Sistema de control para una turbina eólica y procedimiento de funcionamiento de una turbina eólica basado en monitorizar un cojinete.

Un procedimiento de funcionamiento de una turbina eólica (10) que tiene un conjunto de cojinete (28),

un árbol (26) recibido en el conjunto de cojinete, y al menos un subsistema capaz de alterar un estado dinámico de la turbina eólica, que comprende:

permitir que la turbina eólica sea accionada por el viento de tal modo que el árbol gire en el conjunto de cojinete y al menos una porción del conjunto de cojinete soporte el árbol sobre una película de fluido (69);

monitorizar al menos un parámetro de la película de fluido indicativo de una carga en el árbol;

comparar el al menos un parámetro con un criterio umbral; y

realizar al menos una de las siguientes etapas cuando el al menos un parámetro satisface el criterio umbral: i) alterar el estado dinámico de la turbina eólica para reducir la carga en el árbol; y ii) alterar el estado del conjunto de cojinete de modo que acepte mejor la carga en el árbol.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DK2011/050349.

Solicitante: VESTAS WIND SYSTEMS A/S.

Nacionalidad solicitante: Dinamarca.

Dirección: Hedeager 44 8200 Aarhus N DINAMARCA.

Inventor/es: WADEHN,JÖRG.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F03D11/00 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR.F03D MOTORES DE VIENTO.Detalles, partes constitutivas o accesorios no cubiertos por, o con un interés distinto que, los otros grupos de esta subclase.
  • F03D7/04 F03D […] › F03D 7/00 Control de los motores de viento (alimentación o distribución de energía eléctrica H02J, p.ej. disposiciones para ajustar, eliminar o compensar la potencia reactiva en las redes H02J 3/18; control de generadores eléctricos H02P, p.ej. disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida H02P 9/00). › Control automático; Regulación.
  • F16C32/06 F […] › F16 ELEMENTOS O CONJUNTOS DE TECNOLOGIA; MEDIDAS GENERALES PARA ASEGURAR EL BUEN FUNCIONAMIENTO DE LAS MAQUINAS O INSTALACIONES; AISLAMIENTO TERMICO EN GENERAL.F16C ARBOLES; ARBOLES FLEXIBLES; MEDIOS MECANICOS PARA TRANSMITIR MOVIMIENTO EN UNA FUNDA FLEXIBLE; ELEMENTOS DE LOS MECANISMOS DEL CIGÜEÑAL; PIVOTES; UNIONES PIVOTANTES; PIEZAS ROTATIVAS DE INGENIERIA DISTINTAS A LAS PIEZAS DE TRANSMISION MECANICA, ACOPLAMIENTOS, EMBRAGUES O FRENOS; COJINETES.F16C 32/00 Cojinetes no previstos en otro lugar. › con órganos móviles soportados por un cojín de fluido que se forma, al menos en gran parte, de una manera distinta que por la rotación del árbol, p. ej. cojinetes hidrostáticos de colchón de aire.

PDF original: ES-2530956_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Sistema de control para una turbina eólica y procedimiento de funcionamiento de una turbina eólica basado en monitorizar un cojinete

Campo técnico

Esta solicitud se refiere generalmente a turbinas eólicas, y más concretamente, a un sistema de control para una turbina eólica que monltoriza un conjunto de cojinete y un procedimiento de funcionamiento de la turbina eólica basado en la monltorlzaclón del conjunto de cojinete.

Antecedentes de la invención

Las turbinas eólicas se utilizan para producir energía eléctrica utilizando una fuente renovable y sin combustión de un combustible fósil. Generalmente, una turbina eólica convierte energía cinética del viento en energía mecánica y a continuación convierte subsiguientemente la energía mecánica en potencia eléctrica. Una turbina eólica de eje horizontal incluye una torre, una góndola situada en el vértice de la torre, y un rotor que está soportado en la góndola. El rotor se acopla bien directa o indirectamente con un generador, que se aloja dentro de la góndola.

Una turbina eólica moderna típica tiene muchas piezas móviles que facilitan la conversión de energía cinética del viento en energía eléctrica. Como tal, una turbina eólica incluye típicamente muchos cojinetes que proporcionan movimiento relativo entre piezas contiguas en un modo de baja fricción relativamente eficiente. Por ejemplo, en la mayoría de las turbinas, un "árbol principal" se extiende desde el rotor y al interior de la góndola y está soportado por uno o más "cojinetes principales". Adicionalmente, la caja de engranajes en la góndola que multiplica la velocidad angular del árbol principal incluye diversos cojinetes. Además, el sistema de control de guiñada que gira la góndola con relación a la torre para girar el rotor a favor/en contra del viento, y el sistema de control de orientación que gira las palas alrededor de su eje longitudinal incluyen asimismo diversos cojinetes que permiten un funcionamiento mejorado de la turbina eólica.

Convencionalmente, estos cojinetes se configuran como cojinetes con elementos de rodadura caracterizados por tener un elemento estructural (por ejemplo, un cojinete de bolas) dispuesto entre los dos componentes que se mueven relativamente entre sí. Los cojinetes con elementos de rodadura fallan por cualquier número de razones, aunque finalmente su vida está limitada por el desgaste y fatiga de superficie. Tales componentes de vida limitada requieren un mantenimiento regular con el fin de evitar modos de fallo a gran escala. Las piezas de recambio y mantenimiento de tales componentes de vida limitada aumentan los costes globales de funcionamiento de una turbina eólica. Por consiguiente, los fabricantes de turbinas eólicas y cojinetes se esfuerzan por diseños mejorado o alternativo que prolongue la vida en funcionamiento de los cojinetes.

Generalmente se conoce en la técnica que los cojinetes planos tienen una vida en funcionamiento larga. La principal razón de esto es que, a diferencia de los cojinetes con elementos de rodadura, los cojinetes planos no tienen ningún elemento estructural dispuesto entre los dos componentes en movimiento relativo, sino que en su lugar tienen tan solo una película de fluido dispuesta entre ambos. Así pues, los problemas de desgaste y fatiga asociados con elementos de rodadura, así como los costes asociados con sus recambios y mantenimiento, se pueden evitar. Consecuentemente, los cojinetes planos parecen proporcionar una alternativa atractiva a los cojinetes con elementos de rodadura. Adicionalmente, los cojinetes planos se diseñan para eliminar el contacto de superficie a superficie y por tanto funcionan con todavía menos fricción, lo que puede aumentar todavía más la eficiencia.

Existen dos tipos principales de cojinetes planos para soportar árboles: cojinetes hidrostáticos y cojinetes hidrodinámicos, cada uno de los cuales tiene típicamente un alojamiento rígido con una abertura de la superficie interna (el cojinete) que ajusta apretadamente alrededor del árbol (el extremo del eje) y una película de fluido entre el extremo del eje y el cojinete. En un cojinete hidrodinámico, el giro del extremo del eje auto-presuriza la película de fluido en una cuña entre superficies enfrentadas del extremo del eje y del cojinete, de modo que soporte la carga y mantenga el extremo del eje separado del cojinete. Los cojinetes hidrostáticos, por otro lado, incluyen una bomba externa que presuriza la película de fluido alrededor del extremo del eje (independientemente de la dinámica del árbol) para soportar la carga y mantener el extremo del eje separado del cojinete. Estos cojinetes, aunque tienen ciertos atributos deseables, tienen igualmente ciertos inconvenientes que han hecho que su implementación en la industria de las turbinas eólicas sea bastante limitada.

A este respecto, y en referencia a cojinetes hidrodinámicos, a menos que el extremo del eje gire con una velocidad suficiente, la película de fluido puede no ser capaz de soportar completamente la carga y mantener el extremo del eje separado del cojinete. En este caso, el cojinete hidrodinámico no funciona en un estado de película completa, sino que en su lugar funciona en un estado límite, en el que la carga está transportada parcialmente por la película de fluido y transportada parcialmente por contacto superficial directo con el cojinete. Hace funcionar un cojinete hidrodinámico en una condición límite puede provocar desgaste o daños que pueden acortar significativamente la vida en funcionamiento del cojinete.

Los cojinetes hidrostáticos, por otro lado, son capaces de soportar la carga incluso cuando el extremo del eje gira despacio o no gira en absoluto. Sin embargo, para efectuar la presurización externa de la película de fluido, los

cojinetes hidrostáticos incluyen un número de alojamientos o cavidades formados típicamente en la superficie del cojinete que se alimentan con fluido lubricante (por ejemplo, aceite, grasa, etc.) desde un depósito externo y se presurizan mediante una bomba externa. Los cojinetes hidrostáticos, aunque garantizan una presurización suficiente para soportar la carga y proporcionan separación del extremo del eje y el cojinete, tienen una eficiencia de funcionamiento reducida en comparación con, por ejemplo, cojinetes hidrodinámicos. A este respecto, los alojamientos formados en la superficie del cojinete crean una resistencia o afectan de otro modo a la hidrodinámica de la película de un modo negativo. Este efecto se vuelve pronunciado cuando el extremo del eje gira a una velocidad relativamente elevada lo que podría soportar de otro modo la carga tan solo por la hidrodinámica.

Las turbinas eólicas dependen del viento y, consecuentemente, tienen un amplio intervalo de funcionamiento, desde un modo en reposo (sin giro del rotor, árbol principal, engranajes, etc.) a un funcionamiento a velocidades angulares relativamente bajas de los diversos árboles y mecanismos bajo, por ejemplo, condiciones de bajo viento, y para funcionar a velocidades angulares relativamente altas bajo, por ejemplo, condiciones de viento elevado. Debido a la impredecibilidad del viento, los arranques y paradas que tienen lugar con turbinas eólicas, y el intervalo resultante de condiciones de funcionamiento, los fabricantes han confiado tradicionalmente en cojinetes con elementos de rodadura en el diseño de turbinas eólicas.

Aunque los cojinetes con elementos de rodadura son adecuados para su propósito pretendido, los fabricantes continuamente se esfuerzan en mejorar el diseño, costes de funcionamiento, y funcionalidad de las turbinas eólicas. Con este fin, sería deseable utilizar cojinetes planos en lugar de cojinetes con elementos de rodadura en el diseño de las turbinas eólicas para aumentar la vida en funcionamiento de los cojinetes y disminuir los costes asociados con el recambio y mantenimiento de cojinetes con elementos de rodadura.

El documento EP 2 189 672 da a conocer un dispositivo de cojinete para un árbol principal de una turbina eólica que incluye una porción cilindrica y hueca fija que tiene un accesorio para insertar un fluido de alta viscosidad. El árbol principal está soportado por el fluido lubricante cuando gira.

Sumario

Los modos de realización de acuerdo con la invención abordan estas y otras deficiencias en sistemas de control de turbinas eólicas y funcionamiento de turbinas eólicas. A este respecto, un procedimiento de funcionamiento de una turbina eólica que tiene un conjunto de cojinete, un árbol recibido en el conjunto de cojinete, y al menos un subsistema capaz de alterar un estado dinámico de la turbina eólica incluye permitir que la turbina eólica sea accionada por el viento de tal modo que el árbol gire en el conjunto... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un procedimiento de funcionamiento de una turbina eólica (1) que tiene un conjunto de cojinete (28), un árbol (26) recibido en el conjunto de cojinete, y al menos un subsistema capaz de alterar un estado dinámico de la turbina eólica, que comprende:

permitir que la turbina eólica sea accionada por el viento de tal modo que el árbol gire en el conjunto de cojinete y al menos una porción del conjunto de cojinete soporte el árbol sobre una película de fluido (69);

monitorizar al menos un parámetro de la película de fluido indicativo de una carga en el árbol;

comparar el al menos un parámetro con un criterio umbral; y

realizar al menos una de las siguientes etapas cuando el al menos un parámetro satisface el criterio umbral: i) alterar el estado dinámico de la turbina eólica para reducir la carga en el árbol; y ii) alterar el estado del conjunto de cojinete de modo que acepte mejor la carga en el árbol.

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que monitorizar al menos un parámetro de la película de fluido comprende además monitorizar una presión de la película de fluido que soporta el árbol.

3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que monitorizar al menos un parámetro de la película de fluido comprende además monitorizar una temperatura de la película de fluido que soporta el árbol.

4. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que monitorizar al menos un parámetro de la película de fluido comprende además monitorizar un grosor de la película de fluido que soporta el árbol.

5. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que alterar el estado dinámico de la turbina eólica para reducir la carga en el árbol comprende además al menos uno de: i) guiñar la góndola con relación a la torre; ii) orientar las palas de la turbina eólica; y ¡II) aplicar un freno para disminuir la velocidad del rotor.

6. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en el que alterar el estado del conjunto de cojinete de modo que acepte mejor la carga en el árbol comprende además aumentar la presión en la película de fluido que soporta el árbol.

7. Un procedimiento de funcionamiento de una turbina eólica (1) que tiene un conjunto de cojinete (28) convertible entre un modo de funcionamiento hidrostático y un modo de funcionamiento hidrodinámico, un árbol (26) recibido en el conjunto de cojinete, y al menos un subsistema capaz de alterar un estado dinámico de la turbina eólica, que comprende:

monitorizar al menos un parámetro indicativo de una carga en el árbol; comparar el al menos un parámetro con un criterio umbral;

determinar si el conjunto de cojinete está en un modo de funcionamiento hidrostático o un modo de funcionamiento hidrodinámico; y

realizar al menos una de las siguientes etapas cuando el al menos un parámetro satisface el criterio umbral: i) alterar el estado dinámico de la turbina eólica para reducir la carga en el árbol cuando el conjunto de cojinete está en el modo de funcionamiento hidrodinámico; y ii) alterar el estado del conjunto de cojinete de modo que acepte mejor la carga en el árbol cuando el conjunto de cojinete está en el modo de funcionamiento hidrostático.

8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende además alterar adicional o alternativamente el estado dinámico de la turbina eólica para reducir la carga en el árbol cuando el conjunto de cojinete está en el modo de funcionamiento hidrostático.

9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, en el que monitorizar al menos un parámetro indicativo de una carga en el árbol comprende además monitorizar una presión de una película de fluido (69) que soporta el árbol.

1. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-9, en el que monitorizar al menos un parámetro indicativo de una carga en el árbol comprende además monitorizar una temperatura de una película de fluido que soporta el árbol.

11. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-1, en el que monitorizar al menos un parámetro indicativo de una carga en el árbol comprende además monitorizar un grosor de una película de fluido que soporta el árbol.

12. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-11, en el que alterar el estado dinámico de la turbina eólica para reducir la carga en el árbol comprende además al menos uno de: i) guiñar la góndola con relación a la torre; ¡i) orientar las palas de la turbina eólica; y iii) aplicar un freno para disminuir la velocidad del rotor.

13. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-11, en el que alterar el estado del conjunto de cojinete de modo que acepte mejor la carga en el árbol comprende además aumentar la presión en la película de fluido que soporta el árbol.

14. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7-13, en el que monitoñzar al menos un parámetro indicativo de la carga comprende además monitoñzar directamente una carga en el árbol.

15. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 14, en el que la carga que se monitoñza es una carga longitudinal en el árbol.

16. Un sistema de control para una turbina eólica que tiene un conjunto de cojinete, un árbol recibido en el conjunto de cojinete, en el que el árbol está configurado para girar en el conjunto de cojinete y para estar soportado en el mismo al menos en parte mediante una película de fluido, y al menos un subsistema capaz de alterar un estado dinámico de la turbina eólica, que comprende:

un controlador (66) acoplado funcionalmente al conjunto de cojinete y el al menos un subsistema;

al menos un sensor (82) para monitoñzar al menos un parámetro de la película de fluido Indicativo de una carga en el árbol, el al menos un sensor acoplado funcionalmente al controlador y configurado para enviar una señal al controlador que corresponde a un valor en el al menos un parámetro,

en el que el controlador está configurado para enviar una señal al al menos un subsistema para alterar el estado dinámico de la turbina eólica de modo que se reduzca la carga en el árbol cuando el valor del al menos un parámetro enviado por el al menos un sensor satisface un criterio umbral.

17. Un sistema de control de acuerdo con la reivindicación 16, en el que el controlador está configurado adicional o alternativamente además para enviar una señal al conjunto de cojinete para alterar el estado del conjunto de cojinete de modo que acepte mejor la carga en el árbol cuando el valor del al menos un parámetro enviado por el al menos un sensor satisface el criterio umbral.

18. Un sistema de control de acuerdo con la reivindicación 16 o 17, en el que el al menos un sensor está seleccionado del grupo que consiste en una célula de carga, un transductor de presión, un sensor de temperatura, un sensor de grosor de la película, o una combinación de los mismos.

19. Una turbina eólica (1), que comprende: una torre (12);

una góndola (14) situada contiguamente a una parte superior de la torre;

un rotor (16) que tiene un buje (2) y una pluralidad de palas (22) que se extienden desde el mismo y configuradas para interaccionar con el viento para girar el rotor;

un árbol giratorio principal (26) acoplado al rotor y que se extiende dentro de la góndola;

un conjunto de cojinete principal (28) situado en la góndola para soportar el árbol al menos en parte mediante una película de fluido (69);

al menos un subsistema capaz de alterar el estado dinámico de la turbina eólica; y

un sistema de control de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 16-18 para controlar el funcionamiento de la turbina eólica.

2. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 19, en la que el al menos un subsistema está seleccionado del grupo que consiste en un sistema de control de guiñada para controlar el giro de la góndola con relación a la torre, un sistema de control de orientación para controlar la orientación de la pluralidad de palas, un sistema de frenado para reducir la velocidad del rotor, o combinaciones de los mismos.

21. Una turbina eólica de acuerdo con las reivindicaciones 19 o 2, en la que el conjunto de cojinete principal está configurado como un cojinete plano convertible selectivamente convertible entre un primer modo de funcionamiento y un segundo modo de funcionamiento, funcionando el conjunto de cojinete como un cojinete hidrostático en el primer modo de funcionamiento y funcionando como un cojinete hidrodinámico en el segundo modo de funcionamiento.

22. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 21, en la que el controlador está configurado para alterar el estado dinámico de la turbina eólica para reducir la carga en el árbol cuando el valor del al menos un parámetro satisface el criterio umbral y el conjunto de cojinete está en el segundo modo de funcionamiento.

23. Una turbina eólica de acuerdo con las reivindicaciones 21 o 22, en la que el controlador está configurado para 5 alterar el estado del conjunto de cojinete para aceptar mejor la carga en el árbol cuando el valor del al menos un

parámetro satisface el criterio umbral y el conjunto de cojinete está en el primer modo de funcionamiento.

24. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 21-23, que comprende además una bomba (7) acoplada funcionalmente al controlador y al conjunto de cojinete, activando el controlador la bomba para aumentar la presión de una película de fluido que soporta el árbol cuando el valor del al menos un parámetro

satisface el criterio umbral y el conjunto de cojinete está en el primer modo de funcionamiento.

25. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 21-24, que comprende además un elemento móvil movible entre una primera posición y una segunda posición, estando el conjunto de cojinete en el primer modo de funcionamiento cuando el elemento móvil está en la primera posición y estando en el segundo modo de funcionamiento cuando el elemento móvil está en la segunda posición.


 

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