WO2015132420A1 - Tren de potencia de un aerogenerador - Google Patents

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WO2015132420A1
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wind turbine
power train
generator
tower
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PCT/ES2014/000037
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Inventor
Eneko Sanz Pascual
Hely Ricardo SAVII COSTA
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Nabrawind Sl
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention is included within the field of wind turbines, and more specifically, the power train that has a directly coupled generator located inside the gondola and that is connected through its corresponding transmission system to the wind rotor located outside of the gondola.
  • the function of the bed of a gondola is in any case to support the power train and transmit the loads not derived from the rotor torque to the tower through the turning ring (Yaw).
  • Most manufacturers follow the same fundamental principles in the design of said bench, with ductile iron foundry being the most widespread today.
  • US 20050230979 from Northern Power Systems features a directly coupled generator and a rotor, both located on the same side of the tower.
  • the brake is integrated into the generator stator and the transformer is under the gondola, inside the tower.
  • US 2009 250939 from TianDi Growth Capital describes a power train on a 5 to 10 m platform that is both the gondola's turn system and the bench itself.
  • the rotor feeds at least 9 generators.
  • the bearings are 10 m apart and there are different sets of gears and gears that move the generators between the axis of rotation.
  • Claim 1 characterized in that generators moving the main shaft, rotating below the line rotation system.
  • the power train object of the invention comes to solve this and other problems derived from the direct connection between the main shaft and the generator without intermediate gears.
  • the type of structure of the power train bed based on frames in front of the complex castings, simplifies both the design and manufacture of the same and allows modularizing to reduce transport, also taking advantage of the large reaction arm of a ring of large diameter rotation. It also allows to efficiently resolve the position of the generator within the turning ring, reduce the height of the main shaft with respect to said ring and therefore reduce the loads thereof.
  • the transmission system arranged at the top of the tower determines the structural design of the power train support.
  • Another object of the invention is that the support of the main shaft that rests on the support mentioned above and on two other supports that, together with the triangular bench containing them, also support the generator and the brake.
  • the generator supports are part of the bench created based on frames with wings and souls, and include their respective bearings one on each side of the group that forms the generator and the brake.
  • the generator is integrated in said bed and that in turn partly crosses the connection piece itself arranged on the tower.
  • Another object of the invention is to provide the power train object of the invention with a novel turning system (yaw) with a set of rolling elements, sliding on a ring arranged on the annular connection piece supported on the tower .
  • traction elements will be available that will activate the gondola's rotation around the tower without the need for the usual pinion-rack gears.
  • the motors used by the traction elements will be electric and will activate a series of pneumatic wheels that will roll along the raceway constituted by the turning ring.
  • the turning system (yaw) can be passive and does not require a drive system, the traction elements could be eliminated and only the rolling elements that allow the rotation and transmit the loads remain.
  • a large diameter turning ring (yaw) is associated with the advantage of a large reduction of the vertical loads resulting in its discrete supports.
  • the distance between supports and therefore the flexural loads has also been increased. Therefore, the triangular configuration of the bench takes advantage of the reaction arm and minimizes the loads on the supports, all in the most compact way possible.
  • the bench conceived based on frames provides the structure with the necessary flexural stiffness efficiently. To do this, these frames are formed by a wing and a soul with windows or relief. This structure also allows the design to be modularized in order to reduce transport costs and properly accommodate all the elements of the power train: bearings, brake and generator.
  • the conceived structure allows the generator to be embedded in the central hollow of the turning ring (Yaw) and of the connecting piece and therefore reducing the distance between the rotor shaft and the turning plane (Yaw), with the consequent reduction of charges that entails.
  • Figure 1 is a general view of the wind turbine of the invention.
  • Figure 2 is a detail of part of the rotor, the power train and the connection piece with the lattice tower.
  • Figure 3 is the same view of Figure 2 but in profile with some sectioned parts
  • Figure 4 is a perspective of the bench or fixed support with the hollow shaft
  • Figure 5 is an enlargement of the joint of the bed and the connecting piece through the turning system (yaw). A detail of the turning system is added.
  • Figure 6 is a second practical embodiment with a different raceway.
  • Figure 7 and its variants a, b and c are different embodiments of the drive system according to the embodiments of a raceway ring or another. Detailed description of the invention
  • the wind turbine shown is horizontal, with three blades (1) facing leeward and with a lattice tower (2) that keeps its three legs equidistant along its entire length.
  • the connection piece (4) is arranged and on it the power train (not shown in the figure) object of the invention.
  • the lattice tower (2) supports the connecting piece (4) and on it the bed (5) is arranged triangularly and which houses the generator (6) inside ) and to the main shaft (7) and at one of its ends it supports the rotor (8).
  • the connecting piece (4) In the upper part of the connecting piece (4) there is a ring or raceway (9) that is part of the turning system (yaw).
  • Said rotation system is made up of said ring (9) and the three supports (10) arranged one at each vertex of the triangle that forms the bench (5).
  • the main shaft (7) crosses one of the corners of the bed (5) in the place where a hollow shaft (11) is anchored, which has a main bearing that facilitates the rotation of the rotor (8).
  • the triangular bench (5) is formed based on external frames and internal frames.
  • the outer frames are formed by the side frames (12) and the bottom frame (13).
  • the internal frames in turn are made up of the support frame (14) and the reinforcement frame (15), both delimiting the gap where the generator will be housed. All frames have relief windows (16) evenly distributed throughout their surface.
  • the supports (17) of the generator (6) are part of the frames of the bed (5) and include their respective bearings (18) one on each side of the group that forms the generator and the brake (not shown in the figure).
  • the bed (5) rests on the connecting piece (4) through the rolling system consisting of a rolling ring (9) and its corresponding supports (10).
  • the raceway ring (9) has an inverted T-shape at the base and a circular shape at the top.
  • three rolling elements (19) acting on the rolling ring (9) are shown, said rolling elements acting at 120 ° from each other and supporting the horizontal and vertical loads in both directions derived from the rotation of the wind turbine on tower.
  • the upper rolling element (19 ') transmits the vertical compression loads towards the tower.
  • the two inclined rolling elements (19 ") due to their angle, can withstand both vertical and horizontal tensile loads.
  • Figure 6 is another practical embodiment where the raceway ring (9) has a double T shape and the upper part is complemented by two circular shapes and three race elements (19) on each wing of the T, arranged symmetrically in relation to the ring (9) and separated 90 ° each. This arrangement causes the vertical rolling elements (19 ') to transmit only vertical loads and the horizontal elements (19 ") to transmit only horizontal loads.
  • Figure 7 are driving systems of the rolling elements according to whether a rolling ring (9) or another is selected.
  • the turning system does not support loads but causes the rotation pulled by the traction elements, preferably electric motors (20), which are located above the wheels (21).
  • Said pneumatic wheels pull in the central part (22) of the rolling ring (9) as shown in embodiments a and b, or the wheels (21) pull in the upper part (23) of the rolling ring (9) as shown in embodiment c.
  • the drive systems are part of the rolling system consisting of the supports (10).

Abstract

Tren de potencia con la configuración de góndola (3) lo más compacta posible en una torre (2) de gran diámetro que permite embeber el generador (6) en su interior y reducir las cargas tanto en los apoyos (10) del sistema de giro como en la propia torre (2). La bancada (5) de la góndola (3) se dispone con forma triangular a base de cuadernas, permitiendo el aprovechamiento del brazo de reacción de la forma más compacta posible. El generador (6) queda integrado en dicha bancada (5) y a su vez atraviesa en parte la propia pieza de conexión (4) dispuesta sobre la torre (2). El sistema de giro está formado por apoyos discretos en una pista de rodadura continua y los elementos de tracción activarán el giro de la góndola (3) en torno a la torre (2) sin necesidad de los habituales engranajes piñón-cremallera, usando ruedas neumáticas (20) que rodarán por la pista de rodadura constituida por el anillo de giro (9) con forma de T invertida con uno o dos puntos circulares en la parte superior.

Description

TREN DE POTENCIA DE UN AEROGENERADOR
DESCRIPCIÓN Campo de la invención
La presente invención se engloba dentro del campo de los aerogeneradores, y más en concreto, del tren de potencia que dispone de un generador directamente acoplado ubicado dentro de la góndola y que está unido a través de su correspondiente sistema de transmisión al rotor eólico ubicado fuera de la góndola.
Antecedentes de la invención
En la actualidad, los trenes de potencia de las configuraciones sin multiplicadora, es decir, con el generador directamente acoplado al rotor, son ampliamente conocidas. A las máquinas de ENERCON E-30, E-40, etc. se suman los diseños de M Torres y de Jeumount. Actualmente, Siemens, Areva, Alstom, Vestas, Ming Yang, Goldwin o IMPSA están desarrollando este tipo de configuraciones. Por ello se puede concluir que la configuración de un generador directamente acoplado al rotor, al que se le añade un convertidor para desacoplar la frecuencia del generador con la de la red, se encuentra ampliamente comprendido en el estado de la técnica.
La función de la bancada de una góndola es en cualquier caso soportar el tren de potencia y transmitir las cargas no derivadas del par rotor hasta la torre a través del anillo de giro (Yaw). La mayoría de los fabricantes siguen los mismos principios fundamentales en el diseño de dicha bancada, siendo la fundición de acero dúctil la más extendida en la actualidad.
Si bien para comprender las distintas bancadas hay que analizar las distintas configuraciones de tren de potencia que incluyen características específicas como en la patente ES 2277795 de Gamesa donde el rotor y el generador están ubicados a ambos lados de la torre. El eje principal está acoplado al buje y al rotor del generador y además el citado eje está soportado entre cojinetes que están dispuestos a ambos lados de la torre.
La US 20050230979 de Northern Power Systems presenta un generador directamente acoplado y un rotor, que se encuentran ambos a un mismo lado de la torre. Además, el freno está integrado en el estator del generador y el transformador está bajo la góndola, en el interior de la torre.
De hecho, ya en el año 2005, NREL junto con Northern Power Systems, en el "WindPACT Drive Train Alternative Design Study Report", analizaban varias configuraciones de tren de potencia según la posición del generador con respecto a la torre y su anillo de giro, y con respecto a la solución del bastidor resultante. No obstante, en todos ellos el diámetro de torre y por tanto del anillo de giro es reducido y limita las ventajas de embeber el generador en el propio anillo de giro.
Y por último la US 2009250939 de TianDi Growth Capital describe un tren de potencia sobre una plataforma de 5 a 10 m que es a la vez el sistema de giro de la góndola y la propia bancada. El rotor alimenta al menos 9 generadores. Los rodamientos están separados 10 m entre si y entre medio del eje de giro hay diferentes juegos de piñones y engranajes que mueven los generadores. Su reivindicación 1a se caracteriza porque los generadores que mueven el eje principal, giran por debajo de la línea del sistema de giro.
De todas estas configuraciones la última se puede considerar el estado de la técnica más cercano. Sin embargo son muchos los problemas que tiene esta configuración: las grandes dimensiones del eje principal frente a los dos únicos apoyos de rodadura existentes en el estrecho anillo que lo soporta, el importante peso del generador múltiple (alimenta al menos 9 generadores) y por tanto la complejidad resultante en el bastidor para evitar la excesiva flexión del eje principal bi-apoyado y albergar tanto la rueda central como todos los generadores subsecuentes.
El tren de potencia objeto de la invención viene a solucionar éste y otros problemas derivados de la conexión directa entre el eje principal y el generador sin engranajes intermedios. El tipo de estructura de la bancada del tren de potencia, basado en cuadernas frente a las complejas piezas de fundición, simplifica tanto el diseño como la fabricación del mismo y permite modularizar para abaratar el transporte, aprovechando además el gran brazo de reacción de un anillo de giro de gran diámetro. Además permite resolver de manera eficiente la posición del generador dentro del anillo de giro, reducir la altura del eje principal con respecto a dicho anillo y por tanto reducir las cargas del mismo.
En cuanto al sistema de giro (yaw), todos los fabricantes utilizan rodamientos continuos (de rodadura o deslizantes), con un sistema de accionamiento basado en engranajes y motores eléctricos. Sin embargo, en la US 2009250939 se propone una pista de rodadura continua pero unos soportes discretos, al igual que en la nueva invención. La principal diferencia con respecto a esta última será el diseño tanto de la pista de rodadura como de dichos soportes discretos, ideados para soportar las cargas asociadas en todas las direcciones y sentidos. Descripción de la invención
Es un objeto de la invención presentar la configuración de tren de potencia y góndola lo más compacta posible para una torre de gran diámetro, teniendo en cuenta aspectos relativos a la accesibilidad y mantenimiento de los componentes. Si bien con los actuales tamaños de aerogeneradores multi-megavatio, el sistema de transmisión dispuesto en lo alto de la torre condiciona el diseño estructural del apoyo del tren de potencia.
Es otro objeto de la invención dotar al rotor de una unión a una bancada o soporte fijo que, a través del sistema de giro (yaw) se une a un sistema de conexión formado por una pieza de conexión conectada a la torre. Dicha bancada tiene anclada en uno de sus extremos un eje hueco donde se dispone el cojinete principal que soporta el rotor y desde donde se extiende el eje principal.
Otro objeto de la invención es que el apoyo del eje principal que se apoya en el soporte anteriormente mencionado y en otros dos soportes que, junto a la bancada triangular que los contiene, sustentan también el generador y el freno. Los soportes del generador forman parte de la bancada creada a base de cuadernas con alas y almas, e incluyen sus respectivos cojinetes uno a cada lado del grupo que forma el generador y el freno.
Es otro objeto de la invención que el generador se encuentre integrado en dicha bancada y que a su vez atraviese en parte la propia pieza de conexión dispuesta sobre la torre.
Por último, otro objeto de la invención es dotar al tren de potencia objeto de la invención de un novedoso sistema de giro (yaw) con un conjunto de elementos de rodadura, deslizándose sobre un anillo dispuesto sobre la pieza anular de conexión soportada sobre la torre. Además se dispondrán elementos de tracción que activarán el giro de la góndola en torno a la torre sin necesidad de los habituales engranajes piñón-cremallera. Los motores utilizados por los elementos de tracción serán eléctricos y activarán una serie de ruedas neumáticas que rodarán por la pista de rodadura constituida por el anillo de giro. En caso de aerogeneradores a sotavento, donde el sistema de giro (yaw) puede ser pasivo y no necesitar sistema de accionamiento, los elementos de tracción podrían eliminarse y permanecer sólo los elementos de rodadura que permiten el giro y transmiten las cargas.
De todo lo anteriormente mencionado se desprenden las siguientes ventajas:
Un anillo de giro (yaw) de gran diámetro lleva asociada la ventaja de una gran reducción de las cargas verticales resultantes en los apoyos discretos del mismo. Sin embargo, de cara a la bancada, también se ha aumentado la distancia entre apoyos y por tanto las cargas de flexión. Por ello, la configuración triangular de la bancada aprovecha el brazo de reacción y minimiza las cargas en los apoyos, todo ello de la forma más compacta posible. Por otro lado, la bancada concebida a base de cuadernas dota a la estructura de la rigidez a flexión necesaria de manera eficiente. Para ello, estas cuadernas están formadas por un ala y un alma con ventanas o alivios. Esta estructura permite además modularizar el diseño con el fin de abaratar el transporte y albergar adecuadamente todos los elementos del tren de potencia: rodamientos, freno y generador.
Adicionalmente, la estructura concebida permite embeber el generador en el hueco central del anillo de giro (Yaw) y de la pieza de conexión y por tanto reducir la distancia entre el eje del rotor y el plano de giro (Yaw), con la consiguiente reducción de cargas que ello conlleva.
Por último, el diseño de la pista de rodadura y los soportes del sistema de giro (Yaw) permite reducir drásticamente el número de elementos de rodadura, reduciendo por tanto el coste del conjunto.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1 es una vista general del aerogenerador de la invención.
La Figura 2 es un detalle de parte del rotor, el tren de potencia y la pieza de conexión con la torre de celosía.
La Figura 3 es la misma vista de la figura 2 pero de perfil con algunas partes seccionadas
La Figura 4 es una perspectiva de la bancada o soporte fijo con el eje hueco
La Figura 5 es una ampliación de la unión de la bancada y la pieza de conexión a través del sistema de giro (yaw). Se añade un detalle del sistema de giro.
La Figura 6 es una segunda realización práctica con un anillo de rodadura diferente. La Figura 7 y sus variantes a, b y c son distintas realizaciones del sistema de accionamiento según las realizaciones de un anillo de rodadura u otro. Descripción detallada de la invención
En la figura 1 el aerogenerador mostrado es de eje horizontal, con tres palas (1) orientadas a sotavento y con una torre de celosía (2) que en toda su longitud mantiene equidistantes sus tres patas. Entre la góndola (3) y la torre (2) se dispone la pieza de conexión (4) y sobre ella el tren de potencia (no mostrado en la figura) objeto de la invención.
Tal y como se muestra en las figuras 2 y 3, la torre de celosía (2) soporta la pieza de conexión (4) y sobre ella se dispone la bancada (5) de forma triangular y que alberga en su interior al generador (6) y al eje principal (7) y en uno de sus extremos soporta el rotor (8). En la parte superior de la pieza de conexión (4) se dispone un anillo o pista de rodadura (9) que forma parte del sistema de giro (yaw). Dicho sistema de giro lo componen el mencionado anillo (9) y los tres apoyos (10) dispuestos uno en cada vértice del triángulo que forma la bancada (5). El eje principal (7) atraviesa uno de los vértices de la bancada (5) en el lugar donde se ancla un eje hueco (11) que dispone de un cojinete principal que facilita el giro del rotor (8).
En la figura 4 la bancada (5) triangular se forma a base de cuadernas externas y cuadernas internas. Las cuadernas externas las forman las cuadernas laterales (12) y la cuaderna de fondo (13). Las cuadernas internas a su vez las componen la cuaderna de apoyo (14) y la cuaderna de refuerzo (15), ambas delimitan el hueco donde se alojará el generador. Todas las cuadernas tienen unas ventanas de alivio (16) uniformemente distribuidas por toda su superficie. Los soportes (17) del generador (6) forman parte de las cuadernas de la bancada (5) e incluyen sus respectivos cojinetes (18) uno a cada lado del grupo que forma el generador y el freno (no mostrados en la figura).
Tal y como se muestra en la figura 5 la bancada (5) se apoya sobre la pieza de conexión (4) a través del sistema de rodadura compuesto por un anillo de rodadura (9) y sus correspondientes apoyos (10). En una realización práctica el anillo de rodadura (9) tiene forma de T invertida en la base y forma circular en la parte superior. En el detalle ampliado se muestran tres elementos de rodadura (19) actuando sobre el anillo de rodadura (9), dichos elementos de rodadura actúan a 120° uno de otro y soportan las cargas horizontales y verticales en ambos sentidos derivadas del giro del aerogenerador sobre la torre.
El elemento de rodadura superior (19') transmite las cargas verticales de compresión hacia la torre. Los dos elementos de rodadura inclinados (19"), debido a su ángulo, pueden soportar tanto las cargas verticales de tracción como las horizontales. La figura 6 es otra realización práctica donde el anillo de rodadura (9) tiene forma de doble T y la parte superior se complementa con dos formas circulares y tres elementos de rodadura (19) en cada ala de la T, dispuestos simétricamente con relación al anillo (9) y separados 90° cada una. Esta disposición hace que los elementos de rodadura verticales (19') transmitan sólo cargas verticales y los elementos horizontales (19") transmitan sólo cargas horizontales.
La figura 7 son sistemas de accionamiento de los elementos de rodadura según se seleccione un anillo de rodadura (9) u otro. En esta ocasión, el sistema de giro no soporta cargas sino que provoca el giro traccionado por los elementos de tracción, preferentemente motores eléctricos (20), que se encuentran encima de las ruedas (21). Dichas ruedas neumáticas traccionan en la parte central (22) del anillo de rodadura (9) tal y como se muestra en las realizaciones a y b, o bien las ruedas (21) traccionan en la parte superior (23) del anillo de rodadura (9) tal y como se muestra en la realización c. Los sistemas de accionamiento forman parte del sistema de rodadura compuesto por los apoyos (10).

Claims

REIVINDICACIONES
1- Tren de potencia de un aerogenerador de los que comprende un generador (6), dentro de la góndola (3), directamente acoplado a un rotor (8), fuera de la góndola
(3), que se apoya sobre un eje hueco (11) por donde atraviesa un eje principal (7) que une rotor, generador y freno a través de sus correspondientes cojinetes (18), caracterizado por que
- el eje principal (7) se apoya sobre el eje hueco (11) y sobre dos soportes (17) a ambos lados del generador (6),
- el generador (6) se dispone de forma que su parte inferior atraviesa conjuntamente el anillo de giro (9) y la pieza de conexión (4) que reposa sobre la torre (2),
- una bancada (5) que soporta todo el tren de potencia está atravesada por el eje principal (7), está formada por un grupo de cuadernas que conforman un triángulo y se une a través del anillo de giro (9) a una pieza de conexión (4), mediante al menos dos apoyos (10) dispuestos en los vértices de la bancada (5) y
- un sistema de giro (9) mueve la bancada (5) sobre la pieza de conexión (4) a través del anillo de giro (9) y de los elementos de rodadura (19) existentes en los apoyos (10), con la fuerza que suministran los elementos de tracción también unidos a los apoyos (10).
2- Tren de potencia de un aerogenerador según la reivindicación primera, caracterizado por que la bancada (5) tiene forma triangular está conformada con cuadernas internas y externas: las externas se agrupan en cuadernas laterales (12) y de fondo (13) y las internas se agrupan en cuadernas de apoyo (14) y de refuerzo (15), todas las cuadernas tienen ventanas de alivio (16) y están formadas por sus correspondientes alas y almas, y en uno de los vértices de la bancada (5) se soporta el eje hueco (11). 3- Tren de potencia de un aerogenerador según la reivindicación segunda, caracterizado por que la bancada además del soporte del vértice dispone de otros dos soportes (17) en la cuaderna de fondo (13) y en la de apoyo (14) y cada uno de los soportes disponen de sus correspondientes cojinetes (18) para permitir el giro del eje principal (7). 4- Tren de potencia de un aerogenerador según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el anillo anular (9) tiene forma de T invertida con uno o dos puntos circulares en la parte superior por donde ruedan los elementos de rodadura (19).
5- Tren de potencia de un aerogenerador según la reivindicación cuatro, caracterizado por que los elementos de rodadura (19) son tres y se disponen a 120° o 90° según el anillo anular (9) tenga uno o dos puntos circulares en la parte superior.
6- Tren de potencia de un aerogenerador según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los elementos de tracción son una combinación de motores eléctricos (20) y ruedas neumáticas (21) que ruedan sobre el anillo anular (9) bien en su parte central (22) o en su parte superior (23).
7- Tren de potencia de un aerogenerador según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el aerogenerador es de sotavento.
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