Procedimiento para el dimensionado de una instalación eólica de energía.

Procedimiento para el dimensionado de una instalación (17) eólica de energía cuya potencia eléctrica nominal PW,

nom sea igual o mayor que 1,5 MW y/o cuyo diámetro del rotor sea igual o mayor que 70 m y/o que posea al menos un cojinete (1) de la hoja del rotor con un diámetro Dpw de rotación de 1.500 mm o superior con varias hojas (20) de rotor, que pueden ser ajustadas independientemente entre sí y para la minimización de la carga estructural estática y/o dinámica y/o para la amortiguación de oscilaciones y/o para la compensación de fuerzas y momentos perturbadores, por ejemplo generando fuerzas antagonistas, y que también pueden ser ajustadas, aun cuando una velocidad v∞ constante del viento no lo exija, utilizando para el apoyo de las hojas (20) del rotor acoplamientos (1) rotativos con rodamientos con dos elemento (2, 3) con forma de anillo concéntricos entre sí, y giratorios uno con relación al otro para el acoplamiento con el cubo (18) del rotor, por un lado, así como para el acoplamiento con una hoja (20) del rotor, por otro, previendo entre los dos elementos (2, 3) de acoplamiento un intersticio (4) corrido con forma de espiral, que se hermetiza (14, 15) en los dos lados (5, 6; 7,8) frontales del acoplamiento (1) rotativo y se llena con un lubricante, en especial grasa, con una superficie FQ de la sección transversal del anillo de apoyo liberado de cavidades de un cojinete (1) de hoja de rotor y con un radio RF,SP del centro de gravedad de la superficie del cojinete (1) de la hoja de rotor así como con un volumen V ≥ FQ*2*π*RF,SP de construcción calculado a partir de la superficie FQ de la sección transversal del cojinete liberada de cavidades multiplicada con el contorno 2*φ*RF,SP en el centro de gravedad de la superficie y con un capacidad Ca,tot de carga axial dinámica determinada según DIN ISO 281 de todas las hileras (μ), que participan en la transmisión de fuerzas en una dirección axial de un rodamiento (1) utilizado, caracterizado porque

a) en el marco de los rodamientos (1) para las hileras de cuerpos (9, 10) rodantes, que participan en la transmisión de fuerzas en la dirección axial, se prevén pistas de rodadura con superficie templada sin protuberancias y sin cavidades, equivaliendo el grueso dH de la capa de la pista de rodadura templada superficialmente al menos a 1/20 del diámetro DW del cuerpo rodante: dH ≥ 0,05*DW satisfaciendo

b) la totalidad de la capacidad Ca,tot de carga axial, dinámico determinada según DIN ISO 281 de todas las hileras (μ), que participan en la transmisión de fuerza en una dirección axial de un rodamiento (1) utilizado según DIN ISO 281 la siguiente relación:

en el caso de que FQ ≤ 71,6844 cm2; así como

en el caso de que FQ >71,6844 cm2,

c) siendo, además, desplazados uno con relación al otro entre sí los lados (5 - 8) frontales orientados en la misma dirección axial de los dos elementos (2, 3) de, acoplamiento, estando unida una superficie (5, 8) sobresaliente por medio de tornillos con la hoja del rotor y la otra con el cubo del rotor,

d) previendo, además, para minimizar la carga estructural y/o amortiguar de oscilaciones un mando o regulación para el ajuste de las hojas (20) del rotor, utilizando como magnitud de entrada la señal de al menos un sensor, que se halle sobre, en o dentro de la instalación eólica de energía , es decir la señal de al menos un sensor de posición, respectivamente de ángulos acoplado con el árbol principal y la señal de al menos un sensor para la velocidad del viento dispuesto en la parte superior de la torre (16) de la instalación (17) eólica de energía,

e) previendo finalmente una concatenación de la instalación (17) eólica de energía con instalaciones eólicas de energía próximas, de manera, que la instalación (17) eólica de energía sea informada por medio de sensores, que no se hallan directamente en la instalación (17) eólica de energía, sino en instalaciones eólicas de energía próximas, ya antes de la incidencia de una racha de viento, de este fenómeno, alejando de la torre (16) de la instalación (17) eólica de energía total o parcialmente, por medio de un ajuste apropiado de los ángulos de ataque de las hojas (20) del rotor un aumento repentino, ligado normalmente con la incidencia de una racha de viento, de la fuerza del viento de la torre (16) de la instalación (17) eólica de energía.

Procedimiento para el dimensionado de una instalación eólica de energía

El invento se refiere a un procedimiento según la reivindicación 1 para el dimensionado de una instalación eólica de energía cuya potencia eléctrica nominal PW.nom sea igual o mayor que 1,5 MW y/o cuyo diámetro del rotor sea igual o mayor que 7 m y/o que posea al menos un cojinete de la hoja del rotor con un diámetro Dpw de rotación 1.5 mm o superior, pudiendo ser ajustadas también las hojas del rotor para minimizar la carga estructural estática y/o dinámica y/o la amortiguación de oscilaciones, generando por ejemplo fuerzas antagonistas para la compensación de fuerzas y pares perjudiciales, aun cuando no lo exija una velocidad v8 constante del viento.

Las instalaciones eólicas de energía se componen usualmente de una torre alta en cuya punta se halla una góndola, que puede girar alrededor de un eje vertical. En ella se halla un generador, cuyo rotor está acoplado con un cubo de rotor, que se halla en el extremo delantero de la góndola y posee varias hojas de rotor, que sobresalen aproximadamente en el sentido radial, que recogen el viento y que debido a su ángulo de ataque animan el rotor con un movimiento de rotación.

A pesar de que esta técnica dio entretanto buenos resultados en miles de casos, existen a pesar de ello determinados inconveniente, que el preciso tener en cuenta en el proyecto. Un grave inconveniente es que la torre, por ejemplo con altura de 8 m, no puede ser construida por naturaleza de una manera totalmente rígida, sino que representa una estructura capaz de oscilar con una frecuencia de resonancia propia. Estas oscilaciones pueden ser generadas por todos los factores posibles, por ejemplo por rachas de viento aire o durante un huracán, etc. Para ¡que la torre pueda soportar estas oscilaciones sin destrucción se construye usualmente de una manera muy maciza, lo que causa considerables costes adicionales. A pesar de ello, la góndola de una instalación eólica de energía oscila con frecuencia un metro e incluso más de un lado para otro, lo que en modo alguno es ventajoso para la estructura de la torre, que es usualmente de acero y/o de hormigón, pero también para la estructura de la caseta de la torre (góndola) y el cubo del rotor.

El documento WO 1/77524 A1 intenta soslayar en lo posible estas oscilaciones evitando en lo posible un número de revoluciones correspondiente a la frecuencia propia de la torre. Sin embargo, esto no tuvo éxito, ya que la frecuencia propia de una construcción de torre también es excitada por otras frecuencias, dado que el sobreincremento de la frecuencia no equivale a una punta estrecha, sino que es relativamente ancha, es decir, que cubre una banda de frecuencias no desdeñable.

Además, es preciso tener en cuenta, que el aire, que ataca el rotor de una instalación eólica de energía depende de altura debido a la fricción contra el suelo y ello de tal modo, que en la zona inferior próxima al suelo de la instalación reina una velocidad menor, mientras que en la zona superior reina una velocidad mayor. Por esta razón ataca, incluso con una corriente laminar con velocidad no variable en el tiempo, en una hoja de rotor, dirigida verticalmente hacia arriba una fuerza mayor que en la dirigida verticalmente hacia abajo.

Esto conduce en una instalación eólica de energía con una hoja a una fuerza transversal oscilante sobre la torre y con ello a una oscilación de flexión, que se compone de una componente estática así como de una componente periódica, cuya duración del periodo equivale al valor inverso del numero de revoluciones del rotor. En las instalaciones eólicas de energía con más de una hoja decrece la componente periódica con relación a la desviación estática y se anula siempre que con una cantidad suficiente de hojas las hojas cubran totalmente la zona de rotación barrida por ellas. Para las instalaciones eólicas de energía co n tres hojas se puede demostrar, sin embargo, que el momento de flexión sobre la torre resultante de una corriente laminar no variable en el tiempo depende de acuerdo con la ecuación siguiente del ángulo de rotación del rotor y con ello del número de revoluciones del rotor:

M = A - B eos (29) - C sen (b9)

respectivamente M = A - B eos [(2TT/6)2nt] - C sen [2TT/6)bnt} en la que

M = Momento de flexión A, B, C = Factores constantes b = Cantidad de hojas de rotor 9 = Ángulo de rotación del rotor

n = Número de revoluciones del rotor t = Tiempo

El momento de flexión contiene en este caso, además de la desviación estática dos componentes periódicas, que con una frecuencia doble del rotor, respectivamente una frecuencia del rotor multiplicada con la cantidad de hojas

del rotor anima la torre de la Instalación eólica de energía con oscilaciones de flexión. Debido estas dos componentes periódicas con una frecuencia distinta en un factor de por ejemplo 1,5 apenas es posible barrer con rapidez el margen de resonancia de la construcción de la torre, de manera, que la propuesta según el documento WO 1/77524 A1 no es practicable.

Por otro lado, el movimiento de flexión debido a los elementos rotativos genera fuerzas glroscóplcas, que se manifiestan en forma de un par alrededor del eje de la torre. Además, para el par de giro del rotor también es preciso prever una componente periódica, que a través del apoyo del generador y/o del engranaje conduce a una excitación de flexión adicional de la torre. Debido a la dependencia de la altura de la velocidad del viento es, por ello, preciso prever pares de giro dependientes del número de revoluciones en las tres direcciones de las coordenadas así como fuerzas transversales horizontales.

Por otro lado, con el ajuste en función del ángulo de rotación de la posición de las hojas del rotor es posible reducir la Influencia del gradiente del viento en la fuerza del viento así como las oscilaciones provocadas por él y con ello los esfuerzos, que actúan sobre los componentes, que se hallan en el flujo de fuerzas, en especial de la torre.

Por ello, algunos inventores ya propusieron reducir los esfuerzos, que actúan sobre la torre de una instalación eólica de energía, debido en especial a estas oscilaciones contrarrestándolos de una manera activa. El documento EP 1 71 34 A2 por ejemplo describe un procedimiento para generar en función de las oscilaciones pendulares de la torre de una instalación eólica de energía por medio de una orientación distinta, en especial en contrafase de las hojas del rotor una fuerza con la fase correcta para el frenado de las oscilaciones. El contenido de la divulgación del documento DE 11 13 38 A1 es análogo.

El documento DE 197 39 164 A1 Intenta compensar los momentos de guiñada y de cabeceo.

El documento WO 1/3375 A1 así como el documento WO 27/1436 A1 describen medidas para compensar en lo posible los esfuerzos asimétricos, que actúan sobre el rotor y con ello sobre la totalidad de la estructura de apoyo, provocados por cargas (vientos) distintos ajustando las hojas del rotor de una manera definida.

Sin embargo por los anteriores inventores no fue tenido en cuenta hasta ahora, que una instalación eólica de energía es, contemplando sólo su comportamiento mecánico, un sistema muy complejo. Por ejemplo, las oscilaciones de la estructura de apoyo son tanto más críticas, cuanto mayor es la masa en el extremo superior de la torre, ya que con ella se reduce la frecuencia de resonancia de las oscilaciones mecánicas de la torre y, por naturaleza, las oscilaciones de baja frecuencia poseen mayor energía que las de alta frecuencia. Por ello es preciso, que la masa en la zona de la góndola y del rotor se mantenga lo más pequeña posible. Esto es válido para todos los componentes allí instalados, en especial también para el rotor y todos sus componentes, por ejemplo también para todos los cojinetes, es decir el cojinete principal del rotor así como los cojinetes de las hojas del rotor. Por ello no se pueden sobredimensionar arbitrariamente estos componentes sin tener que aceptar graves inconvenientes en la estática. Este problema es tanto mayor, cuanto mayor es la instalación eólica de energía, es decir, cuando la potencia Pw.nom eléctrica nominal de la instalación es igual o mayor que 1,5 MW y/o cuando el diámetro del rotor es igual o mayor que 7 m y/o cuando en al menos un cojinete de la hoja del rotor el diámetro Dpw de la circunferencia de rotación, es decir el diámetro de todas la línea de circunferencia, que pasa por los centros de todos los cuerpos rodantes de un hilera, es igual o mayor que 1.5 mm.

Además, una acción "activa" de contrarresto de esta clase de los ángulos de ataque de las hojas del rotor puede reducir las oscilaciones de la torre; por... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para el dimensionado de una instalación (17) eólica de energía cuya potencia eléctrica nominal Pw.nom sea igual o mayor que 1,5 MW y/o cuyo diámetro del rotor sea igual o mayor que 7 m y/o que posea al menos un cojinete (1) de la hoja del rotor con un diámetro Dpw de rotación de 1.5 mm o superior con varias hojas (2) de rotor, que pueden ser ajustadas independientemente entre sí y para la minimización de la carga estructural estática y/o dinámica y/o para la amortiguación de oscilaciones y/o para la compensación de fuerzas y momentos perturbadores, por ejemplo generando fuerzas antagonistas, y que también pueden ser ajustadas, aun cuando una velocidad v. constante del viento no lo exija, utilizando para el apoyo de las hojas (2) del rotor acoplamientos (1) rotativos con rodamientos con dos elemento (2, 3) con forma de anillo concéntricos entre sí, y giratorios uno con relación al otro para el acoplamiento con el cubo (18) del rotor, por un lado, así como para el acoplamiento con una hoja (2) del rotor, por otro, previendo entre los dos elementos (2, 3) de acoplamiento un intersticio (4) corrido con forma de espiral, que se hermetlza (14, 15) en los dos lados (5, 6; 7,8) frontales del acoplamiento (1) rotativo y se llena con un lubricante, en especial grasa, con una superficie FQ de la sección transversal del anillo de apoyo liberado de cavidades de un cojinete (1) de hoja de rotor y con un radio Rf.sp del centro de gravedad de la superficie del cojinete (1) de la hoja de rotor así como con un volumen V = Fq*2*tt*Rf,sp de construcción calculado a partir de la superficie FQ de la sección transversal del cojinete liberada de cavidades multiplicada con el contorno 2*tt*Rf,sp en el centro de gravedad de la superficie y con un capacidad Ca,tot de carga axial dinámica determinada según DIN ISO 281 de todas las hileras (p), que participan en la transmisión de fuerzas en una dirección axial de un rodamiento (1) utilizado, caracterizado porque

a) en el marco de los rodamientos (1) para las hileras de cuerpos (9, 1) rodantes, que participan en la

transmisión de fuerzas en la dirección axial, se prevén pistas de rodadura con superficie templada sin protuberancias y sin cavidades, equivaliendo el grueso dH de la capa de la pista de rodadura templada superficialmente al menos a 1/2 del diámetro Dw del cuerpo rodante: dH s ,5*Dw satisfaciendo

b) la totalidad de la capacidad Ca,tot de carga axial, dinámico determinada según DIN ISO 281 de todas las hileras (p), que participan en la transmisión de fuerza en una dirección axial de un rodamiento (1) utilizado según DIN ISO 281 la siguiente relación:

Cages > ,89268 * [-1 7.89*Fq*Rfs/'3 * + 149,63*FQ5*RF,sp-1/3

en el caso de que FQ < 71,6844 cm2; así como

ca,ge8 > 5.26956 * [-1 7,89*Fq*RF Sp"4/3 + 149.,63*FQp-5*RFSP`1'3

29,4*RFiSP2'3] * Fq17/3( 29,4*Rf sp2/3] * Fq11'3,

en el caso de que Fq > 71,6844 cm2,

c) siendo, además, desplazados uno con relación al otro entre sí los lados (5 - 8) frontales orientados en la misma dirección axial de los dos elementos (2, 3) de, acoplamiento, estando unida una superficie (5, 8) sobresaliente por medio de tornillos con la hoja del rotor y la otra con el cubo del rotor,

d) previendo, además, para minimizar la carga estructural y/o amortiguar de oscilaciones un mando o regulación para el ajuste de las hojas (2) del rotor, utilizando como magnitud de entrada la señal de al menos un sensor, que se halle sobre, en o dentro de la instalación eólica de energía , es decir la señal de al menos un sensor de posición, respectivamente de ángulos acoplado con el árbol principal y la señal de al menos un sensor para la velocidad del viento dispuesto en la parte superior de la torre (16) de la instalación (17) eólica de energía,

e) previendo finalmente una concatenación de la instalación (17) eólica de energía con instalaciones eólicas de energía próximas, de manera, que la instalación (17) eólica de energía sea informada por medio de sensores, que no se hallan directamente en la instalación (17) eólica de energía, sino en instalaciones eólicas de energía próximas, ya antes de la incidencia de una racha de viento, de este fenómeno, alejando de la torre (16) de la instalación (17) eólica de energía total o parcialmente, por medio de un ajuste apropiado de los ángulos de ataque de las hojas (2) del rotor un aumento repentino, ligado normalmente con la incidencia de una racha de viento, de la fuerza del viento de la torre (16) de la instalación (17) eólica de energía.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el ajuste de las hoja (2) de rotor para minimizar la carga estructural y/o amortiguar las oscilaciones tiene lugar en el marco de un mando y/o de una regulación, con preferencia en el marco de un mando y/o de una regulación de orden superior así como con preferencia en el marco de varios mandos y/o regulaciones subordinadas para las diferentes hojas (2) del rotor.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en un mando o en una regulación se generan

durante el funcionamiento al menos oscilaciones con las siguientes componentes espectrales:

Mi = cos[(2TT/6)2nt]

y/o

M2 = sen[(2TT/6)3nt]

siendo

n = número de revoluciones del rotor t = tiempo.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los dos elementos (2, 3) de acoplamiento de los acoplamientos (1) rotativos utilizados para apoyo giratorio de las hojas (2) en el cubo (18) del rotor son de un acero, que fue bonificado y revenido asi como eventualmente se trató después térmicamente.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las pistas de rodadura templadas superficialmente se templaron por inducción o se templaron a la llama, equivaliendo co n preferencia el grueso dH de la capa templada superficialmente de la pista de rodadura al menos a 1/16 del diámetro Dw del correspondiente cuerpo rodante:

dH > ,6*DW-

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para el apoyo giratorio de las hojas (2) del rotor en el cubo (18) del rotor se utilizan rodamientos (1) con al menos una hilera de cuerpos (9-11) rodantes, formando los cuerpos (9 - 11) rodantes de al menos una hilera con sus pistas de rodadura zona de contacto lineales; con preferencia se utilizan rodamientos (1) con dos o más hileras de cuerpos (9-11) rodantes, formando los cuerpos (9 - 11) rodantes de al menos dos hileras con sus pistas de rodadura zonas de contacto lineales.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para el apoyo giratorio de las hojas (2) del rotor en el cubo (18) del rotor se utilizan acoplamientos (1) rotativos, cuya fuerza Fa de carga axial es mayor que su fuerza Fr de carga radial:

Fa > Fr,

especialmente en un factor de al menos 1,25:

Fa/Fr> 1,25.