ES2471950T3 - Generador de energía eléctrica de turbina e�lica de accionamiento directo con disposición de cojinete extra�ble - Google Patents

Generador de energía eléctrica de turbina e�lica de accionamiento directo con disposición de cojinete extra�ble Download PDF

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Aniruddha Dattatraya Gadre
Patrick Lee Jansen
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Abstract

Un generador eléctrico de turbinas eólicas de accionamiento directo (120) que tiene al menos un cojinete de cambio de salida extraíble (304) que comprende: un rotor (106) y un estator (308); unos mecanismos de bloqueo (310) configurados para bloquear dicho rotor a dicho estator; un subconjunto de cojinete extraíble (306) dentro de dicho rotor y dicho estator y acoplado a dicho rotor y dicho estator a través de pernos de montaje desmontables y que tiene al menos un cojinete contraíble instalado en el mismo; en el que dichos pernos de montaje extraíbles (314) están configurados para acoplar dicho subconjunto de cojinete y dicho rotor y dicho estator y para permitir que dicho subconjunto de cojinete extraíble sea retirado de dicho rotor y dicho estator cuando se quitan dichos pernos de montaje extraíbles.

Description

Generador de energía eléctrica de turbina e�lica de accionamiento directo con disposición de cojinete extra�ble
Esta invención se refiere en general a generadores, y más particularmente a generadores e�licos de turbina que tienen cojinetes reemplazables.
Recientemente, los generadores e�licos han recibido una mayor atención como fuentes de energía alternativas ambientalmente seguras y relativamente baratas. Con este creciente interés, se han hecho considerables esfuerzos para desarrollar turbinas e�licas que son confiables y eficientes.
En general, una turbina e�lica incluye un rotor que tiene múltiples palas. El rotor est� montado en un alojamiento o góndola, que se coloca en la parte superior de una armadura o torre tubular. Generadores e�licos de grado de utilidad (es decir, las turbinas e�licas diseñadas para suministrar energía eléctrica a una red de suministro eléctrico) pueden tener grandes rotores (por ejemplo, 30 o más metros de diámetro). Las palas en estos rotores transforman la energía del viento en un par de giro o fuerza que impulsa uno o más generadores que pueden ser acoplados rotacionalmente al rotor a través de una caja de cambios. La caja de cambios incrementa la velocidad de rotación inherentemente baja del rotor de la turbina para el generador para convertir eficientemente la energía mecánica en energía eléctrica, que se alimenta a una red de suministro eléctrico.
Las turbinas e�licas, incluyendo generadores de accionamiento directo eliminan la caja de cambios, y los problemas de fiabilidad asociados con las cajas de cambio. Sin embargo, en al menos algunas turbinas e�licas engranadas conocidas, tanto el generador como los cojinetes principales pueden fallar prematuramente. Debido a que los cojinetes del generador de accionamiento directo también funcionan como los cojinetes principales de la turbina e�lica, es necesario un medio para reemplazar fácilmente los cojinetes. Para facilitar el reemplazo de dichos cojinetes, por lo menos una turbina e�lica de accionamiento directo conocida utiliza un solo cojinete de gran diámetro que lleva con una brida con perno. Sin embargo, la combinación del gran diámetro y la brida con perno hace que el cojinete sea caro en comparación con otras disposiciones de cojinetes conocida. El documento DE 103 51 524 divulga una disposición de cojinetes del rotor para la transferencia de momentos y pares de torsión del rotor, estando el buje conectado directamente al anillo interior de un cojinete radial.
Para facilitar la reducción de costes al tiempo que optimizar la disponibilidad de la turbina, el reemplazo del cojinete debe realizarse rápidamente en el lugar de la turbina e�lica con un requerimiento mínimo de infraestructura y conjunto de habilidades. Sin embargo, cojinetes contra�bles conocidos utilizados en turbinas e�licas de accionamiento directos generalmente requieren la extracción en la fábrica.
Un aspecto de la presente invención por lo tanto proporciona un generador eléctrico de la turbina e�lica de accionamiento directo con cojinetes de cambio de salida extra�bles, consultar la reivindicación 1.
Un aspecto no reivindicado de la presente invención proporciona un procedimiento para cambiar los cojinetes en un generador de energía eléctrica de turbina e�lica de accionamiento directo. El procedimiento incluye el bloqueo de un rotor y un estator del generador, y mientras el generador est� en su lugar en una torre en la que est� instalado, el desmontaje de un subconjunto de cojinete del generador. El procedimiento incluye, además, ya sea la sustitución o reparación del subconjunto de cojinete, o ambos, y, mientras el generador est� todavía en su lugar en la torre, el montaje del subconjunto de cojinete reemplazado o reparado en el generador.
Por tanto, se observar� que las configuraciones de la presente invención proporcionan turbinas e�licas con cojinetes que son fáciles de quitar sin tener que desmontar todo el generador de turbina e�lica, el buje, y las palas. Por otra parte, también se observaron algunas configuraciones de la presente invención para proporcionar otras ventajas, tales como una construcción de peso ligero.
Diversos aspectos y realizaciones de la invención se describirán ahora con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:
La figura 1 es un dibujo de una configuración ejemplar de una turbina e�lica.
La figura 2 es una vista en perspectiva recortada de una góndola de la configuración de turbina e�lica ejemplar mostrada en la figura 1 y que incluye un tren de transmisión orientado conocido.
La figura 3 es una vista en corte lateral de una configuración de una configuración de generador de accionamiento directo ejemplar que incluye cojinetes de cambio de salida extra�bles instalados.
La figura 4 es una vista en corte lateral de la configuración que se muestra en la figura 3 con su conjunto de cojinete retirado.
La figura 5 es una vista en corte lateral de una realización alternativa de una configuración de generador de accionamiento directo incluyendo los cojinetes de cambio de salida desmontables instalados.
La figura 6 es una vista en corte lateral de la configuración que se muestra en la figura 5 con su conjunto de
cojinete retirado.
La figura 7 es una vista en corte lateral esquemática de la configuración mostrada en la figura 6, que muestra ejemplos de ubicaciones adecuadas para una puerta o escotilla de eliminación.
La figura 8 es una vista en corte lateral de una configuración ejemplar de una configuración de generador de accionamiento directo incluyendo los cojinetes de cambio de salida extra�bles en el que un subconjunto de estator o subconjunto de rotor, o ambos, comprenden fibra de carbono y/o material compuesto.
La figura 9 es una vista en corte lateral de una configuración ejemplar de un generador e�lico de dos cojinetes utilizando fibra de carbono y/o material compuesto.
La figura 10 es una vista en corte lateral de una configuración ejemplar de un generador de un solo cojinete utilizando fibra de carbono y/o material compuesto.
En algunas configuraciones y en referencia a la figura 1, una turbina e�lica 100 comprende una góndola 102 que aloja un generador (no mostrado en la figura 1). La góndola 102 est� montada encima de una torre alta 104, sólo una porción de las cuales se muestra en la figura 1. La turbina e�lica 100 también comprende un rotor 106 que incluye una o más palas del rotor 108 unidas a un buje giratorio 110. Aunque la turbina e�lica 100 ilustrada en la figura 1 incluye tres palas del rotor 108, no hay límites específicos acerca del número de palas del rotor 108 requeridas por formas de realización de la presente invención.
En algunas configuraciones y en referencia a la figura 2, diversos componentes est�n alojados en la góndola 102 encima de la torre 104 de la turbina e�lica 100. La altura de la torre 104 se selecciona en base a factores y condiciones conocidos en la técnica. En algunas configuraciones, uno o más microcontroladores dentro del panel de control 112 comprenden un sistema de control utilizado para la monitorización y de control general del sistema. Arquitecturas de control alternativas distribuidas o centralizadas se utilizan en algunas configuraciones.
En algunas configuraciones, un accionamiento de paso de pala variable 114 se proporciona para controlar el paso de las palas 108 (no mostrado en la figura 2) que accionan el buje 110 como resultado del viento. En algunas configuraciones, los pasos de las hojas 108 son controlados individualmente por el accionamiento de paso de las palas 114. El buje 110 y las palas 108 juntos comprenden la turbina e�lica del rotor 106.
El tren de accionamiento de la turbina e�lica incluye un eje principal del rotor 116 (también referido como un "eje de baja velocidad") conectado al buje 110 a través de cojinete principal 130 y (en algunas configuraciones), en un extremo opuesto del eje 116 a una caja de engranajes 118. La caja de engranajes 118 acciona un eje de alta velocidad del generador 120. En otras configuraciones, el eje del rotor principal 116 est� acoplado directamente al generador 120. El eje de alta velocidad (no identificado en la figura 2) se utiliza para accionar el generador 120, que est� montado en el bastidor principal 132. En algunas configuraciones, el par del rotor se transmite a través del acoplamiento 122. En diversas configuraciones de la presente invención, el generador 120 es un generador de imanes permanentes de accionamiento directo.
Un motor de dirección 124 y una cubierta de dirección 126 proporcionan un sistema de orientación de dirección para la turbina e�lica 100. Una pluma meteorológica 128 proporciona información para el sistema de control de la turbina 300, que puede incluir la dirección del viento y/o la velocidad del viento. En algunas configuraciones, el sistema de dirección est� montado sobre una brida prevista encima de la torre 104.
En algunas configuraciones de la presente invención y haciendo referencia a la figura 3, el generador 120 (se muestra sólo en parte en la figura 3 y las figuras siguientes) es un generador de accionamiento directo con imanes permanentes 302. El generador 120 est� provisto de cojinetes extra�bles (de cambio de salida) 304 instalados en un subconjunto de cojinete extra�ble 306. (Las configuraciones se pueden utilizar por lo menos uno hasta cualquier número de cojinetes 304, a pesar de que la figura 3 muestra una configuración usando exactamente dos cojinetes). Para cambiar o actualizar un cojinete 304, el rotor 106 y el estator 308 del generador 120 son bloqueados con pernos de fijación 310 para asegurar que el estator 308 y el rotor 106 permanecerán en su lugar hasta la torre donde est� instalado el generador 120. Un buje 312 y las palas 108 entonces se desmontan en el generador bloqueado
120. El subconjunto de cojinetes 306 es entonces desmontado por, por ejemplo, y haciendo referencia a la figura 4, la eliminación de los pernos de montaje 314 a lo largo de dos bridas. Alternativamente, todo el generador 120 puede ser bajado al suelo, instalarse los pernos de bloqueo 310, y el subconjunto de cojinete 306 ser reemplazado.
En aún otras configuraciones de la presente invención y haciendo referencia a la figura 5, se proporciona un generador de dos cojinetes 520 con cojinetes de extra�bles 304. Las configuraciones del generador 520 pueden ser sustituidos generalmente por, pero se distinguen de otro modo de configuraciones del generador 120 en que las configuraciones del generador 520 no requieren la eliminación de buje 312. (Configuraciones de generador 520 pueden utilizar al menos uno hasta cualquier número de cojinetes 304, a pesar de que la figura 5 muestra una configuración usando exactamente dos cojinetes). Cojinetes extra�bles 304 se instalan en un subconjunto de cojinete extra�ble 506. Para cambiar o actualizar un cojinete 304, el rotor 106 y el estator 508 se bloquean, utilizando, por ejemplo, tornillos de bloqueo 310, para asegurar que el estator 508 y el rotor 106 permanecerán en su lugar hasta la torre donde est� instalado el generador 520. El subconjunto de cojinete 506 es entonces desmontado mediante la
eliminaci�n de los pernos de montaje 314 a lo largo de dos bridas. El subconjunto de cojinetes 506 se puede retirar dentro de la cabina de la torre o góndola 102 como se muestra en la figura 6 y más tarde ser bajado al suelo a través de una escotilla de salida o puerta 710, que se proporcionan, por ejemplo, en la parte superior trasera o de alojamiento del generador 512, como se muestra en la figura 7. En algunas configuraciones, para asegurar que el buje 312 y las palas 108 est�n sostenidas de manera estable, a su vez varios cierres de hebilla 514 se insertan ya sea antes de desactivar subconjunto de cojinetes 506, o simultáneamente o poco después. Los cierres de hebilla 514 se pueden insertar antes de desactivar subconjunto de cojinetes 506 mediante los puertos de acceso 516 que se muestran en la figura 5. El uso de los cierres de hebilla 514 asegura el paso de carga directo desde el buje 312 y las palas 108 en la carcasa del generador 512 y la torre 104 con los cojinetes 304 retirados. Alternativamente, todo el generador 520 puede ser bajado al suelo, los pernos de bloqueo 310 instalados, y el subconjunto de cojinetes 506 reemplazado.
En algunas configuraciones de la presente invención y haciendo referencia a un ejemplo de configuración mostrado en la figura 8, ya sea un subconjunto del estator 800 o un subconjunto del rotor 802, o ambos, puede comprender fibra de carbono y/o de otro material compuesto adecuado. El uso de tal material o materiales resulta en una unidad modular de generador e�lico de bajo peso. Otro ejemplo de un generador e�lico de dos cojinetes con fibra de carbono y/o material compuesto se muestra en la figura 9, y un ejemplo de un generador de un solo cojinete usando este tipo de material se muestra en la figura 10.
Adem�s, en algunas configuraciones de la presente invención y haciendo referencia de nuevo a la figura 3, pueden proporcionarse inserciones de amortiguación 316 que aíslan la dinámica y el ruido del eje y la pala del generador y la torre.
Ejemplos de realización de los procedimientos y aparatos de mantenimiento/montaje se han descrito anteriormente en detalle. Los procedimientos y el aparato no se limitan a las realizaciones específicas descritas en el presente documento ni a los componentes específicos que se est�n sustituidos o ensamblados, sino más bien, los procedimientos de mantenimiento/de montaje descritos en este documento pueden ser utilizados de forma independiente y por separado de otros procedimientos descritos en este documento o para sustituir a otros componentes que no se describen aquí. Por ejemplo, otros componentes de la turbina también pueden ser reemplazados utilizando los procedimientos descritos en el presente documento.
Aunque la invención ha sido descrita en términos de diversas realizaciones específicas, los expertos en la técnica reconocerán que la invención puede ponerse en práctica con modificaciones dentro del alcance de las reivindicaciones.
LISTA DE PIEZAS
100 Turbina e�lica
102 Góndola
104 Torre
106 Rotor de la turbina e�lica
108 Palas del rotor
110 Buje
112 Panel de control
114 Accionador de paso de la pala
116 Eje del rotor principal
118 Caja de engranajes
120 Generador
122 Acoplamiento
124 Motor de dirección
126 Cubierta de dirección
128 Pluma meteorológica
130 Cojinete principal
132 Bastidor principal 300 Sistema de control de la turbina 302 Imanes permanentes 304 Cojinete 306 Subconjunto de cojinetes
5 308 Estator 310 Pernos de bloqueo 312 Buje 314 Pernos de montaje 316 Inserciones de amortiguación
10 506 Subconjunto de cojinetes 508 Estator 512 Carcasa del generador 514 Cierres de hebilla 516 Puertos de acceso
15 520 Generador 710 Escotilla o puerta de salida 800 Subconjunto del estator 802 Subconjunto del rotor

Claims (10)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un generador eléctrico de turbinas e�licas de accionamiento directo (120) que tiene al menos un cojinete de cambio de salida extra�ble (304) que comprende:
    un rotor (106) y un estator (308);
    unos mecanismos de bloqueo (310) configurados para bloquear dicho rotor a dicho estator;
    un subconjunto de cojinete extra�ble (306) dentro de dicho rotor y dicho estator y
    acoplado a dicho rotor y dicho estator a través de pernos de montaje desmontables y
    que tiene al menos un cojinete contra�ble instalado en el mismo;
    en el que dichos pernos de montaje extra�bles (314) est�n configurados para acoplar dicho subconjunto de cojinete y dicho rotor y dicho estator y para permitir que dicho subconjunto de cojinete extra�ble sea retirado de dicho rotor y dicho estator cuando se quitan dichos pernos de montaje extra�bles.
  2. 2.
    Un generador eléctrico de turbina e�lica de accionamiento directo (120) según la reivindicación 1, en el que dicho estator (308) tiene bridas acopladas a dichos pernos extra�bles (314).
  3. 3.
    Un generador eléctrico de turbina e�lica de accionamiento directo (120) de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que tiene al menos dos de dichos cojinetes extra�bles (304).
  4. 4.
    Un generador eléctrico de turbina e�lica de accionamiento directo (120) según cualquier reivindicación anterior, en el que dicho generador eléctrico de turbina e�lica de accionamiento directo comprende además un buje (312), y dicho subconjunto de cojinete extra�ble (306) comprende además bridas en un extremo de dicho subconjunto, estando dichas bridas configuradas para acoplarse a dicho estator (308), y dicho buje (312) est� acoplado con el subconjunto de cojinete (306) en un extremo opuesto de dicho subconjunto.
  5. 5.
    Un generador eléctrico de turbina e�lica de accionamiento directo (120) según la reivindicación 4, en el que dicho buje (312) est� configurado para la extracción en la misma dirección que, y antes de o simultáneamente con, la retirada de dicho subconjunto de cojinete (306).
  6. 6.
    Un generador eléctrico de turbina e�lica de accionamiento directo (120) según la reivindicación 4, en el que dicho subconjunto de cojinete extra�ble (306) est� configurado para desacoplar dicho estator (308) en una dirección opuesta a dicho buje (312), y dicho buje est� configurado para permanecer en su lugar durante la retirada de dicho subconjunto de cojinete.
  7. 7.
    Un generador eléctrico de turbina e�lica de accionamiento directo (120) según la reivindicación 6, que comprende además una carcasa del generador (512) que tiene una puerta o escotilla (710) a través de la cual dicho estator
    (308) se puede retirar.
  8. 8.
    Un generador eléctrico de turbina e�lica de accionamiento directo (120) según cualquier reivindicación anterior, en el que dicho estator (308) comprende un material de fibra de carbono o un material compuesto
  9. 9.
    Un generador eléctrico de turbina e�lica de accionamiento directo (120) según cualquier reivindicación anterior, en el que dicho rotor (106) comprende un material de fibra de carbono o un material compuesto.
  10. 10.
    Un generador eléctrico turbina e�lica de accionamiento directo (120) según la reivindicación 9, en el que dicho estator (308) también comprende un material de fibra de carbono o un material compuesto.
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