Dispositivo de restricción de balanceo para turbinas eólicas.

Un sistema (20) de turbina eólica que comprende:

un eje (38);

un rotor (28) para accionar el eje, en el que el rotor comprende un primer álabe (32) acoplado al eje mediante un cubo (30), en el que el primer álabe tiene un grado de libertad para pivotar con relación al eje, y en el que un primer ángulo (ß) de balanceo está definido entre una posición instantánea del primer álabe y un plano (46) de rotación promediado en el tiempo del primer álabe; y

un primer conjunto (50) fluídico de control de balanceo acoplado entre el rotor y el eje configurado para proporcionar una primera fuerza de restricción de balanceo dinámica como una función del primer ángulo de balanceo y una resistencia fluídica, en el que la primera fuerza de restricción dinámica es relativamente baja cuando el primer ángulo de balanceo está dentro de un primer intervalo de balanceo de funcionamiento, y en el que la primera fuerza de restricción dinámica varía de manera que la primera fuerza de restricción dinámica es mayor cuando el primer ángulo de balanceo está fuera del primer intervalo de balanceo de funcionamiento, en el que el primer conjunto fluídico de control de balanceo comprende:

un tubo (62) de pistón que define una superficie interior, en el que el tubo (62) de pistón está conectado al eje por una conexión (54, 66) de pasador;

un pistón (56) móvil en el interior del tubo de pistón a lo largo de un eje de pistón, en el que el pistón (56) está conectado al rotor (28) por una conexión de pasador; y

un fluido de trabajo, en el que el fluido de trabajo es desplazado como una función del movimiento del pistón; y caracterizado por que el sistema de turbina eólica comprende además:

un sensor (94) configurado para detectar una posición azimutal del primer álabe;

un circuito (90) de fluido externo conectado a un primer volumen del tubo de pistón definido en un primer lado del pistón y un segundo volumen del tubo de pistón definido en un lado opuesto del pistón en los extremos axiales del tubo (62) de pistón; y

una válvula (92) de resistencia variable posicionada en el interior del circuito (90) de fluido externo configurada para ajustar la resistencia al desplazamiento del fluido de trabajo como una función de la posición azimutal detectada del primer álabe.

Dispositivo de restricción de balanceo para turbinas eólicas La presente invención se refiere a las turbinas eólicas y, más particularmente, a sistemas de control de balanceo para turbinas eólicas.

Las turbinas eólicas para convertir energía eólica en energía eléctrica comprenden típicamente un rotor con uno o más álabes y un cubo. El rotor está fijado a, y soportado por, un eje principal que recibe la energía de rotación desde el rotor y transmite esta energía a un generador. El tipo más popular de turbinas eólicas a gran escala (por ejemplo, de múltiples megavatios) orienta el eje principal en una dirección horizontal, haciendo de esta manera que el plano de rotación del rotor se encuentre en una dirección esencialmente vertical.

La mayoría de las turbinas eólicas de eje horizontal contemporáneas usan un rotor de tres álabes y sujetan, de manera fija, el rotor al eje principal. Por consiguiente, las cargas de flexión sobre los álabes (es decir, las cargas en una dirección sustancialmente perpendicular a un plano de rotación del rotor) son transmitidas al eje principal. Estas cargas de flexión son originadas por una distribución de viento desigual a lo largo del área de barrido del rotor, y son debidas a las fuerzas giroscópicas asociadas con la masa del rotor cuando el rotor y una góndola realizan un movimiento de guiñada alejándose de la dirección del viento. De esta manera, la estructura de eje y soporte es construida según el peso y la resistencia requerida para soportar estas cargas.

Desde principios de la década de 1930, algunas turbinas eólicas a gran escala han empleado rotores con uno o dos álabes, con la distinción de que el rotor está fijado al eje a través de un pasador, denominado pasador de balanceo, que permite que el rotor se mueva perpendicular a un plano de rotación promediado en el tiempo del rotor, eliminando de esta manera la transmisión de cargas de flexión al eje principal (cuando el movimiento de balanceo no tiene restricciones) .

Un ángulo entre los álabes del rotor en un momento determinado y el plano de rotación promediado en el tiempo (esencialmente un plano vertical) se denomina el ángulo (ß) de balanceo. Durante el funcionamiento normal, la variación del ángulo de balanceo es deseable: el ángulo ß de balanceo varía dentro de un cierto intervalo que puede ser denotado como un intervalo de funcionamiento estándar, y, dentro de ese intervalo, cambia en respuesta a la cizalladura del viento (que produce una velocidad desigual del viento sobre el área de barrido del rotor) y la turbulencia, y en respuesta a las fuerzas giroscópicas producidas cuando el rotor realiza un movimiento de guiñada para acercarse o alejarse de una dirección actual del viento. Debido a un desfase entre la carga y el desplazamiento, los valores máximos de ángulo de balanceo para un rotor de dos álabes ocurren típicamente cuando una posición azimutal del rotor es esencialmente horizontal (es decir, paralela al suelo) . En y alrededor de esta posición azimutal horizontal del rotor, no hay posibilidad de colisión entre un álabe y la torre (es decir, una colisión álabe-torre) . Un álabe pasa cerca de la torre sólo cuando el rotor está en una posición azimutal vertical. Por consiguiente, el intervalo aceptable de las fluctuaciones del ángulo de balanceo depende de la posición azimutal del rotor.

El movimiento de balanceo del rotor reduce las fuerzas de flexión sobre el rotor que, de otra manera, estarían presentes y causarían fatiga en los álabes, el cubo y el eje principal. Hay dos límites impuestos sobre el ángulo de balanceo. El primer límite es impuesto por las estructuras mecánicas en la unión del rotor al eje principal. El otro límite, más restrictivo, es debido a las colisiones álabe-torre. Es decir, si el ángulo ß de balanceo aumenta más allá de un cierto valor conforme un álabe está pasando cerca de la torre de soporte de la turbina eólica, hay riesgo de una colisión álabe-torre catastrófica. Para evitar este tipo de evento, la mayoría de las turbinas con rotores con movimiento de balanceo incluyen un mecanismo de restricción de balanceo que previene las fluctuaciones no deseadas del ángulo de balanceo.

En la técnica anterior se encuentran dos tipos de mecanismos de restricción de balanceo. Uno, denominado de tipo de contacto, consiste en algún material flexible, tal como un elastómero o un muelle de metal, que se comprime una vez que el ángulo de balanceo del rotor excede una cantidad predeterminada y se produce un contacto entre el rotor y el mecanismo de restricción de balanceo. La fuerza de recuperación impartida por este tipo de mecanismo de restricción de contacto sobre el rotor es bastante grande, y de naturaleza "impulsiva". Estas cargas de restricción son indeseables ya que provocan fatiga y daños catastróficos, de manera que se requieren una mayor resistencia y peso en el rotor y la estructura de góndola. Además, este tipo de mecanismo de restricción es independiente de la posición azimutal del rotor, por lo tanto, proporciona una fuerza de restricción innecesaria y perjudicial independientemente de la posición azimutal del rotor y, por lo tanto, genera fuerzas de restricción incluso en ausencia de riesgo de colisiones álabe-torre.

El otro tipo de mecanismo de restricción de balanceo conocido usa un cilindro hidráulico, regulado por un sistema de control, para proporcionar una fuerza no-impulsiva que restringe el movimiento de balanceo. Con este tipo de mecanismo, el movimiento de balanceo mueve el pistón en el interior del cilindro, desplazando de esta manera el 2 10

fluido hidráulico al interior de un circuito externo al cilindro. El circuito conecta al menos dos cilindros, de manera que el fluido expulsado por un cilindro es aceptado en el otro. La restricción del movimiento de balanceo es generada haciendo que el fluido hidráulico pase a través de una constricción, u orificio, que se encuentra en este circuito. Debido a que la pérdida de presión a través del orificio aumenta con la velocidad de flujo, este mecanismo proporciona una fuerza de restricción de balanceo que es proporcional a, y solamente a, la velocidad angular de balanceo, en lugar de al propio ángulo de balanceo. Este comportamiento no es deseable, ya que muy frecuentemente, la velocidad angular máxima se produce cuando el rotor cruza un ángulo ß de balanceo de cero grados. Por lo tanto, este segundo tipo de mecanismo de restricción de balanceo aplica una gran fuerza de restricción, frecuentemente máxima, sobre el rotor cuando el rotor está en un ángulo ß de balanceo igual a cero, muy en el interior del intervalo de funcionamiento estándar, y precisamente cuando la posibilidad de colisiones con la torre es mínima. Esta fuerza de restricción es cíclica (produciéndose en cada revolución del rotor) y produce una carga innecesaria y perjudicial (por ejemplo, inductora de fatiga) sobre el rotor y el eje principal. Además, también se producen velocidades angulares de balanceo grandes y beneficiosas durante las maniobras de guiñada de la góndola, en las que una variación sin restricciones del ángulo de balanceo previene que grandes fuerzas giroscópicas lleguen al eje principal. El segundo tipo de dispositivo de mecanismo resiste y se opone a estos movimientos de balanceo rápidos y beneficiosos. En resumen, el segundo tipo de mecanismo impone una fuerza de restricción sobre el rotor en condiciones en las que se desea un movimiento de balanceo libre, incluyendo ángulos de balanceo dentro del intervalo de funcionamiento estándar, y fluctuaciones del ángulo de balanceo durante las maniobras de guiñada, reduciendo de esta manera, si no eliminando, los beneficios fundamentales del diseño de rotor con balanceo.

Además, los mecanismos de restricción de balanceo conocidos carecen de medios para prevenir cualquier movimiento de balanceo en momentos deseados. Por ejemplo, los mecanismos de restricción de balanceo de la técnica anterior no permiten que el movimiento de balanceo sea bloqueado durante el arranque y durante el estado aparcado cuando el rotor no está girando.

En el documento US 5584655, se describe una turbina eólica en la que su movimiento de balanceo es controlado como una función de la velocidad angular de balanceo.

Sumario En un aspecto, la invención proporciona un sistema de turbina eólica que comprende:

un eje; un rotor para accionar el eje, en el que el rotor comprende un primer álabe acoplado al eje mediante un cubo, en el que el primer álabe tiene un grado de libertad para pivotar con relación al eje, y en el que se define un primer ángulo de balanceo entre una posición instantánea del primer álabe y un plano de rotación promediado en el tiempo del primer... [Seguir leyendo]

1. Un sistema (20) de turbina eólica que comprende:

un eje (38) ;

un rotor (28) para accionar el eje, en el que el rotor comprende un primer álabe (32) acoplado al eje mediante un cubo (30) , en el que el primer álabe tiene un grado de libertad para pivotar con relación al eje, y en el que un primer ángulo (ß) de balanceo está definido entre una posición instantánea del primer álabe y un plano (46) de rotación promediado en el tiempo del primer álabe; y un primer conjunto (50) fluídico de control de balanceo acoplado entre el rotor y el eje configurado para proporcionar una primera fuerza de restricción de balanceo dinámica como una función del primer ángulo de balanceo y una resistencia fluídica, en el que la primera fuerza de restricción dinámica es relativamente baja cuando el primer ángulo de balanceo está dentro de un primer intervalo de balanceo de funcionamiento, y en el que la primera fuerza de restricción dinámica varía de manera que la primera fuerza de restricción dinámica es mayor cuando el primer ángulo de balanceo está fuera del primer intervalo de balanceo de funcionamiento, en el que el primer conjunto fluídico de control de balanceo comprende:

un tubo (62) de pistón que define una superficie interior, en el que el tubo (62) de pistón está conectado al eje por una conexión (54, 66) de pasador;

un pistón (56) móvil en el interior del tubo de pistón a lo largo de un eje de pistón, en el que el pistón (56) está conectado al rotor (28) por una conexión de pasador; y un fluido de trabajo, en el que el fluido de trabajo es desplazado como una función del movimiento del pistón;

y caracterizado por que el sistema de turbina eólica comprende además:

un sensor (94) configurado para detectar una posición azimutal del primer álabe;

un circuito (90) de fluido externo conectado a un primer volumen del tubo de pistón definido en un primer lado del pistón y un segundo volumen del tubo de pistón definido en un lado opuesto del pistón en los extremos axiales del tubo (62) de pistón; y una válvula (92) de resistencia variable posicionada en el interior del circuito (90) de fluido externo configurada para ajustar la resistencia al desplazamiento del fluido de trabajo como una función de la posición azimutal detectada del primer álabe

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que el primer conjunto fluídico de control de balanceo comprende además ranuras (68) definidas en la superficie interior del tubo de pistón en una dirección generalmente axial con respecto al eje de pistón para permitir que el fluido de trabajo pase entre el primer volumen y el segundo volumen.

3. Sistema según la reivindicación 2, en el que cada ranura tiene una profundidad radial, y diferentes ranuras tienen diferentes longitudes axiales.

4. Sistema según la reivindicación 2 o 3, en el que la profundidad radial de cada ranura varía progresivamente a lo largo del eje del pistón, en el que cada ranura tiene una profundidad radial máxima relativa en un punto medio axial del tubo de pistón, y profundidades radiales más pequeñas en ubicaciones axiales separadas del punto medio axial del tubo de pistón.

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer conjunto (50) fluídico de control de balanceo está acoplado al eje (38) .

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores y que comprende además:

un controlador (76) de condición térmica del fluido de trabajo configurado para regular la energía térmica del fluido de trabajo.

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la válvula de resistencia variable aumenta la resistencia al desplazamiento del fluido de trabajo cuando la posición azimutal del primer álabe es tal que el primer álabe está en estrecha proximidad a una torre (22) de soporte que soporta el eje.

8. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el primer intervalo de balanceo de funcionamiento es más o menos de aproximadamente tres grados con respecto al plano (46) de rotación promediado en el tiempo del primer álabe.

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el rotor (28) comprende además un segundo álabe (34) acoplado al eje mediante el cubo (30) , en el que el segundo álabe tiene un grado de libertad para pivotar con relación al eje, y en el que un segundo ángulo de balanceo está definido entre una posición instantánea del segundo álabe y un plano (46) de rotación promediado en el tiempo del segundo álabe, en el que el sistema comprende además:

un segundo conjunto (52) fluídico de control de balanceo acoplado entre el rotor y el eje para proporcionar una segunda fuerza de restricción de balanceo dinámica como una función del segundo ángulo de balanceo, en el que la segunda fuerza de restricción dinámica es relativamente baja cuando el segundo ángulo de balanceo está dentro del primer intervalo de balanceo de funcionamiento, en el que la segunda fuerza de restricción dinámica es mayor cuando el segundo ángulo de balanceo está fuera del primer intervalo de balanceo de funcionamiento, y en el que las fuerzas de restricción dinámica primera y segunda son independientes una de la otra.