Un sistema (100) de engranajes planetarios, que comprende:

un árbol de entrada (ENTRADA);

un árbol de salida (SALIDA);

un sistema de engranajes planetarios compuestos en dos piezas que incluye una etapa de par elevado(ETAPA 1) y una etapa de par reducido (ETAPA 2), estando configurado dicho sistema de engranajesplanetarios compuestos en dos piezas para transferir par desde dicho árbol de entrada hasta dicho árbol desalida a través de dicha etapa de par elevado y dicha etapa de par reducido;

en el que dicha etapa de par elevado está configurada como un sistema de engranajes planetarios de ejesflexibles y portador cerrado que incorpora dos conjuntos opuestos de engranajes planetarios (102)dispuestos en el interior de un portador cerrado (108) que tiene paredes extremas opuestas, consistiendocada conjunto de engranajes planetarios en una pluralidad de engranajes planetarios (104) soportados porejes flexibles (105) en voladizo que se extienden hacia dentro desde una pared extrema asociada de dichoportador cerrado, engranado cada uno de dichos engranajes planetarios con un engranaje anular común(103) engranado con dicho árbol de entrada y con un engranaje central común (106) engranado con unengranaje anular de dicha etapa de par reducido; y

en el que dicha etapa de par reducido está configurada como un sistema de engranajes planetarios (112)de ejes flexibles y portador abierto.

Tren transmisor de potencia para turbina eólica

Antecedentes de la invención

La presente invención versa, en general, acerca de sistemas de trenes transmisores de potencia, tales como los utilizados en turbinas eólicas, y especialmente acerca de un sistema mejorado de tren transmisor de potencia de turbina eólica configurado con un sistema de engranajes planetarios compuestos en dos piezas que incorpora un sistema de ejes flexibles y portador cerrado en una etapa de par elevado junto con un sistema de ejes flexibles y portador abierto en una etapa de par reducido.

Las arquitecturas de sistemas de turbinas eólicas actualmente en desarrollo están dirigidas a producir máquinas livianas (de masa reducida, de bajo coste) y fiables. Una solución que está siendo seguida es una turbina eólica híbrida que incorpora una combinación de un tren transmisor simplificado de potencia (comúnmente un sistema de engranajes planetarios de una única etapa) y un generador de velocidad media. Para reducir adicionalmente la masa giratoria de esta configuración, se puede utilizar una mayor relación en el sistema de engranajes planetarios, lo que permite un generador de tamaño reducido que funciona más rápido para sustituir el generador de velocidad media. En otras palabras, si la turbina eólica gira a una velocidad dada de “a” rpm, y si la relación del sistema de engranajes planetarios es “b”, el generador asociado girará a una velocidad de (a x b) rpm. Cuanto mayor sea la relación “b”, más rápido girará el generador. Como norma general, un generador más pequeño que gira más rápido tendrá una masa menor y un coste menor, lo que da lugar de esta manera a un diseño más liviano del sistema. Por lo tanto, en la industria existe la necesidad de aumentar la relación multiplicadora “b” para el sistema de engranajes planetarios en un espacio tan pequeño como sea posible, y con una masa tan pequeña como sea posible.

Los sistemas de engranajes planetarios, tales como los mostrados en las Figuras 1 A y 1 B comprenden normalmente de un engranaje planetario en el centro, engranajes planetarios orbitantes (normalmente, pero no siempre, tres en número, como se muestra en la Figura 1 A) engranados con el engranaje central, un portador planetario giratorio (coaxial con el engranaje central) que es un miembro estructural que mantiene los engranajes planetarios en una posición relativamente fija, y un engranaje anular que también es coaxial con el engranaje central que rodea y engrana con los engranajes planetarios orbitantes.

En los documentos DE 3701729 A1 y AT403310 B se divulgan ejemplos de dos sistemas de engranajes planetarios de dos etapas.

Tradicionalmente, cada uno de los engranajes planetarios está soportado axialmente por una o más filas de rodamientos planetarios que, a su vez, están soportados sobre un eje no giratorio, pero orbitante, que está fijado en cada extremo a una pared de un portador planetario cerrado (es decir, un portador que tiene dos paredes dispuestas en lados opuestos de los engranajes planetarios) . Esta disposición divide en teoría el par de entrada a lo largo de un número de pistas de carga idénticas correspondientes al número de engranajes planetarios, y al hacerlo, reduce la magnitud de las fuerzas de engranaje que actúan en cada dentado de engranaje entre el engranaje central, los engranajes planetarios, y el engranaje anular a un número correspondientemente menor.

Los engranajes en un sistema de engranajes planetarios están diseñados normalmente como engranajes de dientes rectos, engranajes de dentado helicoidal, o como engranajes de dentado helicoidal doble. Con independencia de qué diseño de engranaje se utilice, pueden surgir dos problemas habituales. El primero es que las tolerancias de mecanización crean necesariamente una variación en las holguras entre todos los dentados de engranaje. Esto significa que según se aplica torsión en el sistema de engranajes, el dentado de engranaje con la menor holgura comenzará a soportar la carga por sí mismo, hasta que este dentado de engranaje se desvíe lo suficiente, de forma que el dentado de engranaje con la siguiente holgura menor comienza a soportar una porción de la carga. Este fenómeno de desplazamiento de la carga proseguirá hasta que toda la carga esté soportada completamente por varios de los dentados de engranaje. En otras palabras, algunos dentados de engranaje soportarán más carga que otros. Existen medios para introducir flexibilidad en los dentados de engranaje para restablecer el equilibrio de cargas en los dentados de engranaje, uno de los cuales es el uso de un engranaje flotante central en un sistema de tres engranajes planetarios.

El segundo inconveniente de un sistema convencional de engranajes planetarios que emplean un portador planetario cerrado que tiene dos paredes opuestas conectadas por cintas es que la torsión aplicada torsiona el portador planetario cerrado, haciendo avanzar rotacionalmente una pared del portador planetario que porta un extremo de los ejes planetarios por delante de la pared opuesta del portador planetario que porta los extremos opuestos de los ejes planetarios. Este avance rotacional desalinea los engranajes planetarios con su engranaje central y su engranaje anular coincidentes, lo que tiene como resultado un mayor desgaste y mayores fuerzas de rozamiento en los dentados de engranaje. Además, los rodamientos de soporte de los engranajes planetarios están sometidos a la misma cantidad de desalineación.

Cuando se utiliza en aplicaciones de turbinas eólicas, las configuraciones del sistema de engranajes planetarios consisten a menudo en una de varias configuraciones comunes descritas a continuación y mostradas en las figuras asociadas:

A. – un sistema epicíclico convencional de tres planetas y portador cerrado con una relación multiplicadora igual a aproximadamente 10:1, como se ejemplifica por medio de la Figura 1A de la técnica anterior;

B. – un sistema epicíclico convencional de cuatro planetas y portador cerrado con una relación multiplicadora igual a aproximadamente 8:1, como se ejemplifica por medio de la Figura 1B de la técnica anterior;

C. – un sistema de engranajes planetarios compuestos con una relación multiplicadora igual a aproximadamente 14:1, como se ejemplifica por medio de la Figura 1C de la técnica anterior;

D. – un sistema de engranajes planetarios compuestos en dos piezas que utiliza conjuntos de engranajes planetarios de portador abierto con ejes flexibles tanto en una etapa de par reducido, como en una etapa de par elevado, como se ejemplifica por medio de la Figura 1D de la técnica anterior; y

E. – un sistema que es similar a “D”, pero que emplea conjuntos de engranajes planetarios de portador cerrado en etapas tanto de par reducido como de par elevado, como se ejemplifica por medio de la Figura 1E de la técnica anterior.

En consecuencia, sería ventajoso proporcionar un tren transmisor de potencia accionado por engranajes para ser utilizado en aplicaciones de transmisión de potencia, tales como una aplicación de turbina eólica, que está configurado para maximizar la relación multiplicadora efectiva entre un árbol de entrada y un árbol de salida en un espacio limitado, lo que permite el uso de generadores eléctricos de masa más ligera y que se reduzcan los costes totales del sistema.

Breve resumen de la invención

De forma breve, la presente divulgación proporciona un tren transmisor de potencia accionado por engranajes para ser utilizado en un sistema de transmisión de potencia para maximizar una relación multiplicadora entre un árbol giratorio de entrada y un árbol giratorio de salida en un espacio radial limitado que está definido por el tamaño del engranaje anular del sistema de engranajes planetarios. El tren transmisor de potencia está configurado como un sistema de engranajes planetarios compuestos en dos piezas con un sistema de engranajes planetarios de ejes flexibles y portador en una etapa de par elevado, y con un sistema de engranajes planetarios de ejes flexibles y portador abierto en una etapa de par reducido.

En una realización, el tren transmisor de potencia accionado por engranajes de la presente divulgación está adaptado para ser aplicado en un sistema de transmisión de potencia de una turbina eólica, entre un árbol de entrada engranado a una turbina giratoria, y un eje de salida acoplado a un generador eléctrico. El tren transmisor... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (100) de engranajes planetarios, que comprende:

un árbol de entrada (ENTRADA) ; un árbol de salida (SALIDA) ; un sistema de engranajes planetarios compuestos en dos piezas que incluye una etapa de par elevado (ETAPA 1) y una etapa de par reducido (ETAPA 2) , estando configurado dicho sistema de engranajes planetarios compuestos en dos piezas para transferir par desde dicho árbol de entrada hasta dicho árbol de salida a través de dicha etapa de par elevado y dicha etapa de par reducido; en el que dicha etapa de par elevado está configurada como un sistema de engranajes planetarios de ejes flexibles y portador cerrado que incorpora dos conjuntos opuestos de engranajes planetarios (102) dispuestos en el interior de un portador cerrado (108) que tiene paredes extremas opuestas, consistiendo cada conjunto de engranajes planetarios en una pluralidad de engranajes planetarios (104) soportados por ejes flexibles (105) en voladizo que se extienden hacia dentro desde una pared extrema asociada de dicho portador cerrado, engranado cada uno de dichos engranajes planetarios con un engranaje anular común

(103) engranado con dicho árbol de entrada y con un engranaje central común (106) engranado con un engranaje anular de dicha etapa de par reducido; y en el que dicha etapa de par reducido está configurada como un sistema de engranajes planetarios (112) de ejes flexibles y portador abierto.

2. El sistema de engranajes planetarios de la Reivindicación 1, en el que dicha etapa de par elevado (ETAPA 1) y dicha etapa de par reducido (ETAPA 2) están configuradas de forma cooperante para proporcionar una relación multiplicadora de hasta 30:1 entre dicho árbol de entrada (ENTRADA) y dicho árbol de salida (SALIDA) .

3. El sistema de engranajes planetarios de la Reivindicación 1, en el que dicho sistema de engranajes planetarios está configurado, además, para ser utilizado en una aplicación de turbina eólica para maximizar una relación multiplicadora dentro de un espacio radial definido por un diámetro de un engranaje anular (103) asociado con dicho árbol de entrada (ENTRADA) .

4. El sistema de engranajes planetarios de la Reivindicación 1, en el que cada uno de dichos engranajes planetarios (104) en dicha etapa de par elevado (ETAPA 1) tiene un eje de rotación en torno a un eje flexible asociado (105) , y en el que dicho eje de rotación asociado con los engranajes planetarios de un primero de dichos conjuntos adyacentes (102) de engranajes planetarios en el interior de dicho portador cerrado (108) está desplazado rotacionalmente en torno a un eje de dicho engranaje central común (106) desde dicho eje de rotación asociado con los engranajes planetarios de un segundo de dichos conjuntos adyacentes (102) de engranajes planetarios en el interior de dicho portador cerrado (108) , por lo que los engranajes planetarios

(104) de dicho primer conjunto adyacente (102) de engranajes planetarios engranan distintos dientes en dicho engranaje central común (106) y dicho engranaje anular común (103) de los engranajes planetarios (104) de dicho segundo conjunto adyacente (102) de engranajes planetarios.

5. El sistema de engranajes planetarios de la Reivindicación 1, en el que cada uno de los conjuntos (102) de engranajes planetarios en dicha etapa de par elevado (ETAPA 1) consiste en al menos dos engranajes planetarios (104) separados de forma equidistante.

6. El sistema de engranajes planetarios de la Reivindicación 1, en el que dicha etapa de par reducido (ETAPA 2) incorpora una pluralidad de engranajes planetarios (110) separados de forma equidistante, cada uno soportado por un eje flexible asociado (105) en voladizo desde una única pared extrema de dicho portador abierto, engranado cada uno de dichos engranajes planetarios (110) con un engranaje central común (109) engranado con dicho árbol de salida (SALIDA) y con un engranaje anular común (113) engranado con dicha etapa de par elevado (ETAPA 1) .

7. El sistema de engranajes planetarios de la Reivindicación 1, en el que dichos engranajes planetarios (110) de dicha etapa de par reducido (ETAPA 2) tienen una configuración de engranajes de dientes rectos.

8. El sistema de engranajes planetarios de la Reivindicación 1, en el que dichos engranajes planetarios (110) de dicha etapa de par reducido (ETAPA 2) tienen una configuración de engranajes de dentado helicoidal.

9. El sistema de engranajes planetarios de la Reivindicación 1, en el que dicho árbol de entrada (ENTRADA) está engranado con una turbina eólica para recibir un par de impulsión, y en el que dicho árbol de salida (SALIDA) está engranado con un generador eléctrico (200) para transmitir dicho par de impulsión desde dicha turbina eólica hasta dicho generador eléctrico.

10. El sistema de engranajes planetarios de la Reivindicación 1, adaptado para transferir un par de impulsión desde una turbina eólica hasta un generador eléctrico (200) en el interior de un volumen espacial compacto,