ES2612332T3 - Caja de engranajes para una instalación de energía eólica - Google Patents

Caja de engranajes para una instalación de energía eólica Download PDF

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ES2612332T3 ES13197574.0T ES13197574T ES2612332T3 ES 2612332 T3 ES2612332 T3 ES 2612332T3 ES 13197574 T ES13197574 T ES 13197574T ES 2612332 T3 ES2612332 T3 ES 2612332T3
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Abstract

Una caja de engranajes (74) para una turbina eólica (2) que comprende al menos un engranaje planetario de una etapa (74) que comprende un árbol central (12) y un piñón central (15) acoplados entre sí por medio de un primer engranaje de acoplamiento (106), una rueda dentada planetaria (102) acoplada al piñón central (15) por medio de un engranaje de accionamiento (107), en la que el engranaje de accionamiento (107) tiene un primer corte helicoidal (100) en el lateral exterior del piñón central (15) que genera una primera fuerza axial (F1) en la dirección del árbol central (12), durante el funcionamiento, y el engranaje de acoplamiento (106) tiene un segundo corte helicoidal (101) en el lateral interior del piñón central (15) y que genera una segunda fuerza axial (F2) en la dirección opuesta del árbol central (12), durante el funcionamiento, de manera que la segunda fuerza axial (F2) compense la primera fuerza axial (F1), al menos parcialmente.

Description

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DESCRIPCION
Caja de engranajes para una instalacion de energfa eolica Campo de la invencion
La invencion se refiere a una caja de engranajes de una instalacion de energfa eolica. La invencion tambien se refiere a un tren de accionamiento de una instalacion de energfa eolica con una caja de engranajes y a una instalacion de energfa eolica con una caja de engranajes.
Antecedentes de la invencion
Los cojinetes esfericos (tambien conocidos como cojinetes de copa) proporcionan un montaje cardanico o articulado de una pieza rotatoria, por ejemplo, de un arbol de un engranaje. El movimiento del arbol se reduce a rotacion. A fin de montar el arbol en direccion axial, el cojinete esferico hace las veces de cojinete de empuje biaxial. A tal efecto, una rotula del cojinete esferico puede ser lo suficientemente grande como para rodear la cabeza esferica del cojinete. Segun un diseno alternativo, un cojinete esferico puede comprender dos rotulas opuestas, que limitan el movimiento de la cabeza esferica a un movimiento rotatorio. Un tercer concepto de diseno comunmente conocido aplica dos cojinetes esfericos independientes que forman un juego de cojinetes que limita el movimiento de la cabeza esferica en direccion axial. Los hemisferios de las dos rotulas opuestas normalmente estan dispuestos para que tengan un centro comun, a fin de permitir una ligera inclinacion del eje de rotacion del arbol.
Los cojinetes esfericos tienen numerosas aplicaciones. Entre estas, una posible aplicacion es el montaje de un arbol en un engranaje planetario. Ademas, los engranajes planetarios se pueden aplicar en el tren de accionamiento de un aerogenerador (tambien conocido como instalacion de energfa eolica o turbina eolica). No obstante, en particular en los engranajes planetarios, puede haber un espacio reducido para los cojinetes.
Cajas de engranajes de ejemplo se describen en el documento US 6.117.036, para un vehuculo que tiene un modo de accionamiento en las cuatro ruedas, y en el documento EP 2275705 A1, para un aerogenerador. Dichas cajas de engranajes comprenden engranajes de corte helicoidal opuesto para compensar las fuerzas axiales.
Sumario de la invencion
Un objetivo de la invencion es proporcionar una caja de engranajes que permita simplificar los requisitos de los cojinetes de un arbol de una caja de engranajes.
El objetivo de la invencion se logra con el objeto de la reivindicacion 1. En un aspecto de la invencion, se proporciona una caja de engranajes para una turbina eolica. De manera ventajosa, la caja de engranajes puede comprender al menos un engranaje planetario de una etapa. La caja de engranajes tambien puede comprender varias etapas. El engranaje planetario puede comprender un arbol central y un pinon central. El arbol central y el pinon central se pueden acoplar entre sf por medio de un engranaje de acoplamiento. El engranaje planetario puede comprender ademas una rueda dentada planetaria. La rueda dentada planetaria se puede acoplar al pinon central por medio de un engranaje de accionamiento. El engranaje de accionamiento tiene un primer corte helicoidal. El primer corte helicoidal puede, por lo tanto, generar una primera fuerza axial en la direccion del arbol central (es decir, paralela a la direccion axial longitudinal del arbol) durante el funcionamiento (es decir, cuando la caja de engranajes se acciona de manera que roten los componentes). El engranaje de acoplamiento puede tener un segundo corte helicoidal. El segundo corte helicoidal puede generar una segunda fuerza axial en la direccion opuesta del arbol central, durante el funcionamiento. Por lo tanto, de manera ventajosa, la segunda fuerza axial puede compensar, al menos parcialmente la primera fuerza axial. Tanto la primera fuerza axial como la segunda fuerza axial tienen efecto en el pinon central, lo que significa que la compensacion de las fuerzas realmente se produce en el pinon central.
Una caja de engranajes configurada segun se ha descrito anteriormente reduce la fuerza total inducida al arbol o arbol central y, por lo tanto, se puede equipar con cojinetes de empuje disenados para fuerzas inferiores. La fuerza reducida resultante tambien preve que no haya holgura de engranaje durante el frenado de la turbina. Asimismo, se pueden simplificar otros medios de fijacion o sujecion (por ejemplo, los tornillos que fijan el arbol o arbol central). Si los medios de fijacion o sujecion se mantienen inalterados, puede aumentar el margen de seguridad de dichos medios.
Es decir, se puede proporcionar una caja de engranajes para una turbina eolica que tenga al menos un engranaje planetario de una etapa. Un generador puede estar conectado a la caja de engranajes a traves de
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un arbol central. Por lo tanto, la caja de engranajes puede tener una fuerza axial resultante predeterminada en el arbol central a potencia nominal de la turbina eolica. La caja de engranajes tambien puede tener un cojinete de empuje axial correspondiente en el extremo correspondiente del arbol central. Se pueden usar dos engranajes helicoidales con inclinacion opuesta. Los engranajes helicoidales coinciden de tal manera que las fuerzas resultantes tienden a compensarse en cierta medida y la fuerza resultante restante (reducida) tiene una direccion predeterminada.
En otro aspecto de la invencion, se puede elegir una inclinacion (o angulo) del primer corte helicoidal y una inclinacion del segundo corte helicoidal de manera que la primera fuerza axial sea mayor que la segunda fuerza axial. De manera ventajosa, la primera fuerza axial puede ser un diez por ciento, o menos, mayor que la segunda fuerza. Este aspecto de la invencion preve que la primera fuerza axial no se compense totalmente. La fuerza resultante restante empuja de manera continua el arbol o arbol central en una direccion determinada durante el funcionamiento. Si la fuerza resultante no es demasiado reducida, se puede garantizar que incluso en condiciones de funcionamiento anomalas, el arbol o arbol central siempre se empuje en la misma direccion.
En una forma de realizacion de la invencion, la primera fuerza axial puede ser de 1 kN a 10 kN mayor que la segunda fuerza axial. Un valor ventajoso, en esta forma de realizacion, puede ser 5 kN.
En un aspecto ventajoso de la invencion, la caja de engranajes puede comprender un segundo engranaje de acoplamiento. El segundo engranaje de acoplamiento puede estar provisto entre el arbol o el arbol central y un arbol de salida de la caja de engranajes. El primer engranaje de acoplamiento y el segundo engranaje de acoplamiento pueden, por lo tanto, estar dispuestos cerca del arbol o arbol central o en extremos opuestos. El segundo engranaje de acoplamiento puede, por lo tanto, proporcionar una tercera fuerza axial en la direccion axial del arbol o arbol central. La direccion puede, ademas, ser opuesta a la direccion de la segunda fuerza axial. Este aspecto preve que las fuerzas del arbol central se compensen.
De manera ventajosa, el segundo engranaje de acoplamiento se puede dimensionar de manera identica al primer engranaje de acoplamiento. Esto preve que la misma fuerza axial incida en el arbol desde ambos extremos, pero en direcciones opuestas. Es decir, la tercera fuerza axial puede, por lo tanto, tener la misma magnitud que la segunda fuerza axial.
Ademas, la caja de engranajes puede comprender un cojinete de empuje. El cojinete de empuje puede ser un cojinete biaxial y/o cojinete esferico. Esto proporciona un montaje cardanico o articulado biaxial del arbol y garantiza que el cojinete biaxial pueda levantar cargas, que se diferencien ligeramente de una simple carga axial.
La invencion tambien proporciona un tren de accionamiento de una instalacion de energfa eolica que comprende una caja de engranajes segun los aspectos y formas de realizacion de la invencion.
La invencion tambien proporciona una instalacion de energfa eolica que comprende una caja de engranajes segun los aspectos y formas de realizacion de la invencion.
Breve descripcion de los dibujos
Otros aspectos y caractensticas de la invencion se derivaran de la siguiente descripcion de formas de realizacion preferentes de la invencion en relacion con los dibujos adjuntos, en los que
la figura 1 muestra un dibujo simplificado de un aerogenerador segun una forma de realizacion de la invencion
la figura 2 muestra un tren de accionamiento simplificado de un aerogenerador segun una forma de realizacion de la invencion,
la figura 3 es una vista en perspectiva simplificada que muestra una caja de engranajes (engranaje planetario) segun una forma de realizacion de la invencion,
la figura 4 es una seccion transversal detallada simplificada que muestra un arbol central de un engranaje planetario, que esta montado usando un par antagonico de cojinetes de empuje segun una forma de realizacion de la invencion,
la figura 5 muestra, en mas detalle, un cojinete de empuje esferico de la forma de realizacion de la figura 4, la figura 6 es una vista transversal simplificada de una forma de realizacion de la invencion y
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la figura 7 es un diagrama simplificado que ilustra aspectos de la invencion.
Descripcion detallada de una forma de realizacion de ejemplo
La figura 1 muestra un aerogenerador simplificado 2 segun una forma de realizacion de la invencion. El aerogenerador 2 comprende una estructura de soporte 4, que esta apoyada sobre una base adecuada en el mar 6. Solo a modo de ejemplo, la instalacion de energfa eolica 2 es un aerogenerador instalado en el mar. Una gondola (no visible) esta dispuesta en la parte superior de la estructura de soporte 4, que puede ser, por ejemplo, una torre. Un buje de rotor 8 que tiene una pluralidad de palas de rotor 10 esta acoplado a un arbol principal 72 de un tren de accionamiento 70.
En la figura 2 se muestra un tren de accionamiento simplificado 70 segun una forma de realizacion de la invencion. El tren de accionamiento 70 puede estar dispuesto en la gondola del aerogenerador 2. El buje de rotor 8 esta acoplado al arbol principal 72, que es el arbol conductor de un engranaje planetario 74. Un arbol conducido del engranaje planetario 74 acciona un arbol conducido 76 del generador 78. El tren de accionamiento 70 puede comprender el buje de rotor 8, el arbol principal 72, la caja de engranajes 74 y el arbol de salida del mismo, que es el arbol conducido 76 del generador 78.
La figura 3 es una vista en perspectiva simplificada de la caja de engranajes 74 (engranaje planetario) segun una forma de realizacion de la invencion. El arbol principal 72 puede estar acoplado a la caja de engranajes 74 por medio de la brida principal 80.
La figura 4 muestra una seccion transversal detallada de una parte de la caja de engranajes 74 (engranaje planetario) segun una forma de realizacion de la invencion. El arbol central 12 (tambien denominado arbol de embrague) esta montado usando un par de cojinetes esfericos opuestos 52, 54. El arbol central 12 puede ser un arbol hueco. Para reducir el movimiento del arbol central 12 a una simple rotacion, un primer cojinete esferico 52, que comprende un primer casquillo de cojinete 14 y una primera rueda con brida 16, esta dispuesto en un lateral izquierdo del arbol 12. Un segundo cojinete esferico 54, que comprende un segundo casquillo de cojinete 18 y una segunda rueda con brida 20, puede estar dispuesto en un lateral derecho del arbol 12. Los cojinetes del engranaje planetario estan configurados para un funcionamiento normal o estandar del aerogenerador. Esto significa que, debido a la rotacion del buje de rotor 8, el arbol principal 72 aplica un par al engranaje planetario 74, que se transfiere al generador 78 para producir energfa. No obstante, en modos de funcionamiento no estandar, por ejemplo, cuando se produce un cortocircuito del generador 78, puede haber una alternancia de la carga o inversion de carga. Dicho funcionamiento inverso puede provocar estados de funcionamiento altamente dinamicos que incluyen distintas oscilaciones en el engranaje planetario. Este modo de funcionamiento puede provocar, a corto plazo sobrecargas de los engranajes y cojinetes del interior del engranaje planetario, que participan en la transmision de potencia mecanica.
Hay una rueda dentada planetaria 102 (solo se muestra parcialmente), que engrana con el pinon central (o engranaje central) 15 a traves de un engranaje de accionamiento 107. La rueda dentada planetaria 102 tiene un engranaje de accionamiento con un dentado que tiene un primer corte helicoidal. Un dentado helicoidal correspondiente 100 esta provisto en el lateral exterior del pinon central 15. Hay ademas un primer engranaje de acoplamiento 106 entre el pinon central 15 y el arbol central 12. El primer engranaje de acoplamiento 106 tiene un segundo corte helicoidal. El numero de referencia 101 se refiere al dentado helicoidal del pinon central 15 (lateral interior del pinon central 15). Un dentado correspondiente (sin numero de referencia independiente) al dentado 101 esta provisto en el lateral exterior del arbol central 12.
Un segundo engranaje de acoplamiento 108 esta provisto en el extremo opuesto del arbol central 12. El segundo engranaje de acoplamiento 108 esta situado entre el arbol central 12 y el arbol de salida 105. El numero de referencia 104 se refiere al dentado helicoidal del arbol de salida 105 (lateral interior del arbol de salida 105). Un dentado correspondiente (sin numero de referencia independiente) al dentado 104 esta provisto en el lateral exterior del arbol central 12.
En condiciones de funcionamiento normales, la rueda dentada planetaria 102 acciona el arbol central 12 a traves del engranaje de accionamiento 107, el pinon central 15 y el primer engranaje de acoplamiento 106. No hay movimiento relativo entre el pinon central 15 y el arbol central 12 (segun se deduce del termino engranaje de acoplamiento). El arbol central 12 acciona el arbol de salida 105 a traves del segundo engranaje de acoplamiento 108. No hay movimiento relativo entre el arbol central 12 y el arbol de salida 105 (segun se deduce del termino engranaje de acoplamiento).
En esta forma de realizacion, el segundo engranaje de acoplamiento 108 y el primer engranaje de acoplamiento 106 pueden tener dimensiones identicas.
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El primer corte helicoidal del engranaje de accionamiento 107 se elige de manera que se proporcione una primera fuerza axial F1 en la direccion axial del arbol central. La primera fuerza axial F1 empuja el pinon central 15 hacia la derecha de la figura 4. El corte helicoidal del primer engranaje de acoplamiento l06 se elige de manera que se induzca una segunda fuerza axial F2 opuesta a la primera fuerza axial F1. La segunda fuerza axial F2 tambien actua en una direccion axial del arbol central 12. Esto significa que la primera fuerza axial F1 se compensa, al menos parcialmente, con la segunda fuerza axial f2. La compensacion se produce en el pinon central 15. Las fuerzas respectivas solo se inducen durante el funcionamiento de la caja de engranajes (rotacion). Si la caja de engranajes se para, cesan las fuerzas.
El segundo engranaje de acoplamiento 108 induce una tercera fuerza axial F3 en el arbol central que es opuesta a la contrafuerza F2' de la segunda fuerza que se induce en el arbol central 12 a traves del primer engranaje de acoplamiento 12. Si los dos engranajes de acoplamiento 106 y 108 estan dimensionados de manera identica, las fuerzas F2' y F3 siempre se compensan en el arbol central 12, independientemente de las condiciones de funcionamiento.
Debido a las fuerzas compensadas, se reduce la fuerza resultante en los cojinetes de empuje 52, 54. Esto significa que dichos cojinetes 52, 54 se pueden simplificar, es decir, pueden ser mas pequenos, mas economicos, etc.
En la figura 5 se muestra una vista transversal mas detallada del cojinete 52. Una inversion de carga en la caja de engranajes 74 puede hacer que la placa de soporte 17 se someta a una carga axial considerable. Esto requiere un margen de seguridad considerable para los tornillos 56 que se usan para montar la placa de soporte 17. Por lo tanto, normalmente, los tornillos 56 tienen mayor tamano. Ademas, el impacto de la carga axial, que se debe a la carga inversa sobre las ruedas dentadas planetarias, puede variar para la pluralidad de ruedas dentadas planetarias del interior de la caja de engranajes 74. Por consiguiente, los tornillos de sujecion 56, que estan dispuestos alrededor de la circunferencia del arbol 12 estaran sometidos a diferentes niveles de carga. Ademas, el arbol 12 puede estar ligeramente inclinado respecto al eje longitudinal inicial A tras la inversion de carga. Nuevamente, los tornillos de sujecion 56 pueden estar expuestos a diferentes niveles de carga que aumentan los requisitos de los tornillos 56. No obstante, debido a la compensacion de la primera fuerza axial F1 con la segunda fuerza axial F2, se pueden simplificar los tornillos 56 (reducir de tamano, etc.) o, si no se cambian, aumentar el margen de seguridad.
La figura 6 es una vista transversal simplificada de una forma de realizacion de la invencion y muestra una parte de la caja de engranajes 74 mas grande que la figura 4. Se indica la primera fuerza axial F1, la segunda fuerza axial F2, la contrafuerza correspondiente F2' y la tercera fuerza axial F3, asf como su contrafuerza F3'. Se considera que la caja de engranajes funciona en condiciones de funcionamiento normales. La primera fuerza axial F1 empuja el pinon central 15 hacia la derecha. La segunda fuerza axial F2 empuja el pinon central hacia la izquierda. Ambas fuerzas tienen efecto en una direccion axial del arbol central 12 (paralela al arbol central). La fuerza axial F2' (que en el presente documento se denomina contrafuerza respecto a F2) empuja el arbol central 12 hacia la derecha. La tercera fuerza axial F3 se deriva del segundo engranaje de acoplamiento 108 y es opuesta a F2'. Esto significa que las dos fuerzas F2' y F3 se compensan.
La figura 7 es un diagrama simplificado que ilustra aspectos de la invencion. El pinon central 15 tiene un dentado interior 101 y un dentado exterior 100. El dentado exterior 100 del pinon central 15 engrana con un dentado correspondiente de la rueda dentada planetaria 102 (no se muestra). El dentado tiene una inclinacion que se caracteriza por un angulo a. Por lo general, el angulo a puede ser de entre 0° y 45°; de manera ventajosa, de entre 0° y 30°; de manera mas ventajosa, de entre 0° y 20° y, de manera aun mas ventajosa, de entre 0° y 15°. El angulo real a, que se muestra en los dibujos, esta ampliado para ilustrar este aspecto de la invencion.
En la parte derecha, se ilustran aspectos del primer y del segundo engranaje de acoplamiento 106, 108. Se muestra el dentado interior 101 del pinon central 15 que corresponde al dentado interior 104 del arbol de salida 105. El dentado tiene una inclinacion que se caracteriza por un angulo p. Por lo general, el angulo p puede ser de entre 0° y 45°; de manera ventajosa, de entre 0° y 30°; de manera mas ventajosa, de entre 0° y 20° y, de manera aun mas ventajosa, de entre 0° y 15°. El angulo real p, que se muestra en los dibujos, esta ampliado para ilustrar este aspecto de la invencion. Esta configuracion preve que la tercera fuerza axial F3 compense F2'.
La primera fuerza axial F1 es una funcion del angulo a: F1 = f(a,...) (y de otros parametros que no se analizan en detalle en el presente documento). La segunda fuerza axial F2 es una funcion del angulo p: F1 = f(P,...) (y de otros parametros que no se analizan en detalle en el presente documento). La tercera fuerza F3 tambien es una funcion del angulo p: F1 = f(p,...) (y de otros parametros que no se analizan en detalle en el presente documento), si el primer y el segundo engranaje de acoplamiento estan dimensionados de manera identica.
En esta forma de realizacion, la magnitud de la primera fuerza axial F1 es mayor o igual que la magnitud de la segunda fuerza axial F2 (F1 > F2). La magnitud de la segunda fuerza axial F2 es igual a la magnitud de la tercera fuerza axial F3 (F2 = F3).
La magnitud de la primera fuerza axial F1 se puede elegir para que sea un diez por ciento, o menos, mayor que la magnitud de la segunda fuerza axial F2.
En una forma de realizacion de la invencion, F1 puede ser de 50 kN, F2 puede ser de 45 kN y F3 tambien 10 puede ser de 45 kN. La diferencia de la primera fuerza axial F1 y la segunda fuerza axial F2 es, por lo tanto, de 5 kN.
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Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una caja de engranajes (74) para una turbina eolica (2) que comprende al menos un engranaje planetario de una etapa (74) que comprende un arbol central (12) y un pinon central (15) acoplados entre sf por medio de un primer engranaje de acoplamiento (106), una rueda dentada planetaria (102) acoplada al pinon central (15) por medio de un engranaje de accionamiento (107), en la que el engranaje de accionamiento
    (107) tiene un primer corte helicoidal (100) en el lateral exterior del pinon central (15) que genera una primera fuerza axial (F1) en la direccion del arbol central (12), durante el funcionamiento, y el engranaje de acoplamiento (106) tiene un segundo corte helicoidal (101) en el lateral interior del pinon central (15) y que genera una segunda fuerza axial (F2) en la direccion opuesta del arbol central (12), durante el funcionamiento, de manera que la segunda fuerza axial (F2) compense la primera fuerza axial (F1), al menos parcialmente.
  2. 2. La caja de engranajes (74) segun la reivindicacion 1, en la que una inclinacion (a) del primer corte helicoidal (100) y una inclinacion (p) del segundo corte helicoidal (101) se eligen de manera que la primera fuerza axial (F1) sea un diez por ciento, o menos, mayor que la segunda fuerza axial (F2).
  3. 3. La caja de engranajes (74) segun la reivindicacion 1 o 2, en la que la primera fuerza axial (F1) es de 1 kN a 10 kN mayor que la segunda fuerza axial (F2).
  4. 4. La caja de engranajes (74) segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas un segundo engranaje de acoplamiento (108) entre el arbol central (12) y un arbol de salida (105) de la caja de engranajes (74).
  5. 5. La caja de engranajes (74) segun la reivindicacion 4, en la que el segundo engranaje de acoplamiento
    (108) esta dimensionado de manera identica al primer engranaje de acoplamiento (106).
  6. 6. La caja de engranajes (74) segun la reivindicacion 4 o 5, en la que el primer engranaje de acoplamiento (106) y el segundo engranaje de acoplamiento (108) estan dispuestos en extremos opuestos del arbol central (12).
  7. 7. La caja de engranajes (74) segun cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en la que el primer engranaje de acoplamiento (106) y el segundo engranaje de acoplamiento (108) estan configurados de manera que, durante el funcionamiento, sus fuerzas axiales (F2', f3) en la direccion del arbol se compensan.
  8. 8. Un tren de accionamiento (70) de una instalacion de energfa eolica (2) que comprende una caja de engranajes (74) segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
  9. 9. Una instalacion de energfa eolica (2) que comprende una caja de engranajes (74) segun cualquiera de las
    reivindicaciones 1 a 7.
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