Transmisión de relación variable.

Transmisión de relación variable para aplicaciones de generación de potencia eólica o mareomotriz,

adecuada para proporcionar una salida de velocidad sustancialmente constante a partir de una entrada de motor principal cuya velocidad varía al menos dentro de un intervalo de velocidad de entrada en el que tiene lugar toda la generación de potencia, incluyendo la transmisión un tren (120) de engranajes diferencial primario, que tienen una entrada (50) de motor principal, y una salida (140) de accionamiento, en la que la relación entre la velocidad de entrada y la velocidad de salida es variable, y en la que dicha relación se regula mediante el par motor de reacción proporcionado por el engranado (150) de control de velocidad dentro del diferencial primario, incluyendo la transmisión también un tren (220) de engranajes diferencial secundario, que está en comunicación de rotación con la entrada (50) a través de una primera ruta (115) y está en comunicación de rotación con el engranado (150) de control de velocidad a través de una segunda ruta (125) diferente, caracterizada porque el tren de engranajes diferencial secundario incluye dos trayectos (P', P") de potencia paralelos, incluyendo un trayecto una derivación hidráulica que tiene dos unidades (180, 500) hidráulicas en un circuito hidráulico, siendo la potencia transmitida y el sentido de la potencia transmitida en el circuito hidráulico del trayecto de derivación selectivamente variables en uso para variar la velocidad en el otro de los dos trayectos, para modificar de ese modo la potencia en la segunda ruta (125) y para modificar el par motor de reacción del engranado de control de velocidad y de ese modo regular dicha relación, en la que las rutas primera y segunda se utilizan para todo el intervalo de velocidad de entrada.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2008/001953.

Solicitante: ORBITAL2 LIMITED.

Nacionalidad solicitante: Reino Unido.

Dirección: Morva Griggs Close Chipping Campden, Gloucestershire GL55 6BJ REINO UNIDO.

Inventor/es: HICKS, RAYMOND JOHN, CUNLIFFE,Frank.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F03D11/02
  • F16H47/04 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F16 ELEMENTOS O CONJUNTOS DE TECNOLOGIA; MEDIDAS GENERALES PARA ASEGURAR EL BUEN FUNCIONAMIENTO DE LAS MAQUINAS O INSTALACIONES; AISLAMIENTO TERMICO EN GENERAL.F16H TRANSMISIONES.F16H 47/00 Combinaciones de una transmisión mecánica con acoplamientos hidraúlicos o transmisión por fluido. › siendo la transmisión mecánica del tipo de órganos de movimiento orbital.

PDF original: ES-2379161_T3.pdf

 

Transmisión de relación variable.

Fragmento de la descripción:

Transmisión de relación variable La presente invención se refiere a una transmisión de relación variable que tiene una relación variable de manera infinita, por ejemplo, que permite a un motor principal, tal como una turbina eólica o mareomotriz funcionar a velocidades relativamente bajas pero que varían de manera continua para accionar de manera homogénea una máquina de velocidad constante, tal como un generador síncrono, sin pares motores transitorios excesivos.

En particular, el requisito de las transmisiones con aumento de velocidad para turbinas eólicas procede de su baja velocidad de rotación en comparación con la velocidad de generador preferida, normalmente 1500 rpm. La velocidad de turbina baja viene determinada por el hecho de que la generación de energía eólica está en función del área de barrido de la turbina y de los límites de velocidad de punta de pala. Por tanto, cuanto mayor es la potencia, menor es la velocidad del rotor. En efecto, la potencia es directamente proporcional al cuadrado del diámetro del rotor, mientras que la velocidad del rotor es inversamente proporcional al diámetro de punta y/o la raíz cuadrada de la potencia del rotor; por ejemplo, una turbina de 3000 kW funcionaría a 16 rpm en comparación con 44 rpm para una máquina de 400kW con la misma velocidad de punta. Dado que el peso del rotor y el par motor son directamente proporcionales al cubo del diámetro del rotor; las turbinas más grandes no sólo tienen mayores relaciones de aceleración de transmisión sino incluso mayores pares motores de entrada y, por tanto, una menor relación entre potencia y peso. Por ejemplo, mientras que una turbina de 3000 kW genera 7, 5 veces la potencia de una máquina de 400kw, su par motor y peso se aumentan por un factor de 20, 54 (es decir 7, 5 elevado a la potencia de 1, 5) , mientras que su relación se aumenta por un factor de 2, 74 porque su velocidad se reduce por la raíz cuadrada de 7, 5.

Dado que el volumen, el peso y el precio de una caja de engranajes está regulado por su par motor y su relación global, existe un incentivo para reducir el peso mediante la reducción de los pares motores de sobrecarga transitorios parásitos, que se producen normalmente (y que están previstos) en todas las transmisiones de turbinaeólica de relación fija. Éstos se crean por las variaciones estocásticas de la velocidad del viento, la densidad del aire y la energía aerodinámica unitaria sobre la gran área de barrido de la turbina. Tales variaciones llevan a fluctuaciones de velocidad del buje de rotor de turbina en su entrada a la caja de engranajes, que pueden producirse muchas veces por cada revolución. Esto se complica adicionalmente, en primer lugar por cambios regulares en la velocidad del viento y en segundo lugar por los cambios repentinos que se producen durante las ráfagas. Dado que la energía del viento está directamente relacionada con el cubo de la velocidad del aire, un aumento del 50% en la velocidad transitoria aumentará la potencia aerodinámica por un factor de 3. Aunque una parte de esta potencia se disipará por la menor eficiencia y una parte por el aumento de velocidad y de energía cinética en la turbina, resulta que con una transmisión de relación fija se generarán pares motores adicionales al tratar de acelerar el generador. Esto procede del hecho de que el momento de inercia polar de un generador alrededor de su propio eje cuando se refiere al eje del rotor de turbina se multiplica por el cuadrado de la relación de aceleración. Por tanto un generador que requiera una relación de aceleración de 80/1 tendría una inercia aparente 6400 veces la de alrededor de su propio eje. Una desviación angular de 1 grado del buje de rotor de turbina de su velocidad de rotación media implicaría por tanto una fluctuación de 80 grados del generador en la misma escala temporal.

Un generador asíncrono puede emplear acondicionamiento de potencia para producir una salida eléctrica uniforme, pero esto enmascara el problema porque todavía se requieren los pares motores de aceleración mecánica para cambiar su velocidad. Tales pares motores de aceleración transitorios sólo pueden mitigarse por energía de tracción en el trayecto de transmisión mecánico y por tanto, transmisiones más rígidas tendrán mayores pares motores.

La transmisión de relación variable obvia este problema cambiando su relación de manera complementaria, a la misma tasa que el cambio transitorio en la velocidad de la turbina. De este modo, el ángulo de fase, la velocidad y el par motor de generador, se mantienen constantes permitiendo que la turbina acelere y absorba el exceso de potencia transitorio en forma de energía cinética.

Por ejemplo, las cajas de engranajes de relación variable anteriores, tal como se describen en la solicitud de patente WO 2004/109157 anterior del presente solicitante, que da a conocer una transmisión según el preámbulo de la reivindicación 1, se han empleado para aplicaciones que incluyen turbinas de potencia eólica. Sin embargo, su complicación, por ejemplo, la necesidad de usar componentes consumibles tales como embragues y rutas de potencia alternativas, aumenta su tamaño, peso y costes de fabricación. El inventor se ha dado cuenta de que se requiere una caja de engranajes de relación variable sencilla que, en realizaciones, proporciona control de velocidad de generador y un diseño sencillo.

La presente invención consiste en una transmisión de relación variable para aplicaciones de generación de potencia eólica o mareomotriz, adecuada para proporcionar una salida de velocidad sustancialmente constante a partir de una entrada de motor principal cuya velocidad varía al menos dentro de un intervalo de velocidad de entrada en el que tiene lugar toda la generación de potencia incluyendo la transmisión a un tren de engranajes primario diferencial, que tiene una entrada de motor principal, y una salida de accionamiento, en la que la relación entre la velocidad de entrada y la velocidad de salida es variable, y en la que dicha relación se regula mediante el par motor de reacción proporcionado por el engranado de control de velocidad dentro del diferencial primario, incluyendo la transmisión también un tren de engranajes diferencial secundario, que está en comunicación de rotación con la entrada a través de una primera ruta, está en comunicación de rotación con el engranado de control de velocidad a través de una segunda ruta diferente, en la que el tren de engranajes diferencial secundario incluye dos trayectos de potencia paralelos, incluyendo un trayecto una derivación hidráulica que tiene dos unidades hidráulicas en un circuito hidráulico, siendo la potencia transmitida y el sentido de la potencia transmitida en el circuito hidráulico del trayecto de derivación selectivamente variables en uso para variar la velocidad en el otro trayecto, para modificar de ese modo la potencia en la segunda ruta y para modificar el par motor de reacción del engranado de control de velocidad y de ese modo regular dicha relación, estando la transmisión caracterizada porque las rutas primera y segunda se utilizan para todo el intervalo de velocidad de entrada.

Preferiblemente, las rutas primera y segunda carecen de embrague.

En una realización las unidades tienen potencia transmitida en un sentido entre ellas, cuando la velocidad de entrada está por debajo de un valor predeterminado en el intervalo, y dicho sentido de transmisión de potencia se invierte cuando se alcanza o se supera dicha velocidad.

Preferiblemente las unidades hidráulicas se accionan cada una a una velocidad que es proporcional a la velocidad de entrada.

Más preferiblemente cada unidad hidráulica es un dispositivo de desplazamiento positivo que tiene una carrera variable para modificar el caudal volumétrico o la presión hidráulicos. Preferiblemente la carrera de una o ambas unidades se ajusta para modificar la potencia transmitida en el trayecto de derivación.

En una disposición, los trenes de engranajes diferenciales primario y/o secundario incluyen trenes de engranajes epicíclicos. Si es así, los trenes de engranajes primario y secundario pueden ser ambos trenes de engranajes epicíclicos y puede existir una cualquiera o más de las siguientes disposiciones epicíclicas:

la primera entrada al diferencial primario es el portador del planetario del diferencial primario;

la salida del diferencial primario es la corona del diferencial primario;

el engranaje de control de velocidad del diferencial primario es la rueda central del diferencial primario;

los... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Transmisión de relación variable para aplicaciones de generación de potencia eólica o mareomotriz, adecuada para proporcionar una salida de velocidad sustancialmente constante a partir de una entrada de motor principal cuya velocidad varía al menos dentro de un intervalo de velocidad de entrada en el que tiene lugar toda la generación de potencia, incluyendo la transmisión un tren (120) de engranajes diferencial primario, que tienen una entrada (50) de motor principal, y una salida (140) de accionamiento, en la que la relación entre la velocidad de entrada y la velocidad de salida es variable, y en la que dicha relación se regula mediante el par motor de reacción proporcionado por el engranado (150) de control de velocidad dentro del diferencial primario, incluyendo la transmisión también un tren (220) de engranajes diferencial secundario, que está en comunicación de rotación con la entrada (50) a través de una primera ruta (115) y está en comunicación de rotación con el engranado (150) de control de velocidad a través de una segunda ruta (125) diferente, caracterizada porque el tren de engranajes diferencial secundario incluye dos trayectos (P', P") de potencia paralelos, incluyendo un trayecto una derivación hidráulica que tiene dos unidades (180, 500) hidráulicas en un circuito hidráulico, siendo la potencia transmitida y el sentido de la potencia transmitida en el circuito hidráulico del trayecto de derivación selectivamente variables en uso para variar la velocidad en el otro de los dos trayectos, para modificar de ese modo la potencia en la segunda ruta (125) y para modificar el par motor de reacción del engranado de control de velocidad y de ese modo regular dicha relación, en la que las rutas primera y segunda se utilizan para todo el intervalo de velocidad de entrada.

2. Transmisión de relación variable según la reivindicación 1, en la que las rutas primera y segunda carecen de embrague.

3. Transmisión de relación variable según la reivindicación 1 ó 2, en la que las unidades tienen potencia transmitida en un sentido entre ellas, cuando la velocidad de entrada está por debajo de un valor predeterminado en el intervalo, y dicho sentido de transmisión de potencia se invierte cuando se alcanza o se supera dicha velocidad.

4. Transmisión de relación variable según cualquier reivindicación anterior, en la que las unidades hidráulicas se accionan cada una a una velocidad que es proporcional a la velocidad de entrada.

5. Transmisión de relación variable según la reivindicación 4, en la que cada unidad hidráulica es un dispositivo de desplazamiento positivo que tiene una carrera variable para modificar el caudal volumétrico o la presión.

6. Transmisión de relación variable según la reivindicación 5, en la que la carrera de una o ambas unidades se ajusta para modificar la potencia transmitida en el trayecto de derivación.

7. Transmisión de relación variable según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que los trenes de engranajes diferenciales primario y/ secundario incluyen trenes de engranajes epicíclicos.

8. Transmisión de relación variable según la reivindicación 7, en la que los trenes de engranajes primario y secundario son ambos trenes de engranajes epicíclicos y existe una cualquiera o más de las siguientes disposiciones epicíclicas:

la entrada de motor principal al diferencial primario es el portador del planetario del diferencial primario;

la salida del diferencial primario es la corona del diferencial primario;

el engranaje de control de velocidad del diferencial primario es la rueda central del diferencial primario;

los dos trayectos de potencia del diferencial secundario incluyen el portador del planetario y la rueda central del diferencial secundario.

9. Sistema de transmisión que incluye: (a) una etapa de aceleración de relación fija de baja velocidad; y (b) una etapa de relación variable, que tiene un árbol de entrada, para recibir una velocidad de entrada variable continua a partir de la etapa de relación fija y que proporciona una velocidad de salida constante en su árbol de salida en la que la etapa de relación variable incluye o comprende una transmisión según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

10. Sistema de transmisión según la reivindicación 9, en la que la etapa de relación fija incluye dos etapas epicíclicas en serie.

11. Motor principal accionado por fluido conectado de manera accionante a un generador a través de una transmisión de relación variable según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 o a través de un sistema de transmisión según la reivindicación 9 ó 10.

 

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