Transmisión de alta relación numérica para un aerogenerador que proporciona un diseño equilibrado con una construcción sencilla y un bajo número de componentes

Transmisión de alta relación numérica para un aerogenerador.

Objeto de la invención

El objetivo principal de la presente invención es proporcionar un sistema de transmisión de energía mecánica que pueda lograr altas relaciones numéricas de transmisión, con pocas etapas, una construcción más sencilla, un menor número de componentes y menor coste que las transmisiones actuales.

Antecedentes

En la industria de los aerogeneradores, cada vez se diseñan máquinas más grandes con el consiguiente aumento de peso y de coste de la transmisión. En grandes turbinas eólicas, se necesitan generalmente transmisiones de alta relación numérica para lograr las altas velocidades de giro que necesitan los generadores de diseño estándar. Esto se debe al hecho de que la velocidad de giro palas-rotor es inversamente proporcional al diámetro del rotor. Para turbinas eólicas muy grandes, las relaciones de transmisión requeridas para accionar generadores estándar de menor coste y peso están en el orden de 100-200 a uno.

Los diseños de transmisión actuales requieren varias etapas de multiplicación. Como resultado se obtienen máquinas grandes, pesadas, complicadas y caras con un gran número de componentes. Estadísticamente, esto reduce la fiabilidad total de la máquina. Asimismo, con vistas a lograr altas relaciones numéricas en pocas etapas, los actuales diseños de transmisiones requieren que algunos de los engranajes como, por ejemplo, los engranajes centrales en conjuntos planetarios, o los volantes en ejes paralelos, tengan un diámetro relativamente pequeño con pocos dientes, baja relación de contacto y un gran número de ciclos de carga. Por lo tanto los engranajes centrales de la primera etapa planetaria están altamente cargados y sus dientes tienen un alto número de ciclos de carga, debido al número relativamente bajo de dientes y a la naturaleza inversa de los ciclos de carga de los dientes. Los resultados son diseños sensibles a estos componentes críticos de los engranajes, cuyas dimensiones tienen que adaptarse lo suficiente, lo cual conlleva que los demás componentes y la propia transmisión sean más grandes y pesados.

Un ejemplo de estos casos es la publicación EP1046838 que muestra una multiplicadora para aerogeneradores de varias etapas planetarias cuyos ejes de salida y de entrada se encuentran diferentes alturas.

Otro ejemplo similar es la solicitud DE10318945 que muestra una multiplicadora para aerogeneradores con un conjunto de planetarios que se mueven en el interior de una carcasa fija.

La publicación FR1601670 también refleja una multiplicadora con ejes de salida y de entrada a diferentes alturas.

La publicación US2004247437 muestra un conjunto de multiplicadora y generador de uso domestico.

Como se podrá constatar, la presente invención evita los defectos descritos anteriormente, proporcionando diseños equilibrados con un bajo número de componentes de fuerza inherente y sin componentes críticos.

Breve resumen de la invención

En un aerogenerador de transmisión no directa, el eje principal accionado por el rotor transmite energía al eje de entrada de una multiplicadora, cuyo eje de salida transmite dicha energía a una carga, por ejemplo, un generador. La multiplicadora está formada por una carcasa con engranajes internos que aumentan la velocidad de giro del rotor, de modo que los generadores de diseño estándar pueden conectarse al eje de salida de dicha transmisión. Generalmente, estas transmisiones requieren varias etapas de engranajes con vistas a lograr las altas relaciones de transmisión requeridas.

Como se constatará en la presente invención, el escaso número de componentes y etapas de multiplicación, además de una construcción sencilla, representan un medio más eficaz para aumentar la lenta velocidad de giro del conjunto de rotor y palas a la velocidad de giro requerida para accionar generadores estándar. Asimismo, tener la rotación de entrada transmitida por una corona dentada, permite disponer dicha corona dentada integrada en la propia carcasa de la transmisión, que gira y puede incluir el eje principal o incluso el propio buje. Este hecho supone un ahorro considerable en cuanto al número de componentes, peso y coste. Se muestra en las Figuras 7.

Breve descripción de los dibujos

Las Figuras 1 y 2 muestran las representaciones esquemáticas y las ecuaciones matemáticas del concepto en el cual se basa esta invención.

Las Figuras 3, 4, 5, 6 y 7 son croquis que representan secciones longitudinales de las diferentes realizaciones que puede adoptar la presente invención en un aerogenerador.

Descripción detallada de la invención

A continuación se explica la teoría del funcionamiento de la presente invención.

Según la Figura 1, el eje de entrada de la transmisión "Si" está conectado al eje principal del rotor del aerogenerador. El eje "Si" está montado de manera giratoria en la corona dentada "R1" y está soportado por cojinetes "m".

La corona dentada "R1" engrana con una pluralidad de engranajes planetarios "rp1". Cada uno de dichos engranajes planetarios "rp1" está montado de manera giratoria en otro engranaje planetario "rp2" y es sustancialmente concéntrico con él, con objeto de formar un conjunto "p" de dos engranajes planetarios. Dicha pluralidad de conjuntos de engranajes planetarios "p" están soportados por cojinetes "b" en un porta planetas "c" soportado a su vez por cojinetes "m'", que se extiende hacia el eje de salida "So" y gira de manera sustancialmente concéntrica con el eje de entrada "Si".

Dicha pluralidad de engranajes planetarios "rp2" engrana con la corona dentada "R2" que está montada en una estructura fija.

Según las ecuaciones

las velocidades angulares del eje de entrada y del eje de salida están representadas por "Win" y "Wo" respectivamente. La velocidad angular de los conjuntos de planetarios "p" relativa al porta planetas "c" se representa mediante "Wp".

La expresión matemática [1] identifica la velocidad absoluta del punto de engrane de la corona dentada "R1" respecto de la del punto de engrane del planetario "rp1". La expresión matemática [2] identifica la velocidad absoluta del punto de engrane de la corona dentada "R2" respecto de la del punto de engrane del engranaje planetario "rp2". El radio del círculo primitivo de la corona dentada R1 está representado en las expresiones matemáticas por "R1", y lo mismo sucede con los radios del círculo primitivo de los planetarios "rp1" y "rp2", y de la corona dentada R2. Ambas ecuaciones toman en cuenta las direcciones de giro indicadas en la Figura 1. Las constantes K1 y K2 representan cocientes relativos de los radios del círculo primitivo de cada corona dentada respecto del engranaje planetario con el que engranan.

Eliminando "Wp" entre las ecuaciones [1] y [2] se obtiene la expresión [4] y simplificando se obtiene [5] que es la ecuación de la relación de transmisión en la cual "K" es siempre inferior a uno para máquinas con la misma dirección de giro en la entrada y en la salida, como se muestra en las figuras, y "K" es siempre superior a uno para las máquinas de giro inverso. El último caso, los radios del círculo primitivo "rp1" y R1 son superiores a los respectivos "rp2" y R2, al contrario de lo que se muestra en la Figura 1. De todas formas, puede constatarse que diseñando conjuntos de engranajes en los cuales K1 y K2 poseen valores numéricos cercanos, es decir que el valor de "K" es cercano a uno, entonces pueden obtenerse altos valores numéricos de la relación de transmisión. Cabe destacar que la relación global no depende del tamaño de los engranajes planetarios sino de la relación de sus diámetros de círculo primitivo.

Una ampliación lógica de este concepto, en una segunda realización de la invención, según la Figura 2, el porta planetas ya no está conectado al eje de salida pero es soportado para el giro libre por los cojinetes "m". Un engranaje central "u" se acopla en una conexión de engrane a la pluralidad de engranajes planetarios "rp2" como se muestra. Dicho engranaje central se extiende hacia el eje de salida "So", el cual gira a la velocidad de salida "Wo'". La velocidad de giro del porta planetas se representa ahora mediante "Wc" en vez de "Wo" como en la primera realización. La expresión matemática

 

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Reivindicaciones:

 

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