Sistema de transmisión de potencia de turbina eólica.

Sistema de transmisión de potencia para una turbina eólica, que comprende:

una caja de engranajes

(24) que tiene una carcasa de caja de engranajes (32) y un elemento de salida de caja de engranajes (80) que se extiende desde la carcasa de caja de engranajes (32); y

un generador (28) que incluye:

una carcasa de generador (104) acoplada a la carcasa de caja de engranajes (32);

un estator (102) soportado por la carcasa de generador (104);

un rotor (100) colocado dentro de la carcasa de generador (104), teniendo el rotor (100) un árbol de rotor (120) acoplado al elemento de salida de caja de engranajes (80) para accionarse por el mismo y un cuerpo de rotor (116) soportado por el árbol de rotor (120), extendiéndose al menos una parte del árbol de rotor (120) en una dirección axial, en el que el rotor (100) puede rotar dentro de la carcasa de generador (104) y divide eficazmente la carcasa de generador (104) en un lado de extremo de accionamiento y un lado de extremo no de accionamiento, estando el lado de extremo de accionamiento acoplado a la carcasa de caja de engranajes (32), estando el estator (102) soportado entre los lados de extremo de accionamiento y de extremo no de accionamiento;

una pantalla de extremo no de accionamiento (140) acoplada al lado de extremo no de accionamiento de la carcasa de generador (104);

un eje (142) que se extiende desde la pantalla de extremo no de accionamiento (140) en la dirección axial, estando el eje (142) formado de manera solidaria con o fijado a la pantalla de extremo no de accionamiento (140); y

al menos un cojinete de generador (144) colocado entre el árbol de rotor (120) y el eje (142), en el que el al menos un cojinete de generador (144) soporta el elemento de salida de caja de engranajes (80) y el árbol de rotor (120).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DK2011/050389.

Solicitante: VESTAS WIND SYSTEMS A/S.

Nacionalidad solicitante: Dinamarca.

Dirección: Hedeager 42 8200 Aarhus N DINAMARCA.

Inventor/es: DEMTRODER,JENS, MONGEAU,PETER, ASHAR,SIDDHARTH.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > F03D9/00 (Adaptaciones de los motores de viento para usos especiales; Combinaciones de motores de viento con los aparatos que accionan (disposiciones relativas a conjuntos de propulsión de vehículos alimientados por energía eólica B60K 16/00; bombas caracterizadas por su combinación con motores de viento F04B 17/02))
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > Detalles, partes constitutivas o accesorios no cubiertos... > F03D11/02 (Transmisión de la potencia, p. ej. utilizando álabes de aspiración huecos)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > F03D1/00 (Motores de viento con el eje de rotación dispuesto sustancialmente paralelo al flujo de aire que entra al rotor (su control F03D 7/00))
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > MAQUINAS DINAMOELECTRICAS (relés dinamoeléctricos... > Dispositivos para manipular energía mecánica estructuralmente... > H02K7/18 (Asociación estructural de generadores eléctricos con motores de arrastre, p. ej. turbinas)

PDF original: ES-2537715_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Sistema de transmisión de potencia de turbina eólica

Campo técnico

La presente invención se refiere a sistemas de transmisión de potencia. Más específicamente, la presente invención se refiere a sistemas de transmisión de potencia de turbina eólica que tienen una caja de engranajes y un generador integrados.

Antecedentes Las turbinas eólicas normalmente incluyen un rotor con grandes palas accionadas por el viento. Las palas de rotor convierten la energía cinética del viento en energía mecánica rotacional. La energía mecánica habitualmente acciona uno o más generadores para producir potencia eléctrica. Por tanto, las turbinas eólicas incluyen un sistema de transmisión de potencia para procesar y convertir la energía mecánica rotacional en energía eléctrica. El sistema de transmisión de potencia se denomina en ocasiones "tren de potencia" de la turbina eólica. La parte de un sistema de transmisión de potencia desde el rotor de la turbina eólica al generador se denomina tren de tracción.

Con frecuencia es necesario aumentar la velocidad rotacional del rotor de la turbina eólica hasta la velocidad requerida por el o los generadores. Esto se consigue mediante una caja de engranajes entre el rotor de la turbina eólica y el generador. Por tanto, la caja de engranajes forma parte del tren de tracción y convierte una entrada de baja velocidad y alto par de torsión procedente del rotor de la turbina eólica en una salida de menor par de torsión y mayor velocidad para el generador. Aunque las cajas de engranajes se utilizan en muchas industrias, existen desafíos particulares en su diseño para turbinas eólicas debido a la magnitud, variedad e impredictibilidad de las fuerzas experimentadas por el rotor de la turbina eólica y el tren de tracción. Estas fuerzas tienen el potencial de dañar los cojinetes y otros componentes de la caja de engranajes. Como resultado, la fiabilidad de la caja de engranajes ha sido tradicionalmente un problema en la industria de la energía eólica.

Algunos fabricantes abordan este problema diseñando sistemas de transmisión de potencia sin etapa de engranaje. El rotor de la turbina eólica acciona directamente un generador de baja velocidad en tales sistemas. Aunque puede que no existan problemas en cuanto a la fiabilidad de la caja de engranajes, la ausencia de una etapa de engranaje con frecuencia da lugar a otros problemas. En particular, los generadores de baja velocidad en turbina eólicas de accionamiento directo son normalmente más grandes que sus equivalentes de alta y media velocidad en soluciones con engranaje para producir cantidades equivalentes de potencia. El mayor tamaño presenta desafíos de transporte, ensamblaje y mantenimiento además de problemas de coste. Además, muchos de los generadores de baja velocidad se basan en imanes permanentes que incorporan materiales de tierras raras de disponibilidad limitada.

Los problemas de competencia entre trenes de tracción tradicionales y máquinas de accionamiento directo han conducido a un interés mayor en las soluciones de media velocidad. Estas soluciones "híbridas" normalmente incluyen una caja de engranajes y un generador de media velocidad integrados. Una solución de este tipo es el objeto del documento EP 0 811 764 B1, que da a conocer un generador de imanes permanentes de media velocidad montado en una caja de engranajes de una sola etapa. El diseño fue concebido originalmente por Aerodyn GmbH y ha sido desarrollado adicionalmente por Areva. Denominado en ocasiones la solución "multi-híbrida", el diseño tiene como resultado un sistema de transmisión de potencia compacto de bajo peso, con menos partes rotatorias que la mayoría de los trenes de tracción tradicionales.

A pesar del interés en las soluciones de media velocidad, sigue habiendo espacio para la mejora. La naturaleza sumamente integrada de los diseños puede limitar las opciones de ensamblaje y dificultar el mantenimiento. Por tanto, existe la necesidad de un sistema de transmisión de potencia que aborde estos y otros desafíos.

Cada uno de los documentos US 2010/133854 A1 y DE 10 2007 012 408 A1 da a conocer un sistema de transmisión de potencia para una turbina eólica, que comprende una caja de engranajes que tiene una carcasa de caja de engranajes y un elemento de salida de caja de engranajes que se extiende desde la carcasa de caja de engranajes; y un generador que incluye una carcasa de generador acoplada a la carcasa de caja de engranajes, un estator soportado por la carcasa de generador; un rotor colocado dentro de la carcasa de generador, teniendo el rotor un árbol de rotor acoplado al elemento de salida de caja de engranajes para accionarse por el mismo y un cuerpo de rotor soportado por el árbol de rotor, extendiéndose al menos una parte del árbol de rotor en una dirección axial, y una pantalla de extremo no de accionamiento acoplada al lado de extremo no de accionamiento de la carcasa de generador.

Sumario A continuación se da a conocer un sistema de transmisión de potencia para una turbina eólica según la reivindicación de aparato independiente. El sistema de transmisión de potencia comprende una caja de engranajes y un generador. La caja de engranajes incluye una carcasa de caja de engranajes y un elemento de salida de caja de engranajes. El generador incluye: una carcasa de generador que tiene un lado de extremo de accionamiento y un lado de extremo no de accionamiento, estando el lado de extremo de accionamiento acoplado a la carcasa de caja

de engranajes; un estator soportado por la carcasa de generador; un rotor que tiene un árbol de rotor acoplado al elemento de salida de caja de engranajes y un cuerpo de rotor soportado por el árbol de rotor; una pantalla de extremo no de accionamiento acoplada al lado de extremo no de accionamiento de la carcasa de generador; un eje que se extiende desde la pantalla de extremo no de accionamiento en la dirección axial; y al menos un cojinete de generador colocado entre el árbol de rotor y el eje. El/los cojinete (s) de generador soporta (n) el elemento de salida de caja de engranajes y el árbol de rotor. A este respecto, el término "cojinete de generador" se usa en el presente documento para referirse a un cojinete común a la caja de engranajes y al generador y necesario para su funcionamiento. El/los cojinete (s) de generador sirve (n) como medios primarios para soportar de manera rotatoria el elemento de salida de caja de engranajes y el árbol de rotor. En algunas realizaciones, el/los cojinete (s) de generador puede (n) ser incluso el único soporte rotatorio para esos componentes.

Al colocar el/los cojinete (s) de generador entre el árbol de rotor y el eje, el/los cojinete (s) de generador se coloca (n) eficazmente en el lado de extremo no de accionamiento de la carcasa de generador. Una disposición de este tipo facilita el ensamblaje y el mantenimiento por motivos que resultarán evidentes a partir de la descripción que sigue. Se proporcionan ventajas adicionales si el eje está separado del rotor pero configurado para entrar en contacto con el rotor cuando el rotor se mueve hacia la pantalla de extremo no de accionamiento. Una disposición de este tipo permite "aparcar" el rotor sobre el eje durante el transporte y/o mantenimiento, permitiendo de ese modo que el/los cojinete (s) de generador se instale (n) o retire (n) sin tener que retirar el rotor y sin tener que desacoplar la carcasa de generador de la carcasa de caja de engranajes.

Para ello, también se da a conocer un correspondiente método de ensamblaje o mantenimiento de un sistema de transmisión de potencia según la reivindicación de método independiente. El método implica proveer una caja de engranajes que tiene una carcasa de caja de engranajes y un elemento de salida de caja de engranajes que se... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Sistema de transmisión de potencia para una turbina eólica, que comprende:

una caja de engranajes (24) que tiene una carcasa de caja de engranajes (32) y un elemento de salida de caja de engranajes (80) que se extiende desde la carcasa de caja de engranajes (32) ; y un generador (28) que incluye:

una carcasa de generador (104) acoplada a la carcasa de caja de engranajes (32) ;

un estator (102) soportado por la carcasa de generador (104) ;

un rotor (100) colocado dentro de la carcasa de generador (104) , teniendo el rotor (100) un árbol de rotor (120) acoplado al elemento de salida de caja de engranajes (80) para accionarse por el mismo 10 y un cuerpo de rotor (116) soportado por el árbol de rotor (120) , extendiéndose al menos una parte del árbol de rotor (120) en una dirección axial, en el que el rotor (100) puede rotar dentro de la carcasa de generador (104) y divide eficazmente la carcasa de generador (104) en un lado de extremo de accionamiento y un lado de extremo no de accionamiento, estando el lado de extremo de accionamiento acoplado a la carcasa de caja de engranajes (32) , estando el estator (102) soportado entre los lados de extremo de accionamiento y de extremo no de accionamiento;

una pantalla de extremo no de accionamiento (140) acoplada al lado de extremo no de accionamiento de la carcasa de generador (104) ;

un eje (142) que se extiende desde la pantalla de extremo no de accionamiento (140) en la dirección axial, estando el eje (142) formado de manera solidaria con o fijado a la pantalla de extremo no de accionamiento (140) ; y al menos un cojinete de generador (144) colocado entre el árbol de rotor (120) y el eje (142) , en el que el al menos un cojinete de generador (144) soporta el elemento de salida de caja de engranajes (80) y el árbol de rotor (120) .

2. Sistema de transmisión de potencia según la reivindicación 1, en el que el eje (142) se extiende en la 25 dirección axial hacia el lado de extremo de accionamiento de la carcasa de generador (104) .

3. Sistema de transmisión de potencia según la reivindicación 1, en el que el eje (142) es un componente independiente fijado a la pantalla de extremo no de accionamiento (140) .

4. Sistema de transmisión de potencia según la reivindicación 3, en el que el eje (142) está formado de manera solidaria con la pantalla de extremo no de accionamiento (140) .

5. Sistema de transmisión de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el eje (142) está colocado radialmente hacia fuera en relación con el árbol de rotor (120) y el al menos un cojinete de generador (144) ; o

el eje (142) está colocado radialmente hacia dentro en relación con el árbol de rotor (120) y el al menos un cojinete de generador (144) .

6. Sistema de transmisión de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además:

un mecanismo de giro (166) acoplado al árbol de rotor (120) ; y al menos un accionamiento auxiliar (172) montado en la pantalla de extremo no de accionamiento (140) y configurado para hacer rotar el mecanismo de giro (166) a través de un respectivo piñón (174) que engrana con el mecanismo de giro (166) .

7. Sistema de transmisión de potencia según la reivindicación 6, que comprende además:

un adaptador de extremo (160) acoplado al árbol de rotor (120) y que se extiende fuera de la carcasa de generador (104) , estando acoplado el mecanismo de giro (166) al árbol de rotor (120) a través del adaptador de extremo (160) ;

un disco de freno (168) soportado por el adaptador de extremo (160) ; y al menos una pinza de freno (180) colocada alrededor del disco de freno (168) y configurada para aplicar fricción al mismo.

8. Sistema de transmisión de potencia según la reivindicación 7, en el que la pinza de freno (180) está

montada en la pantalla de extremo no de accionamiento (140) .

9. Sistema de transmisión de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el al menos un cojinete de generador (144) comprende cojinetes de generador primero y segundo (144a, 144b) separados uno de otro, y en el que además el rotor (100) tiene un centro de masa ubicado en un plano entre los cojinetes de generador primero y segundo (144a, 144b) ; y/o el generador (28) incluye además un cartucho de cojinete (148) que aloja el al menos un cojinete de generador (144) ; y/o el al menos un cojinete de generador (144) es el único soporte rotatorio para el elemento de salida de caja de engranajes (80) y el árbol de rotor (120) ; y/o el generador (20) incluye además una pantalla de extremo de accionamiento (110) acoplada a y que cubre el lado de extremo de accionamiento de la carcasa de generador (104) .

10. Método de ensamblaje o mantenimiento de un sistema de transmisión de potencia para una turbina eólica, que comprende:

proveer una caja de engranajes (24) que tiene una carcasa de caja de engranajes (32) y un elemento de 15 salida de caja de engranajes (80) que se extiende desde la carcasa de caja de engranajes (32) ;

proveer un generador (28) que tiene una carcasa de generador (104) , un estator (102) soportado por la carcasa de generador (32) y un rotor (100) colocado dentro de la carcasa de generador (104) , en el que el rotor (100) puede rotar dentro de la carcasa de generador (104) y divide eficazmente la carcasa de generador en un lado de extremo de accionamiento y un lado de extremo no de accionamiento, estando el 20 estator soportado entre los lados de extremo de accionamiento y de extremo no de accionamiento, incluyendo además el generador una pantalla de extremo no de accionamiento (140) acoplada al lado de extremo no de accionamiento y un eje (142) que se extiende desde la pantalla de extremo no de accionamiento en una dirección axial, estando el eje (142) formado de manera solidaria con o fijado a la pantalla de extremo no de accionamiento, y teniendo el rotor (100) un árbol de rotor (120) que se extiende en la dirección axial y un cuerpo de rotor (116) soportado por el árbol de rotor (120) ;

colocar al menos un cojinete de generador (144) entre el árbol de rotor (120) y el eje (142) , en el que el al menos un cojinete de generador (144) soporta el elemento de salida de caja de engranajes (80) y el árbol de rotor (120) ; y acoplar el lado de extremo de accionamiento de la carcasa de generador (104) a la carcasa de caja de 30 engranajes (32) ; y acoplar el árbol de rotor (120) al elemento de salida de caja de engranajes (80) .

11. Método según la reivindicación 10, en el que la carcasa de generador (104) se acopla a la carcasa de caja de engranajes (32) y el árbol de rotor (120) se acopla al elemento de salida de caja de engranajes (80) antes de colocar el al menos un cojinete de generador (144) .

12. Método según las reivindicaciones 10 u 11, que comprende además:

retirar el al menos un cojinete de generador (144) del generador (20) , en el que la carcasa de generador (104) permanece acoplada a la carcasa de caja de engranajes (104) y el árbol de rotor (120) permanece acoplado al elemento de salida de caja de engranajes (80) mientras se retira el al menos un cojinete de generador (144) ; o retirar el al menos un cojinete de generador (144) del generador (20) , en el que la carcasa de generador (104) permanece acoplada a la carcasa de caja de engranajes (104) y el árbol de rotor (120) permanece acoplado al elemento de salida de caja de engranajes (80) mientras se retira el al menos un cojinete de generador (144) , en el que la pantalla de extremo no de accionamiento permanece acoplada a la carcasa de generador (104) mientras se retira el al menos un cojinete de generador (144) .

13. Método según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, que comprende además:

mover el rotor (100) hacia la pantalla de extremo no de accionamiento hasta que el rotor entra en contacto con el eje (142) , en el que el rotor (100) incluye una parte que termina axialmente y el eje (142) incluye un reborde (216) enfrentado a la parte que se extiende axialmente, y en el que además el reborde (216) soporta radialmente la parte que se extiende axialmente cuando el rotor se mueve hacia la pantalla de extremo no de accionamiento (140) ; o 50 mover el rotor (100) hacia la pantalla de extremo no de accionamiento hasta que el rotor entra en contacto con el eje (142) , en el que el rotor (100) incluye una parte que termina axialmente y el eje (142) incluye un reborde (216) enfrentado a la parte que se extiende axialmente, y en el que además el reborde (216) soporta radialmente la parte que se extiende axialmente cuando el rotor se mueve hacia la pantalla de 11

extremo no de accionamiento (140) , en el que mover el rotor hacia la pantalla de extremo no de accionamiento (140) comprende:

tirar del rotor (100) hacia la pantalla de extremo no de accionamiento (140) ajustando elementos de desplazamiento que se extienden a través de la pantalla de extremo no de accionamiento y enganchan el rotor.

14. Método según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que colocar el al menos un cojinete de generador comprende insertar un cartucho de cojinete entre el árbol de rotor y el eje, estando el al menos un cojinete de generador (144) alojado dentro del cartucho de cojinete (148) .