ES2836226T3 - Cojinete de empuje para una turbina eólica - Google Patents

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Troels Kanstrup
Dennis Olesen
Kim Thomsen
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Abstract

Cojinete (10) de empuje para una turbina eólica que comprende: un collarín (11) de empuje que puede rotar alrededor de un eje longitudinal (Y) del cojinete (10) de empuje y que tiene una superficie (12) de empuje orientada transversalmente con respecto al eje longitudinal (Y), una estructura (20) de soporte fijada con respecto al eje longitudinal (Y) del cojinete (10) de empuje, una almohadilla (30) de cojinete que está en contacto con la superficie (12) de empuje del collarín (11) de empuje y que puede moverse en un asiento (18) de almohadilla proporcionado en la estructura (20) de soporte, comprendiendo el asiento (18) de almohadilla una primera porción (18a) adyacente al collarín (11) de empuje y una segunda porción (18b) adyacente longitudinalmente a la primera porción (18a), teniendo la primera porción (18a) una primera extensión radial (R1) y teniendo la segunda porción (18b) una segunda extensión radial (R2) mayor que la primera extensión radial (R1), estando la primera extensión radial (R1) y la segunda extensión radial (R2) orientadas transversalmente con respecto al eje longitudinal (Y), comprendiendo la almohadilla (30) de cojinete una primera porción (30a) acoplada con la primera porción (18a) del asiento (18) de almohadilla, una segunda porción (30b) acoplada con la segunda porción (18b) del asiento (18) de almohadilla y un reborde (18c) formado entre la primera porción (18a) y la segunda porción (18b) del asiento (18) de almohadilla que impide que la almohadilla (30) de cojinete se salga del asiento (18) de almohadilla en la dirección longitudinal hacia el collarín (11) de empuje, una placa (45) de empuje fijada a la estructura (20) de soporte, opuesta a la almohadilla (30) de cojinete, en el que se interpone al menos un elemento (40) de resorte entre la almohadilla (30) de cojinete y la placa (45) de empuje, caracterizado por comprender la almohadilla (30) de cojinete un elemento (31) macho y un elemento (32) hembra acoplados entre sí con holgura, estando el elemento (31) macho insertado en una cavidad (33) del elemento (32) hembra permitiendo una inclinación relativa entre el elemento (31) macho y el elemento (32) hembra alrededor de un eje ortogonal al eje longitudinal (Y).

Description

DESCRIPCIÓN
Cojinete de empuje para una turbina eólica
Campo de invención
La presente invención se refiere a un cojinete de empuje para una turbina eólica.
Antecedentes de la técnica
El tamaño cada vez mayor de las turbinas eólicas y la tendencia hacia turbinas marítimas imponen altas demandas sobre la capacidad de servicio y robustez que los sistemas de cojinetes de elementos rodantes actuales no pueden proporcionar. Además, debido al hecho de que turbinas eólicas grandes tienen grandes desviaciones de árbol dinámicas, altas cargas y bajas velocidades, hace difícil que los cojinetes lisos funcionen y duren en la vida útil requerida.
Los diseños de turbina eólica convencionales usan cojinetes de rodillos o cojinetes de bolas convencionales para soportar el tren de transmisión, el generador en turbinas de accionamiento directo y el buje con palas. Cuando tales cojinetes de rodillos o cojinetes de bolas convencionales tienen que sustituirse, por ejemplo, al final de su ciclo de vida, esto sólo puede realizarse desensamblando el tren de transmisión, el generador y/o el buje con pala. Estas operaciones requieren el uso de una capacidad de grúa costosa. Tales costes son especialmente altos para turbinas eólicas ubicadas en alta mar, para las que tiene que usarse un barco elevador.
Una solución al problema anterior es el uso de cojinetes de fluido en lugar de cojinetes de rodillos o cojinetes de bolas.
Otra solución al problema anterior es potenciar la capacidad de servicio de los cojinetes de rodillos o cojinetes de bolas a un nivel superior. En particular, se conoce que la integridad estructural de cojinetes de bolas o rodillos se ve significativamente comprometida por cualquier movimiento axial provocado por fuerzas de empuje axiales.
Por tanto, la capacidad de servicio de los cojinetes de rodillos o cojinetes de bolas puede mejorarse absorbiendo completamente o al menos en parte tales fuerzas de empuje axiales.
Además, es importante adicionalmente en turbinas eólicas conocer el valor de tal fuerza de empuje axial. La medición de la fuerza de empuje sobre el rotor de turbina eólica proporciona una cantidad significativa de información acerca del estado de funcionamiento de la turbina. La información puede usarse por el sistema de control para reducir la carga sobre componentes principales, por ejemplo la torre, palas, etc.
Una manera habitual de medir el empuje del rotor es midiendo el esfuerzo en las raíces de pala individuales y transformando la medida en empuje de rotor colectivo. La medición del esfuerzo se realiza habitualmente usando galgas extensiométricas o más recientemente sensores de fibra de Bragg. Otro método es medir el esfuerzo sobre una estructura de soporte principal sobre la turbina por ejemplo el árbol principal.
El principal problema con estos enfoques es que las galgas extensiométricas necesitan mantenimiento durante su vida útil y, para estructuras complejas como el árbol principal de una turbina de accionamiento directo, la distribución de esfuerzos es compleja haciendo que la colocación de las galgas extensiométricas y las transformaciones de esfuerzo en empuje sea un problema crítico.
Un objetivo de la presente invención es proporcionar un cojinete de empuje para una turbina eólica, que absorba las fuerzas de empuje axiales, que actúan sobre cojinetes de bolas o de rodillos o de fluido, con el fin de potenciar la capacidad de servicio de la turbina eólica. Es deseable que el propio cojinete de empuje proporcione un nivel potenciado de capacidad de servicio permitiendo un mantenimiento y sustitución fáciles del cojinete de empuje. El documento US 2.778.696 da a conocer un cojinete de empuje con almohadillas de cojinete según el preámbulo de la reivindicación 1.
Un objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un cojinete de empuje para una turbina eólica, que permita un método robusto, económico y sencillo para medir la fuerza de empuje que actúa sobre el cojinete de empuje.
Sumario de la invención
Esta necesidad puede cumplirse por el objeto según las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes describen realizaciones ventajosas de la presente invención.
Según la invención se proporciona un cojinete de empuje para una turbina eólica según la reivindicación 1.
Este diseño potencia la capacidad de servicio del cojinete principal (cojinete de bolas o de rodillos o de fluido) a un nivel superior, con respecto a las soluciones conocidas, permitiendo la sustitución sin el uso de una grúa principal (o barco de elevación) o incluso herramientas especiales instaladas en la turbina. Cuando los resortes se desgastan o rompen, la turbina eólica puede continuar funcionando y la sustitución puede realizarse durante un servicio de mantenimiento planificado. Cada almohadilla de cojinete puede retirarse, inspeccionarse y someterse a servicio de manera individual y sin mover el árbol para descargar el cojinete de empuje.
Cualquier fuerza de empuje que actúa sobre la almohadilla de cojinete da como resultado un movimiento axial pequeño hasta que se alcanza el equilibrio entre la fuerza de empuje y la fuerza de resorte opuesta en el elemento de resorte. Esto significa que la fuerza de empuje puede medirse mediante la deformación del elemento de resorte. La medición de una deformación para obtener el valor de la fuerza de empuje es mucho más sencilla y robusta que la medición de esfuerzo.
En realizaciones de la presente invención la almohadilla de cojinete comprende una capa de baja fricción que está en contacto con la superficie de empuje del collarín de empuje.
Ventajosamente, esto permite el contacto de baja fricción entre la almohadilla y el collarín de empuje reduciendo, por tanto, el desgaste.
En realizaciones de la presente invención, la almohadilla de cojinete tiene preferiblemente forma anular alrededor del eje longitudinal del cojinete de empuje.
Alternativamente, la almohadilla de cojinete puede tener otra forma o puede no estar distribuida de manera continua alrededor del eje longitudinal del cojinete de empuje.
En realizaciones de la presente invención al menos una porción de la almohadilla de cojinete presenta una sección decreciente con respecto al asiento de almohadilla. En particular, al menos una porción de la almohadilla de cojinete puede tener una sección cónica. Ventajosamente, esto impide el bloqueo de la almohadilla de cojinete con respecto al asiento de almohadilla.
Según la invención, la almohadilla de cojinete comprende un elemento macho y un elemento hembra acoplados entre sí con holgura, estando el elemento macho insertado en una cavidad del elemento hembra permitiendo una inclinación relativa entre el elemento macho y el elemento hembra alrededor de un eje ortogonal al eje longitudinal. Ventajosamente, esto permite corregir la desalineación de la almohadilla de cojinete con respecto al collarín de empuje y el eje longitudinal del cojinete de empuje.
Según realizaciones de la invención, el elemento de resorte comprende al menos un resorte de acero o polímero. Particularmente, el elemento de resorte comprende al menos un resorte helicoidal o un resorte Belleville o una capa de elastómero.
Cualquier tipo de elemento de resorte puede asociarse a un sistema para medir la deformación para determinar la fuerza de empuje que actúa sobre el cojinete de empuje.
Particularmente, según realizaciones de la presente invención, la capa de elastómero está unida a unos discos de acero.
Más particularmente, según una realización específica de la presente invención, el elemento de resorte incluye una pila que tiene una pluralidad de capas de elastómero unidas a discos de acero respectivos. Cada capa de elastómero puede encolarse a los discos de acero respectivos para mejorar la adhesión.
Los aspectos definidos anteriormente y aspectos adicionales de la presente invención resultan evidentes a partir de los ejemplos de realización que van a describirse a continuación en el presente documento y se explican con referencia a los ejemplos de realización. La invención se describirá con más detalle a continuación en el presente documento con referencia a ejemplos de realización pero a los cuales no se limita la invención.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra una vista en sección esquemática de una primera realización de cojinete de empuje para una turbina eólica según la presente invención.
La figura 2 muestra una vista en sección esquemática de un ejemplo de cojinete de empuje para una turbina eólica que no forma parte de la presente invención.
La figura 3 muestra una vista en sección esquemática de un segundo ejemplo de cojinete de empuje para una turbina eólica que no forma parte de la presente invención.
La figura 4 muestra una vista en sección esquemática de un tercer ejemplo de cojinete de empuje para una turbina eólica que no forma parte de la presente invención.
Descripción detallada
Las ilustraciones en los dibujos son esquemáticas. Se indica que, en diferentes figuras, se proporcionan elementos o características similares o idénticos con los mismos signos de referencia. Con el fin de evitar repeticiones innecesarias, los elementos o características que ya se han descrito con respecto a una realización o ejemplo no se describen de nuevo adicionalmente en la descripción.
La figura 1 muestra una realización de un cojinete 10 de empuje para una turbina eólica, según la presente invención. Las figuras 2 a 3 muestran ejemplos de cojinetes de empuje que no forman parte de la presente invención. El cojinete 10 de empuje comprende un collarín 11 de empuje que puede rotar alrededor de un eje longitudinal Y del cojinete 10 de empuje. El collarín 11 de empuje es un disco unido a un árbol 13 de la turbina eólica. El árbol 13 se extiende longitudinalmente con respecto al eje longitudinal Y y es propenso a rotar alrededor del eje longitudinal Y.
A continuación, los términos “longitudinal”, “radial” y “circunferencial” se refieren, cuando no se especifica lo contrario, al eje longitudinal Y del cojinete 10 de empuje.
El collarín 11 de empuje comprende dos superficies 12, 14 planas circulares principales, incluyendo una primera superficie 12 de empuje para transferir una fuerza de empuje del cojinete 10 de empuje a otros componentes del cojinete 10 de empuje, tal como se detalla mejor a continuación, y una segunda superficie 14 opuesta. Las dos superficies principales del collarín 11 de empuje están orientadas transversalmente con respecto al eje longitudinal Y. En particular, las dos superficies 12, 14 planas circulares principales pueden estar orientadas radialmente con respecto al eje longitudinal Y.
El cojinete 10 de empuje comprende además:
una estructura 20 de soporte fijada con respecto al eje longitudinal Y del cojinete 10 de empuje, y
una almohadilla 30 de cojinete que está en contacto con la superficie 12 de empuje del collarín 11 de empuje y que puede moverse sobre un asiento 18 de almohadilla proporcionado en la estructura 20 de soporte.
La almohadilla 30 de cojinete tiene forma anular alrededor del eje longitudinal Y del cojinete 10 de empuje.
El cojinete 10 de empuje comprende además al menos un elemento 40 de resorte que está interpuesto entre la almohadilla 30 de cojinete y la estructura 20 de soporte.
Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas) la almohadilla 30 de cojinete tiene una forma diferente. En todas las realizaciones de la presente invención la almohadilla 30 de cojinete proporciona la transferencia de una fuerza de empuje entre el collarín 11 de empuje y el elemento 40 de resorte.
El asiento 18 de almohadilla tiene una forma correspondiente a la forma de la almohadilla 30 de cojinete y permite que la almohadilla 30 de cojinete se traslade al menos a lo largo de una dirección paralela al eje longitudinal Y. En un lado del elemento 40 de resorte opuesto a la almohadilla 30 de cojinete, el elemento 40 de resorte está en contacto con una placa 45 de empuje, que está fijada a la estructura 20 de soporte por medio de una pluralidad de tornillos 46.
El elemento 40 de resorte está interpuesto entre la almohadilla 30 de cojinete y la placa 45 de empuje, de tal manera que la fuerza de empuje desde el collarín 11 de empuje se transfiere a la placa 45 de empuje a través del elemento 40 de resorte.
La fuerza de empuje hace que el elemento 40 de resorte se deforme. El cojinete 10 de empuje incluye un sistema (no mostrado) para medir tal deformación y calcular en consecuencia la fuerza de empuje que actúa sobre el collarín 11 de empuje.
La almohadilla 30 de cojinete, en una cara que está en contacto con la superficie 12 de empuje del collarín 11 de empuje, comprende una capa 35 de baja fricción para reducir la fricción provocada por el contacto entre la almohadilla 30 de cojinete y el collarín 11 de empuje y debido a la rotación del collarín 11 de empuje.
Con referencia a la realización y ejemplos de las figuras 1 a 3, el asiento 18 de almohadilla comprende una primera porción 18a y una segunda porción 18b, adyacentes longitudinalmente entre sí. La primera porción 18a tiene una primera extensión radial R1 mientras que la segunda porción 18b tiene una segunda extensión radial R2, mayor que la primera extensión radial R1. La primera porción 18a es adyacente al collarín 11 de empuje mientras que la segunda porción 18b es adyacente a la placa 45 de empuje y aloja el elemento 40 de resorte.
En consecuencia, la almohadilla 30 de cojinete comprende una primera porción 30a acoplada con la primera porción 18a del asiento 18 de almohadilla y una segunda porción 30b acoplada con la segunda porción 18b del asiento 18 de almohadilla. El reborde 18c entre la primera porción 18a y la segunda porción 18b del asiento 18 de almohadilla impide que la almohadilla 30 de cojinete se salga del asiento 18 de almohadilla en la dirección longitudinal hacia el collarín 11 de empuje.
El reborde 18c también permite cargar previamente el elemento 40 de resorte cuando se ensambla en el cojinete de empuje. Si el elemento 40 de resorte es demasiado largo se cargará previamente cuando se fije la placa 45 a la estructura 20 de soporte con pernos 46.
Con referencia específica a la realización de la figura 1, la almohadilla 30 de cojinete comprende un elemento 31 macho y un elemento 32 hembra acoplados entre sí con holgura para corregir la desalineación de la almohadilla 30 de cojinete con respecto al collarín 11 de empuje y al eje longitudinal Y.
El elemento 31 macho incluye una protuberancia 31a longitudinal insertada en una cavidad 33 del elemento 32 hembra permitiendo una inclinación relativa entre el elemento 31 macho y el elemento 32 hembra alrededor de un eje ortogonal al eje longitudinal Y.
La almohadilla 30 de cojinete está orientada de tal manera que el elemento 31 macho está en contacto con la superficie 12 de empuje del collarín 11 de empuje y el elemento 32 hembra está en contacto con el elemento 40 de resorte. La segunda porción 30b de la almohadilla 30 de cojinete se proporciona en el elemento 32 hembra, que está acoplado tanto con la primera porción 18a como con la segunda porción 18b del asiento 18 de almohadilla.
Con referencia específica al ejemplo de la figura 2, la almohadilla 30 de cojinete está realizada de un único elemento macizo, en el que tanto la primera porción 30a como la segunda porción 30b se extienden en la dirección longitudinal paralela a la primera porción 18a y segunda porción 18b respectivas del asiento 18 de almohadilla. Con referencia específica al ejemplo de la figura 3, la almohadilla 30 de cojinete se realiza de un único elemento macizo, en el que la primera porción 30a se extiende en la dirección longitudinal paralela pero separada de la primera porción 18a respectiva del asiento 18 de almohadilla. La segunda porción 30b presenta una sección decreciente con respecto a la segunda porción 18b respectiva del asiento 18 de almohadilla. En particular, la segunda porción 30b es cónica en la vista en sección de la figura 3. Tal diseño de la almohadilla 30 de cojinete impide el bloqueo con respecto al asiento 18 de almohadilla.
En la realización y los ejemplos de las figuras 1 a 3 el elemento 40 de resorte comprende una pluralidad de capas 41 de elastómero y una pluralidad de discos 42 de acero. Las capas 41 de elastómero y los discos 42 de acero se interponen entre sí para crear una pila en la que cada capa 41 de elastómero se interpone entre dos discos 42 de acero respectivos o entre un disco 42 de acero y la almohadilla 30 de cojinete o entre un disco 42 de acero y la placa 45 de empuje.
Cada capa 41 de elastómero se une mediante encolado a un disco 42 de acero respectivo para mejorar la adhesión. En el ejemplo de la figura 4, la almohadilla 30 de cojinete incluye una protuberancia 36 longitudinal que se extiende hacia la placa 45 de empuje pero separada longitudinalmente de la placa 45 de empuje. El elemento 40 de resorte incluye un resorte de acero o polímero alojado en el asiento 18 de almohadilla alrededor de la protuberancia 36 longitudinal y activo entre un reborde 37 de la almohadilla 30 de cojinete y la placa 45 de empuje.
El resorte 40 de acero o polímero en el ejemplo de la figura 4 puede ser un resorte helicoidal o un resorte Belleville u otro tipo de resorte que puede de transferir la fuerza de empuje desde el collarín 11 de empuje hasta la placa 45 de empuje.
Puede preferirse un resorte de polímero en algunas realizaciones de la presente invención teniendo en cuenta que tal tipo de resorte produce una fuerza de reacción incluso en caso de rotura, desgaste o degeneración lenta.
Debe observarse que el término “que comprende” no excluye otros elementos o etapas y el uso de artículos “un” o “una” no excluye una pluralidad. También debe observarse que no debe interpretarse que los signos de referencia en las reivindicaciones limiten el alcance de las reivindicaciones.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Cojinete (10) de empuje para una turbina eólica que comprende:
    un collarín (11) de empuje que puede rotar alrededor de un eje longitudinal (Y) del cojinete (10) de empuje y que tiene una superficie (12) de empuje orientada transversalmente con respecto al eje longitudinal (Y), una estructura (20) de soporte fijada con respecto al eje longitudinal (Y) del cojinete (10) de empuje, una almohadilla (30) de cojinete que está en contacto con la superficie (12) de empuje del collarín (11) de empuje y que puede moverse en un asiento (18) de almohadilla proporcionado en la estructura (20) de soporte, comprendiendo el asiento (18) de almohadilla una primera porción (18a) adyacente al collarín (11) de empuje y una segunda porción (18b) adyacente longitudinalmente a la primera porción (18a), teniendo la primera porción (18a) una primera extensión radial (R1) y teniendo la segunda porción (18b) una segunda extensión radial (R2) mayor que la primera extensión radial (R1), estando la primera extensión radial (R1) y la segunda extensión radial (R2) orientadas transversalmente con respecto al eje longitudinal (Y), comprendiendo la almohadilla (30) de cojinete una primera porción (30a) acoplada con la primera porción (18a) del asiento (18) de almohadilla, una segunda porción (30b) acoplada con la segunda porción (18b) del asiento (18) de almohadilla y un reborde (18c) formado entre la primera porción (18a) y la segunda porción (18b) del asiento (18) de almohadilla que impide que la almohadilla (30) de cojinete se salga del asiento (18) de almohadilla en la dirección longitudinal hacia el collarín (11) de empuje,
    una placa (45) de empuje fijada a la estructura (20) de soporte, opuesta a la almohadilla (30) de cojinete, en el que se interpone al menos un elemento (40) de resorte entre la almohadilla (30) de cojinete y la placa (45) de empuje,
    caracterizado por
    comprender la almohadilla (30) de cojinete un elemento (31) macho y un elemento (32) hembra acoplados entre sí con holgura, estando el elemento (31) macho insertado en una cavidad (33) del elemento (32) hembra permitiendo una inclinación relativa entre el elemento (31) macho y el elemento (32) hembra alrededor de un eje ortogonal al eje longitudinal (Y).
  2. 2. Cojinete (10) de empuje según la reivindicación 1, en el que la almohadilla (30) de cojinete comprende una capa (35) de baja fricción que está en contacto con la superficie (12) de empuje del collarín (11) de empuje.
  3. 3. Cojinete (10) de empuje según la reivindicación 1 ó 2, en el que la almohadilla (30) de cojinete tiene forma anular alrededor del eje longitudinal (Y) del cojinete (10) de empuje.
  4. 4. Cojinete (10) de empuje según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una porción de la almohadilla (30) de cojinete presenta una sección decreciente con respecto al asiento (18) de almohadilla para impedir el bloqueo de la almohadilla (30) de cojinete con respecto al asiento (18) de almohadilla.
  5. 5. Cojinete (10) de empuje según la reivindicación 4, en el que al menos una porción de la almohadilla (30) de cojinete tiene una sección cónica.
  6. 6. Cojinete (10) de empuje según la reivindicación 1, en el que el elemento (31) macho está en contacto con la superficie (12) de empuje del collarín (11) de empuje y el elemento (32) hembra está en contacto con el elemento (40) de resorte.
  7. 7. Cojinete (10) de empuje según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento (40) de resorte comprende al menos un resorte de acero o polímero.
  8. 8. Cojinete (10) de empuje según la reivindicación 7, en el que el elemento (40) de resorte comprende al menos un resorte helicoidal o un resorte Belleville.
  9. 9. Cojinete (10) de empuje según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el elemento (40) de resorte comprende al menos una capa (41) de elastómero.
  10. 10. Cojinete (10) de empuje según la reivindicación 9, en el que la capa (41) de elastómero está unida a un disco (42) de acero.
  11. 11. Cojinete (10) de empuje según la reivindicación 10, en el que el elemento (40) de resorte comprende una pila de una pluralidad de capas (41) de elastómero unidas a discos (42) de acero respectivos.
  12. 12. Cojinete (10) de empuje según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye además un sistema para medir la deformación del elemento (40) de resorte.
  13. 13. Cojinete (10) de empuje según la reivindicación 12, que incluye además un sistema para medir la deformación del elemento (40) de resorte para calcular la fuerza de empuje que actúa sobre el collarín (11) de empuje.
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