a rotary axis and the forces transmitted by said axis to the bearings and body of a multiplier.
  • the measurements of displacements and forces are made in the supports of the axes and bearings of the multiplier obtaining the deformation that affects the components, the magnitudes and directions of the reactions in the support of the axis and the relationship between the axial forces and the forces Radials obtained at every moment.
  • This system is applicable to any mechanical system with rotating elements or rotating machine, with shafts, bearings and bearings and is of special application to the multiplier used in wind turbines.
  • the multiples flush are components subjected to structural and dynamic stresses that have a very marked oscillatory component, which causes mechanical fatigue and therefore increases the probability of failure of their structural integrity.
  • the current multipliers are designed and manufactured with ample safety coefficients due to the uncertainty of the operating loads, which implies the oversizing of their designs. In order to optimize these components it is necessary to reduce the previous coefficients considering the real state of loads to which they are subjected, both in magnitudes and in probabilistically predominant transmission directions.
  • sensors arranged in the structure, components and elements or auxiliaries of the multiplier provides direct and / or indirect information about the stresses and directions of loads as well as real deformations to which they are subjected, which helps to reduce these coefficients of security used by the uncertainty of the real loads.
  • the invention aims to provide sensors both in the body or housing and auxiliary elements of the multiplier to measure its local deformations and the stresses to which axes and bearings of a rotating machine in general and more particularly of a multiplier are subjected, stresses that they are transmitted through the axes supported in turn by said bearings.
  • the stresses supported by the shafts are transmitted to the contact bearings and similarly, the stresses of the bearings to their supports.
  • the sensorization can be carried out both on the rotary axis and on the bearings or their supports, that is, structure, closing covers, flanges or other mechanical support systems.
  • Another object of the invention is the integration of these sensors in Ia rotary machine, the aforementioned sensors can be implemented on elements subject to continuous movement, measuring the local and general deformations of the bearings on which the rotary axes are supported.
  • Another object of the invention is to obtain a precise measurement for the control system and the management thereof for different machine states and temporary events, such as different levels of load and speed, starts and stops of operation, pauses, stops of emergency, control of the pitch of one or more blades, regulation of the rpm, temporary transients due to operating or operational loads in the machine, as well as different hypotheses present in the designs of the components.
  • the equivalent stiffness of the set does not suffer variations or appreciable, so that the distribution of stresses in the different supports of the sensorized axes remains unchanged.
  • Figure 1 is a general view of the multiplier where the arrangement of the axes and parts where the sensors are coupled can be observed. - TO -
  • Figure 2 is a section corresponding to the end of the intermediate axis of the multiplier, showing the arrangement of bearings, sensors, auxiliary parts, housing and cover.
  • Figure 3 corresponds to one of the possible designs of the bushing of the multiplier on which the sensors that measure the radial forces transmitted by the rotary axis are arranged.
  • Figure 4 shows the intermediate shaft cover with the detail of the peripheral ribs where the sensors that measure the axial forces transmitted by said rotary axis are fixed.
  • the axis or axes whose reactions are to be measured are supported by two or more bearings or bearings that transmit radial and axial stresses to the housing or body of the multiplier.
  • the interleaving of the sensorized components allows the measurement of said radial and axial stresses.
  • the multiplier is formed by a general body (1) coupled by one of its ends to a rotor hub (2) and the other to a generator (3) not shown in the figure.
  • the side that joins the generator (3) Io covers a housing (7) has three main rear covers: the main shaft cover (4), the intermediate shaft cover (5) and the quick shaft cover (6).
  • the axes and the bearings of the multiplier are arranged and covered by the covers mentioned above.
  • the housing on which the intermediate shaft cover (5) is arranged is sectioned and inside it the housing of the multiplier (7) is distinguished in an upper plane.
  • the bushing (12) where the radial sensor elements (8) are included, being next to the bearings (9).
  • said cover (5) is where the axial sensor elements placed in ribs (10) machined for this purpose are disposed on the periphery thereof.
  • the methodology applied to obtain the sensorized system object of the invention is the replacement of the axle support elements (11) and bearing by a set of elements that include the sensor bushing (12), specific bearing (9), auxiliary parts (13) and cover (5) that reproduce the original geometry and functionalities.
  • the auxiliary parts (13) are arranged between the shaft (11) and the bearing (9) to fix and center both elements.
  • a bushing (12) is used in which the sensor elements (8) are arranged tangentially and radially according to the loads to be measured. A detail of said arrangement is shown in Figure 3.
  • a distribution distributed around a cover (5) has been selected in which ribs (10) have been machined according to axial planes to position the sensor elements.
  • Figure 4 shows the specific location of the axial sensor elements (14)
  • the sensor elements can be extensiometric, piezoelectric, capacitive, resistive, fiber optic or other sensory technologies. The arrangement and its assembly will depend on such technology.
  • the sensor elements are placed in the previously determined measurement directions based on the quantities to be measured and the results of the theoretical prior analysis and simulations to achieve the axial and radial sensor.
  • the mounting of the sensors is done by adapting the new set of elements to the general assembly specifications of the multiplier, so that there are no essential modifications in the distribution of forces.
  • the sensors are completed with the electronics necessary for conditioning and signal processing.

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Abstract

Multiplicadora sensorizada que dispone una pluralidad de sensores (8) y (14) montados en un set de piezas fijas (5) y (12) a Ia multiplicadora (1 ), midiendo las cargas en el eje rotativo (11 ) y los esfuerzos axiales y radiales derivados del funcionamiento del aerogenerador. Los sensores (8) y (14) montados en las piezas seleccionadas (5) y (12) sensorizan en un intervalo de tiempo específico o durante toda Ia vida de Ia multiplicadora, realizando Ia medición de forma instantánea y enviando los datos a un sistema de control que regula Ia potencia de Ia máquina a través del control de las r.p.m, pitch del aerogenerador o parada de emergencia.

Description

MULTIPLICADORA SENSORIZADA
Objeto de Ia invención.
En Ia presente invención se han implementado unos sensores de 5 desplazamiento y carga para medir los movimientos radial y axial de un eje rotativo y las fuerzas transmitidas por dicho eje a los rodamientos y cuerpo de una multiplicadora.
Las medidas de desplazamientos y fuerzas se realizan en los apoyos de los ejes y rodamientos de Ia multiplicadora obteniéndose las deformacioneso que afectan a los componentes, las magnitudes y direcciones de las reacciones en el apoyo del eje y Ia relación entre las fuerzas axiales y las fuerzas radiales obtenidas en cada instante.
Este sistema es aplicable a cualquier sistema mecánico con elementos rotativos o maquina rotativa, con ejes, cojinetes y rodamientos y es de especial5 aplicación a Ia multiplicadora utilizada en aerogeneradores.
Antecedentes de Ia invención.
Las multiplicado ras son componentes sometidos a esfuerzos estructurales y dinámicos que presentan una componente oscilatoria muy marcada, Io que o provoca fatiga mecánica y por Io tanto aumento en Ia probabilidad de fallo de su integridad estructural.
Las multiplicadoras actuales se diseñan y fabrican con unos coeficientes de seguridad amplios consecuencia de Ia incertidumbre de las cargas de funcionamiento, Io que implica el sobredimensionamiento de sus diseños. Para 5 optimizar estos componentes es necesario reducir los coeficientes anteriores considerando el estado real de cargas a las que están sometidos, tanto en magnitudes como en direcciones de transmisión probabilísticamente predominantes.
El uso de sensores dispuestos en Ia estructura, componentes y elementos o auxiliares de Ia multiplicadora proporciona una información directa y/o indirecta acerca de los esfuerzos y direcciones de cargas así como deformaciones reales a que se ven sometidas, Io que ayuda a reducir estos coeficientes de seguridad utilizados por Ia incertidumbre de las cargas reales.
El uso de sensores localizados en componentes eólicos se conoce en el 5 documento WO 2005/010358 donde se presenta un aerogenerador con el eje principal sensorizado y cuyo control mitiga los efectos de las cargas. La sensorización se aplica para conocer los esfuerzos originados por el rotor en el eje principal y regular consecuentemente el pitch o ángulo variable de las palas del aerogenerador. El documento US 2005/0282678 presenta un sensor de torsión para una multiplicadora, estando especialmente sensorizados los elementos de unión donde se determina el movimiento axial y el longitudinal que se presenta entre dichos elementos de unión, si bien, Ia geometría, disposición y funcionamiento de Ia multiplicadora difiere del objeto de Ia presente invención. Por último se menciona Ia patente EP 1292809 donde se presenta un sensor para Ia captación de Ia dilatación y de Ia tensión en materiales sólidos, estando dispuestos los sensores en el interior de Ia pieza y mientras que Ia pieza exterior dispone de múltiples ranuras en sentido axial.
Ninguna de las patentes mencionadas sensoriza un set fijo en Ia máquina con el objeto de obtener las cargas en el eje rotativo y esfuerzos axiales y radiales derivados del funcionamiento de Ia multiplicadora.
Descripción de Ia i nvención.
La invención tiene como objeto disponer sensores tanto en el cuerpo o carcasa y elementos auxiliares de Ia multiplicadora para medir sus deformaciones locales y los esfuerzos a los que están sometidos ejes y rodamientos de una máquina rotativa en general y más particularmente de una multiplicadora, esfuerzos que son transmitidos a través de los ejes sustentados a su vez por dichos rodamientos. Los esfuerzos soportados por los ejes se transmiten a los rodamientos por contacto y de forma similar, los esfuerzos de los rodamientos a sus soportes. La sensorización puede realizarse tanto en el eje rotativo como en los rodamientos o sus apoyos, es decir, estructura, tapas de cierre, bridas u otros sistemas mecánicos de sustentación. Es otro objeto de Ia invención, Ia determinación del número de sensores y los lugares en los que estos se posicionan para que las medidas obtenidas sean tanto en Ia dirección del eje o axial, como en Ia dirección del radio o radial en Ia orientación adecuada, obteniéndose los esfuerzos radiales y axiales instantánea y simultáneamente y gestionando dichos datos en todo momento. Otro objeto de Ia invención es Ia integración de estos sensores en Ia máquina rotativa, pudiendo implementarse los citados sensores sobre elementos sometidos a continuo movimiento, midiendo las deformaciones locales y generales de los rodamientos sobre los que se sustentan los ejes rotativos.
5 Otro objeto de Ia invención es Ia obtención de una medida precisa para el sistema de control y Ia gestión de Ia misma para diferentes estados de maquina y eventos temporales, como distintos niveles de carga y velocidad, arranques y paradas de funcionamiento, pausas, paradas de emergencia, control del pitch de una o más palas, regulación de las r.p.m., transitorios temporales debido ao cargas de funcionamiento u operacionales en maquina, así como diferentes hipótesis presentes en los diseños de los componentes.
De todo Io descrito con anterioridad se desprenden las ventajas aportadas por el sistema objeto de Ia invención:
- Conocimiento de las cargas y deformaciones reales. 5 - Hipótesis de diseño ajustadas basadas en cargas reales.
- Diseño optimizado a las cargas reales.
- Disminución en Ia probabilidad de fallo de Ia multiplicadora y sus componentes.
- Mejora de Ia disponibilidad del aerogenerador. o - Mayor tolerancia a fallos por sobrecargas.
- Disminución de los costes de mantenimiento.
Gracias al diseño estilizado y a Ia vez robusto de Ia estructura de los sensores y las formas curvadas en los puntos de localización de los elementos sensibles, se obtiene una buena respuesta de señal ante las cargas axiales de 5 tracción-compresión en Ia dirección del eje soportado por los rodamientos y a las radiales en cualquier dirección diametral perpendicular al eje de simetría del eje soportado por los rodamientos.
A pesar de flexibilizar Ia estructura del sensor para incorporar los elementos sensibles, Ia rigidez equivalente del conjunto no sufre variaciones o apreciables, por Io que Ia distribución de esfuerzos en los diferentes apoyos de los ejes sensorizados permanece inalterada.
Breve descripción de los dibujos.
La figura 1 es una vista general de Ia multiplicadora donde se puede 5 observar Ia disposición de los ejes y piezas donde se acoplan los sensores. - A -
La figura 2 es una sección correspondiente al extremo del eje intermedio de Ia multiplicadora, mostrando Ia disposición de rodamientos, sensores, piezas auxiliares, carcasa y tapa.
La figura 3 corresponde a uno de los posibles diseños del casquillo de Ia multiplicadora sobre el que se disponen los sensores que miden los esfuerzos radiales transmitidos por el eje rotativo.
La figura 4 muestra Ia tapa del eje intermedio con el detalle de las nervaduras periféricas donde se fijan los sensores que miden los esfuerzos axiales transmitidos por el citado eje rotativo.
Descripción de una realización preferencial.
El eje o ejes cuyas reacciones se quieren medir se apoyan en dos o más cojinetes o rodamientos que transmiten los esfuerzos radiales y axiales a Ia carcasa o cuerpo de Ia multiplicadora. La intercalación de los componentes sensorizados permite Ia medición de dichos esfuerzos radiales y axiales.
Tal y como se muestra en Ia figura 1 , Ia multiplicadora está formada por cuerpo general (1 ) acoplado por uno de sus extremos a un buje del rotor (2) y por el otro a un generador (3) no mostrados en Ia figura. El lado que se une al generador (3) Io cubre una carcasa (7) tiene tres tapas traseras principales: Ia tapa del eje principal (4), Ia tapa del eje intermedio (5) y Ia tapa del eje rápido (6). En el interior de Ia carcasa se disponen los ejes y los rodamientos de Ia multiplicadora que se cubren y protegen por las tapas citadas anteriormente.
En Ia figura 2, el alojamiento sobre el que se dispone Ia tapa del eje intermedio (5) se encuentra seccionada y en su interior se distingue Ia carcasa de Ia multiplicadora (7) en un plano superior. Por debajo de ella se dispone el casquillo (12) donde se incluyen los elementos sensores radiales (8) quedando junto a los rodamientos (9). En Ia citada tapa (5) es donde se disponen los elementos sensores axiales colocados en unas nervaduras (10) mecanizadas a tal fin en Ia periferia de Ia misma. La metodología aplicada para Ia obtención del sistema sensorizado objeto de Ia invención es Ia sustitución de los elementos de soporte del eje (11 ) y rodamiento por un conjunto de elementos que incluyen el casquillo sensor (12), rodamiento especifico (9), piezas auxiliares (13) y tapa (5) que reproducen Ia geometría y funcionalidades originales. Las piezas auxiliares (13) se disponen entre el eje (11 ) y el rodamiento (9) para fijar y centrar ambos elementos. Para medir las cargas radiales se utiliza un casquillo (12) en el que se han dispuesto los elementos sensores (8) de forma tangencial y radial en función de las cargas a medir. En Ia figura 3 se muestra un detalle de dicha disposición.
Para medir las cargas axiales se ha seleccionado una distribución distribuida alrededor de una tapa (5) en Ia que se han mecanizado unas nervaduras (10) según planos axiales para posicionar los elementos sensores.
En Ia figura 4 se muestra Ia localización concreta de los elementos sensores axiales (14)
Para el dimensionamiento de los sensores (8 y 14) y Ia determinación de los puntos óptimos de medida de los elementos sensores se calcula su respuesta estructural mediante análisis teóricos y/o simulación virtual, como el método de los elementos finitos, con el fin de valorar tanto Ia rigidez como Ia resistencia del sensor.
Los elementos sensores pueden ser de tipo extensiométrico, piezoeléctrico, capacitivo, resistivo, fibra óptica u otras tecnologías sensóricas. La disposición y su montaje dependerán de dicha tecnología.
Los elementos sensores se colocan en las direcciones de medida determinadas previamente en función de las magnitudes a medir y los resultados de los análisis previos teóricos y simulaciones para conseguir el sensor axial y radial.
El montaje de los sensores se realiza adaptando el nuevo conjunto de elementos a las especificaciones de ensamblaje generales de Ia multiplicadora, de forma que no haya modificaciones esenciales en Ia distribución de esfuerzos.
Los sensores se completan con Ia electrónica necesaria para el acondicionamiento y tratamiento de señal.

Claims

Reivindicaciones.
1 .- Multiplicadora sensorizada dispuesta entre el buje del rotor (2) y el generador (3), que comprende una pluralidad de sensores situados en el
5 exterior e interior de Ia misma, caracterizada porque los sensores (8 y 14) se aplican en puntos cercanos a los rodamientos y a los ejes, preferentemente en casquillos (12) y soportes de rodamientos o tapas (5) y miden las deformaciones, cargas y esfuerzos axiales y radiales en los ejes rotativos, realizando Ia medición de forma instantánea e implementándose en un sistemao de control que regula Ia potencia del aerogenerador.
2.- Multiplicadora sensorizada, según reivindicación primera, caracterizada porque Ia tapa (5) se fija a las paredes de Ia carcasa (7) donde apoyan los ejes rotativos (4, 5 y 6) transmitiendo las cargas del eje (11 ) a Ia5 carcasa (7), dicha tapa (5) tiene un número de nervios (10) en función de las cargas a medir y de Ia sensibilidad diferenciada para cada posición angular, disponiéndose de un elemento sensor (14) acoplado en cada uno de los nervios (10).
o 3.- Multiplicadora sensorizada, según reivindicación 2-, caracterizada porque los sensores (14) de Ia tapa (5) registran esfuerzos y deformaciones axiales.
4.- Multiplicadora sensorizada, según reivindicación primera, 5 caracterizada porque el casquillo (12) se dispone sobre Ia carcasa (7) o cuerpo de Ia multiplicadora soportando el rodamiento (9) y a su vez el eje rotativo (11 ), dispone de un número de elementos sensores (8) y su fijación se completa con unas piezas auxiliares (13) que se disponen entre el eje (11 ) y el rodamiento (9) para fijar y centrar ambos elementos. 0
5.- Multiplicadora sensorizada, según reivindicación A-, caracterizada porque los elementos sensores (8) del casquillo (12) se combinan para medir las cargas radiales
5 6.- Multiplicadora sensorizada, según reivindicaciones anteriores, caracterizada porque las señales emitidas por los sensores alimentan el sistema de control del aerogenerador, convirtiéndose en datos digitales que pueden ser almacenados en un sistema informático y utilizados directamente para Ia actuación en tiempo real sobre los sistemas de regulación de las r.p.m, parada de emergencia, pitch de una o más palas, etc.
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