Aparato y métodos para monitorizar la salud de componentes en una caja de engranajes de un sistema de generación de potencia.

Aparato para su uso en un sistema de generación de potencia, comprendiendo el aparato:

una caja de engranajes (34) que incluye un conjunto de engranajes que tiene un primer componente y un segundo componente móvil con respecto al primer componente;

un inducido (60) unido al primer componente del conjunto de engranajes;

un imán (58) unido al segundo componente del conjunto de engranajes, estando el imán y el inducido dispuestos para mostrar movimiento relativo durante el funcionamiento del conjunto de engranajes de modo que el inducido se somete a un campo magnético variable procedente del imán que genera energía eléctrica; y

un dispositivo eléctrico dentro de la caja de engranajes, estando el dispositivo eléctrico eléctricamente acoplado con el inducido de modo que el dispositivo eléctrico se alimenta mediante la energía eléctrica generada,

en el que el dispositivo eléctrico comprende un sensor inalámbrico (54) configurado para detectar una variable relacionada con el funcionamiento de la caja de engranajes y para emitir de manera inalámbrica una señal indicativa de la variable detectada.

Aparato y métodos para monitorizar la salud de componentes en una caja de engranajes de un sistema de generación de potencia

Campo técnico

Esta solicitud se refiere de manera general a sistemas de generación de potencia y, más específicamente, a la monitorización de la salud de componentes en una caja de engranajes de un sistema de generación de potencia, tal como una turbina eólica.

Antecedentes Un sistema de energía eólica a gran escala o parque eólico incluye un grupo de turbinas eólicas que funcionan colectivamente como una central eléctrica para producir energía eléctrica sin el consumo de combustibles fósiles. Una turbina eólica incluye un rotor, un generador y una caja de engranajes alojada en una góndola, y se coloca en una torre a una altura suficiente por encima del terreno circundante de modo que se le proporcionan a la turbina corrientes eólicas que son más fuertes y más constantes que aquellas a nivel del suelo. Las turbinas eólicas de la clase de megavatios pueden tener góndolas que pesan más de 100 toneladas y rotores que abarcan más de 90 metros. Debido a su tamaño, peso y altura de funcionamiento, la realización de reparaciones principales en una turbina eólica es costosa, requiriendo con frecuencia una grúa para retirar el rotor y la góndola de la torre. Por tanto, los principales subconjuntos de una turbina eólica se diseñan normalmente para tener una vida útil de servicio superior o igual a la vida de servicio estimada de la turbina eólica para reducir los costes de mantenimiento previstos.

Los rotores en una turbina eólica grande producen la rotación con una baja velocidad angular y un alto momento de torsión. Para proporcionar una rotación que tiene una velocidad angular adecuada para generar electricidad con el generador, puede requerirse que la caja de engranajes proporcione relaciones de sobremarcha del orden de 100:1. Dado que los engranajes epicíclicos pueden proporcionar grandes relaciones de sobremarcha y alta eficacia de transmisión de potencia con un factor de forma compacto, con frecuencia se emplean para las etapas de entrada de cajas de engranajes en aplicaciones de turbinas eólicas. Los grandes momentos de torsión aplicados a la entrada de la caja de engranajes y las altas relaciones de sobremarcha usadas para transferir potencia al generador someten las partes móviles de la caja de engranajes a fuerzas extremas. Estas fuerzas pueden hacer que los componentes se desgasten hasta el punto de fallo antes de haber transcurrido la vida útil de diseño de la turbina eólica.

En funcionamiento normal, cada componente de la caja de engranajes produce una vibración característica, o huella de vibración, por el contacto con engranajes, cojinetes y otros componentes adyacentes en la caja de engranajes. A medida que se desgasta el componente, su huella de vibración puede alterarse lo suficiente como para determinar cuándo está aproximándose al final de su vida de servicio. Igualmente, un fallo de componente puede alterar la huella de vibración que produce lo suficiente como para permitir una detección inmediata del fallo. Por tanto, una posible manera de monitorizar la salud de componentes de cajas de engranajes es detectando y analizando las vibraciones producidas por los componentes de la caja de engranajes de modo que las vibraciones anómalas pueden proporcionar una alerta temprana a operarios de la turbina eólica. Sin embargo, la trayectoria de transmisión de vibraciones de muchos de los componentes internos de la caja de engranajes a la carcasa de la caja de engranajes se atenúa mediante el paso a través de lubricantes, a través de múltiples engranajes y superficies de acoplamiento de cojinetes, y a través de otros componentes. Las huellas de vibración de componentes individuales detectadas desde el exterior de la caja de engranajes también se enmascaran por vibraciones emitidas por otros componentes, haciendo difícil aislar un único fallo. La combinación de señales atenuadas y niveles de ruido de fondo reduce por tanto la capacidad de sensores montados en la carcasa de la caja de engranajes para detectar componentes desgastados de manera temprana en el proceso de fallo.

Montar sensores de vibración a una mayor proximidad al componente que está monitorizándose puede crear una trayectoria más directa para la transmisión de energía de vibración. Esto puede aumentar la relación señal-ruido para detectar de manera más fiable emisiones de vibraciones anómalas de un componente individual lo suficientemente pronto en el proceso de fallo como para permitir implementar medidas preventivas, o para programar reparaciones, antes de que se produzca el fallo predicho. Sin embargo, debido al espacio confinado de una caja de engranajes epicíclicos, así como la complejidad de la rotación y los movimientos de los componentes internos, no resulta práctico usar alambres o cables para recuperar señales de, y proporcionar potencia a, sensores montados en partes móviles dentro de una caja de engranajes.

El documento WO2010/100318 da a conocer un engranaje electromecánico que comprende un conjunto de generador productor de electricidad y una unidad de motor eléctrico.

En el documento US2008279686 se describe un conjunto de sistema de monitorización de caja de engranajes que comprende transmisores inalámbricos.

Por consiguiente, existe la necesidad de sistemas y métodos mejorados para monitorizar la salud de una caja de engranajes de turbina eólica que permitan que sensores evalúen de manera precisa huellas de vibración y que

funcionen sin cables o alambres.

Sumario Para tratar estos y otros inconvenientes de sistemas convencionales, un aparato para su uso en un sistema de generación de potencia incluye una caja de engranajes que tiene un conjunto de engranajes con un primer componente y un segundo componente móvil con respecto al primer componente; un inducido unido al primer componente del conjunto de engranajes; un imán unido al segundo componente del conjunto de engranajes de tal manera que el imán y el inducido muestran movimiento relativo durante el funcionamiento del conjunto de engranajes de modo que el inducido se somete a un campo magnético variable procedente del imán que genera energía eléctrica; y un dispositivo eléctrico dentro de la caja de engranajes que está eléctricamente acoplado con el inducido de tal manera que el dispositivo eléctrico se alimenta mediante la energía eléctrica, caracterizado porque el dispositivo eléctrico comprende un sensor inalámbrico configurado para detectar una variable relacionada con el funcionamiento de la caja de engranajes y para emitir de manera inalámbrica una señal indicativa de la variable detectada.

En una realización, el conjunto de engranajes puede ser un conjunto de engranajes epicíclicos que incluye un engranaje anular exterior, un engranaje central, una pluralidad de engranajes planetarios que acoplan el engranaje central con el engranaje anular exterior, y un soporte que soporta los engranajes planetarios. El primer componente puede seleccionarse de uno del engranaje anular exterior, el engranaje central, uno de los engranajes planetarios o el soporte, y el segundo componente puede seleccionarse de otro del engranaje anular exterior, el engranaje central, uno de los engranajes planetarios o el soporte. Por ejemplo, en una realización, el primer componente es uno de los engranajes planetarios. En otra realización, el segundo componente es uno de los engranajes planetarios. El dispositivo eléctrico puede estar unido al conjunto de engranajes, tal como al primer componente.

El dispositivo eléctrico incluye un sensor inalámbrico configurado para detectar una variable relacionada con el funcionamiento de la caja de engranajes, y para emitir de manera inalámbrica una señal indicativa de la variable detectada. Por ejemplo, en una realización, la variable detectada puede ser energía vibracional generada dentro de la caja de engranajes. El sensor inalámbrico puede incluir un transceptor que emite de manera inalámbrica la señal y el aparato puede incluir además una antena asociada con la caja de engranajes, en el que la antena está configurada para recibir la señal del transceptor del sensor inalámbrico y comunicar la señal a otro transceptor externo a la caja de engranajes.

Puede proporcionarse una fuente de alimentación para acoplar eléctricamente el inducido con el dispositivo eléctrico. La fuente de alimentación está configurada para capturar y acondicionar la energía eléctrica suministrada desde el inducido hacia el dispositivo eléctrico. En una realización, el sistema de generación de potencia es una turbina eólica que tiene un rotor y un generador, en el que el conjunto de engranajes de la caja de engranajes... [Seguir leyendo]

1. Aparato para su uso en un sistema de generación de potencia, comprendiendo el aparato:

una caja de engranajes (34) que incluye un conjunto de engranajes que tiene un primer componente y un segundo componente móvil con respecto al primer componente;

un inducido (60) unido al primer componente del conjunto de engranajes;

un imán (58) unido al segundo componente del conjunto de engranajes, estando el imán y el inducido dispuestos para mostrar movimiento relativo durante el funcionamiento del conjunto de engranajes de modo que el inducido se somete a un campo magnético variable procedente del imán que genera energía eléctrica; y un dispositivo eléctrico dentro de la caja de engranajes, estando el dispositivo eléctrico eléctricamente acoplado con el inducido de modo que el dispositivo eléctrico se alimenta mediante la energía eléctrica generada, en el que el dispositivo eléctrico comprende un sensor inalámbrico (54) configurado para detectar una variable relacionada con el funcionamiento de la caja de engranajes y para emitir de manera inalámbrica una señal indicativa de la variable detectada.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que el conjunto de engranajes es un conjunto de engranajes epicíclicos (40) que incluye un engranaje anular exterior (52) , un engranaje central (42) , una pluralidad de engranajes planetarios (46) que acoplan el engranaje central con el engranaje anular exterior, y un soporte (48) que soporta los engranajes planetarios.

3. Aparato según la reivindicación 2, en el que el primer componente se selecciona de uno del engranaje anular exterior, el engranaje central, uno de los engranajes planetarios o el soporte, y el segundo componente se selecciona de otro del engranaje anular exterior, el engranaje central, uno de los engranajes planetarios o el soporte.

4. Aparato según la reivindicación 3, en el que el primer componente es uno de los engranajes planetarios.

5. Aparato según la reivindicación 3, en el que el segundo componente es uno de los engranajes planetarios.

6. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo eléctrico está unido al conjunto de engranajes.

7. Aparato según la reivindicación 6, en el que el dispositivo eléctrico está unido al primer componente del conjunto de engranajes.

8. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la variable detectada es energía vibracional generada dentro de la caja de engranajes.

9. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el sensor inalámbrico incluye un transceptor (66) que emite de manera inalámbrica la señal, comprendiendo el aparato además:

una antena (56) asociada con la caja de engranajes, estando la antena configurada para recibir la señal del transceptor del sensor inalámbrico y para comunicar la señal a otro transceptor externo a la caja de engranajes.

10. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además:

una fuente de alimentación (62) que acopla eléctricamente el inducido con el dispositivo eléctrico, estando la fuente de alimentación configurada para capturar y acondicionar la energía eléctrica suministrada desde el inducido hacia el dispositivo eléctrico.

11. Turbina eólica (10) que incluye un rotor (16) , un generador (20) y un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el conjunto de engranajes de la caja de engranajes acopla operativamente el rotor con el generador.

12. Método de alimentación de un dispositivo eléctrico en una caja de engranajes (34) que tiene un conjunto de

engranajes con un primer componente y un segundo componente móvil con respecto al primer componente, que comprende:

provocar el movimiento relativo entre un inducido (60) unido al primer componente del conjunto de engranajes y un imán (58) unido al segundo componente del conjunto de engranajes;

generar energía eléctrica en el inducido sometiendo el inducido a un campo magnético variable procedente 12

del imán; y alimentar un dispositivo eléctrico dentro de la caja de engranajes con la energía eléctrica, en el que el dispositivo eléctrico comprende un sensor inalámbrico (54) , comprendiendo el método además:

detectar una variable relacionada con el funcionamiento de la caja de engranajes con el sensor inalámbrico; y emitir de manera inalámbrica una señal indicativa de la variable detectada a partir del sensor inalámbrico.

13. Método según la reivindicación 12, en el que la variable detectada es energía vibracional generada dentro de la caja de engranajes.

14. Método según la reivindicación 12 ó 13, en el que el sensor inalámbrico incluye un transceptor (66) que emite de manera inalámbrica la señal, comprendiendo el método además:

transmitir la señal desde el transceptor hacia otro transceptor externo a la caja de engranajes.

15. Método según cualquiera de las reivindicaciones 12-14, en el que el sensor inalámbrico incluye un transceptor que emite de manera inalámbrica la señal, comprendiendo el método además:

comunicar la señal desde el transceptor hacia una antena (56) asociada con la caja de engranajes; y comunicar la señal desde la antena hacia otro transceptor externo a la caja de engranajes.

16. Método según cualquiera de las reivindicaciones 12-15, que comprende además: capturar y acondicionar la energía eléctrica suministrada desde el inducido hacia el dispositivo eléctrico con una fuente de alimentación (62) que acopla eléctricamente el inducido con el dispositivo eléctrico. 20