ES2906786T3

ES2906786T3 - Disposición de rodamiento principal compuesto para una turbina eólica

Info

Publication number: ES2906786T3
Application number: ES18181922T
Authority: ES
Inventors: Ian David Wilson; Edward Lee Mcgrath
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-07-14
Filing date: 2018-07-05
Publication date: 2022-04-20
Anticipated expiration: 2038-07-05
Also published as: DK3428448T3; US10385830B2; EP3428448A1; EP3428448B1; US20190017496A1

Abstract

Un tren de potencia de una turbina eólica (10), comprendiendo el tren de potencia: un buje (20) rotatorio, una multiplicadora (36), un eje de rotor (32) rotatorio que se extiende entre el buje (20) rotatorio y la multiplicadora (36), y un conjunto de rodamiento principal (48) que soporta el eje de rotor (32) rotatorio, comprendiendo el conjunto de rodamiento principal (48) una brida de eje (74) para acoplar de forma extraíble el eje de rotor (32) rotatorio al buje (20) rotatorio y una carcasa de rodamiento principal (46) que encierra uno o más rodamientos compuestos (60), comprendiendo cada uno de los uno o más rodamientos compuestos (60) al menos dos rodamientos de empuje axiales (52, 54) y un rodamiento radial (58), en el que los uno o más rodamientos compuestos (60) comprenden además componentes de pista de rodadura (72) rotatorios dispuestos contiguos a los al menos dos rodamientos de empuje axiales (52, 54) y el rodamiento radial (58) configurados como superficies de pista de rodadura radial interior y exterior axial, respectivamente, en el que la brida de eje (74) está fijada a los componentes de pista de rodadura (72) rotatorios, y en el que la brida de eje (74) comprende además una brida de retención (76) extraíble configurada para retener los uno o más rodamientos compuestos (60) en el interior del conjunto de rodamiento principal (48).

Description

DESCRIPCIÓN

Disposición de rodamiento principal compuesto para una turbina eólica

[0001] La presente materia se refiere, en general, a turbinas eólicas y, más en particular, a disposiciones de rodamiento principal compuesto para ejes principales rotatorios de turbinas eólicas.

[0002] En general, una turbina eólica incluye una torre, una góndola montada en la torre y un rotor acoplado a la góndola. El rotor incluye, en general, un buje rotatorio y una pluralidad de palas de rotor acopladas a, y que se extienden hacia afuera desde, el buje. Cada pala de rotor se puede espaciar alrededor del buje para facilitar la rotación del rotor y posibilitar que la energía cinética se convierta en energía mecánica utilizable, que, a continuación, se puede transmitir a un generador eléctrico dispuesto dentro de la góndola para la producción de energía eléctrica. Típicamente, se usa una multiplicadora para accionar el generador eléctrico en respuesta a la rotación del rotor. Por ejemplo, la multiplicadora se puede configurar para convertir una entrada de baja velocidad y alto par de torsión proporcionada por el rotor en una salida de alta velocidad y bajo par de torsión que puede accionar el generador eléctrico.

[0003] Una turbina eólica típicamente incluye muchos rodamientos que proporcionan un movimiento relativo entre piezas contiguas de una manera relativamente eficaz y de baja fricción. Por ejemplo, en la mayoría de las turbinas eólicas, un "eje principal" se extiende desde el rotor y hacia la góndola y está soportado por uno o más "rodamientos principales". Además, la multiplicadora en la góndola que aumenta la velocidad angular del eje principal incluye varios rodamientos. Además, el sistema de control de orientación que hace rotar la góndola con respecto a la torre para girar el rotor hacia adentro/afuera del viento, y el sistema de control de pitch que hace rotar las palas alrededor de su eje longitudinal también incluyen diversos rodamientos que permiten una operación potenciada de la turbina eólica.

[0004] Convencionalmente, estos rodamientos principales están configurados como rodamientos de elementos de rodillo caracterizados por tener un elemento estructural (por ejemplo, un rodamiento de bolas) dispuesto entre los dos componentes que se mueven uno con respecto al otro. Los rodamientos de elementos de rodillo fallan por una serie de motivos, pero, en última instancia, su vida está limitada por la fatiga y desgaste superficiales. Dichos componentes de vida limitada requieren un mantenimiento regular para evitar los modos de fallos a mayor escala. Las piezas de repuesto y el mantenimiento para dichos componentes con vida limitada incrementan los costes globales de funcionamiento de una turbina eólica.

[0005] En consecuencia, los fabricantes de turbinas eólicas y rodamientos se esfuerzan por lograr diseños mejorados o alternativos que extiendan la vida útil de los rodamientos.

[0006] Los rodamientos lisos, en general, son conocidos en la técnica por tener una larga vida útil. El motivo principal de esto es que, a diferencia de los rodamientos de elementos de rodillo, los rodamientos lisos no tienen ningún elemento estructural dispuesto entre los dos componentes en movimiento relativo, sino que solo tienen una película de fluido dispuesta entre los mismos. Por lo tanto, se pueden evitar los problemas de desgaste y fatiga asociados con los elementos de rodillo, así como los costes asociados con su reemplazo y mantenimiento. En consecuencia, los rodamientos lisos parecen proporcionar una alternativa atractiva a los rodamientos de elementos de rodillo. Además, los rodamientos lisos están diseñados para eliminar el contacto entre superficies y, por tanto, funcionan con incluso menor fricción, lo que puede incrementar además la eficacia.

[0007] Debido a la imprevisibilidad del viento, los arranques y paradas que se producen con las turbinas eólicas y el intervalo de condiciones de funcionamiento resultante, los fabricantes han confiado tradicionalmente en los rodamientos de elementos de rodillo. Sin embargo, solo los rodamientos de elementos de rodillo a veces son insuficientes para las turbinas eólicas que están sujetas a grandes cargas de flexión provocadas por las variables velocidades del viento y direcciones alrededor del área barrida por el rotor. Estas cargas de flexión se transfieren al eje de rotor y reaccionan a través de los rodamientos principales de rotor. Las cargas de flexión son más dominantes que las demás cargas cortantes y axiales y típicamente reaccionan al armazón principal estático a través de un par de rodamientos cargados predominantemente de forma radial espaciados de forma axial. Cuando el espaciado axial es corto, los rodamientos están altamente cargados y son costosos. Cuando están espaciados, son menos costosos, pero requieren un eje principal más largo y más costoso.

[0008] Con este fin, sería deseable utilizar rodamientos lisos, opcionalmente en combinación con rodamientos de elementos de rodillo, en un rodamiento principal compuesto de turbina eólica que sea de configuración simple, pequeña y compacta y pueda soportar de forma estable cargas radiales y cargas axiales, así como incrementar la vida útil de los rodamientos y disminuir los costes asociados con el reemplazo y mantenimiento.

[0009] El documento US2012070280 divulga una turbina eólica, que comprende una torre, una góndola contigua a una parte superior de la torre, palas que se extienden desde un buje para hacer rotar un rotor, un eje rotatorio principal acoplado al rotor que se extiende dentro de la góndola y un conjunto de rodamiento principal acoplado a un bastidor de la góndola para soportar el eje. El conjunto de rodamiento principal incluye una superficie de rodamiento formada en un elemento insertable de rodamiento donde se forman cavidades para recibir segmentos de empuje para acomodar la carga del eje rotatorio principal.

[0010] El documento US2010215307 se refiere a un rodamiento axial-radial para un rodamiento principal de eje de rotor de turbina eólica que comprende un disco exterior en forma de aro dispuesto de forma vertical, y un aro interior dispuesto de forma coaxial con respecto al disco exterior. Dos discos de eje en forma de aro están dispuestos de forma axial contiguos al disco exterior en ambos lados, cada uno con al menos una hilera de cuerpos rodantes sostenidos por una jaula de rodamiento, en rodamiento entre los dos discos de eje y el disco exterior para absorber fuerzas axiales. Al menos otra hilera de cuerpos rodantes está dispuesta entre el disco exterior y el aro interior formando un tercer rodamiento de rodillos para absorber las fuerzas radiales.

[0011] El documento EP2568167 muestra una turbina eólica de accionamiento directo que comprende un rotor conectado directamente con un tren de potencia rotatorio que está conectado con una pieza estacionaria de la turbina eólica por medio de al menos un rodamiento de contacto plano que comprende al menos una superficie de deslizamiento cilíndrica para soportar cargas radiales en el tren de potencia, y al menos dos superficies de rodamiento radial (con un área de superficie para soportar cargas axiales y momentos de flexión en el tren de potencia.

[0012] El documento EP1677005 divulga una turbina eólica que comprende una góndola montada en una torre. En la góndola, está dispuesto un eje principal en el que se encaja una pala rotatoria. El eje principal está conectado a un eje de entrada de la multiplicadora y está soportado en la góndola por medio de un rodamiento de rodillos ahusados que puede comprender una hilera de rodillos que reciben una carga radial y un par de hileras de rodillos que reciben una carga de empuje. El rodamiento de rodillos se proporciona de forma coaxial con el eje principal entre un extremo en dirección axial del eje principal y una parte de pared, que sobresale desde una parte de conexión entre un cuerpo de concha de góndola y una parte de piso de góndola, para soportar de forma rotatoria el eje principal alrededor del eje del eje principal. Por tanto, el eje principal está soportado en la parte de pared por medio del rodamiento de rodillos ahusados de doble hilera.

[0013] Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden ser evidentes a partir de la descripción, o se pueden aprender a través de la práctica de la invención.

[0014] La presente invención se refiere a un tren de potencia de acuerdo con la reivindicación 1 y a una turbina eólica que comprende este tren de potencia de acuerdo con la reivindicación 6.

[0015] En un aspecto, se divulga un tren de potencia de una turbina eólica como que tiene un buje rotatorio, una multiplicadora, un eje de rotor rotatorio que se extiende entre el buje rotatorio y la multiplicadora, y un conjunto de rodamiento principal que soporta el eje de rotor rotatorio, teniendo el conjunto de rodamiento principal una carcasa de rodamiento principal que encierra uno o más rodamientos compuestos, teniendo cada uno de los uno o más rodamientos compuestos al menos dos rodamientos de empuje axiales y un rodamiento radial.

[0016] En otro aspecto, se divulga una turbina eólica como que tiene una torre; una góndola montada encima de la torre; un generador y soporte de rodamiento acoplado a un armazón principal dentro de la góndola; una multiplicadora acoplada al generador por medio de un eje de generador; un buje rotatorio; un eje de rotor rotatorio que se extiende entre el buje rotatorio y la multiplicadora; y un conjunto de rodamiento principal acoplado con el soporte de rodamiento y que soporta el eje de rotor rotatorio, teniendo el conjunto de rodamiento principal una carcasa de rodamiento principal que encierra uno o más rodamientos compuestos, teniendo cada uno de los uno o más rodamientos compuestos al menos dos rodamientos de empuje axiales y un rodamiento radial.

[0017] Diversos rasgos característicos, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan en, y constituyen una parte de, la presente memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, conjuntamente con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.

[0018] En los dibujos:

la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica de construcción convencional;

la FIG. 2 ilustra una vista interior en perspectiva de un modo de realización de una góndola de una turbina eólica;

la FIG. 3 es un esquema de los componentes y carga en un conjunto de rodamiento principal compuesto ejemplar;

la FIG. 4 es una perspectiva de un conjunto de rodamiento principal compuesto ejemplar;

la FIG. 5 es una perspectiva de un conjunto de rodamiento principal compuesto ejemplar que muestra rodamientos lisos axiales con segmento basculantes.

[0019] Se pretende que el uso repetido de caracteres de referencia en la presente memoria descriptiva y dibujos represente idénticos o análogos rasgos característicos o elementos de la presente divulgación.

[0020] Ahora se hará referencia en detalle a modos de realización de la invención, ilustrándose uno o más de sus ejemplos en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona por medio de explicación de la invención, no de limitación de la invención. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden realizar diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, los rasgos característicos ilustrados o descritos como parte de un modo de realización se pueden usar con otro modo de realización para proporcionar todavía otro modo de realización. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones que estén dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

[0021] En general, la presente materia objeto divulga una disposición de rodamiento compuesto para gestionar cargas que previamente reaccionaron al armazón principal a través de un par de rodamientos cargados predominantemente de forma radial espaciados de forma axial. Cuando el espaciado axial entre el par de rodamientos es corto, los rodamientos están altamente cargados y son costosos. Cuando están espaciados, son menos costosos, pero requieren un eje más largo y más costoso. Si los rodamientos tienen un espaciado axial muy corto, pero son de mayor diámetro, la carga de reacción predominante en los rodamientos está en dirección axial, por lo que los momentos pueden reaccionar por rodamientos axiales que, aunque de mayor diámetro, pueden ser más compactos y, de ahí, menos costosos. Cuando se usan rodamientos axiales de mayor diámetro, las cargas radiales (verticales y laterales) típicamente son mucho más pequeñas y pueden reaccionar por un rodamiento radial económico más pequeño.

[0022] En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica 10 de construcción convencional. Como se muestra, la turbina eólica 10 incluye una torre 12 que se extiende desde una superficie de soporte 14, una góndola 16 montada en la torre 12 y un rotor 18 acoplado a la góndola 16. El rotor 18 incluye un buje 20 rotatorio y al menos una pala de rotor 22 acoplada a y que se extiende hacia afuera del buje 20. Por ejemplo, en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 incluye tres palas de rotor 22. Sin embargo, en un modo de realización alternativo, el rotor 18 puede incluir más o menos de tres palas de rotor 22. Cada pala de rotor 22 se puede espaciar alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 para posibilitar que la energía cinética se transfiera, a partir del viento, en energía mecánica utilizable y, posteriormente, energía eléctrica. Por ejemplo, el buje 20 se puede acoplar de forma rotatoria a un generador eléctrico 24 (FIG. 2) situado dentro de la góndola 16 para permitir que se produzca energía eléctrica.

[0023] En referencia ahora a la FIG. 2, se ilustra una vista interna simplificada de un modo de realización de una góndola 16 de una turbina eólica 10. Como se muestra, un generador 24 se puede disponer dentro de la góndola 16. En general, el generador 24 se puede acoplar al rotor 18 de la turbina eólica 10 para producir potencia eléctrica a partir de la energía de rotación generada por el rotor 18. Por ejemplo, como se muestra en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 puede incluir un eje de rotor 32 acoplado al buje 20 para la rotación con el mismo. El eje de rotor 32, a su vez, se puede acoplar de forma rotatoria a un eje de generador 34, a veces denominado eje de alta velocidad (HSS), del generador 24 a través de una multiplicadora 36 que tiene un eje de salida de multiplicadora. Como se entiende, en general, el eje de rotor 32 puede proporcionar una entrada de baja velocidad y alto par de torsión a la multiplicadora 36 en respuesta a la rotación de las palas de rotor 22 y del buje 20. La multiplicadora 36 se puede configurar, a continuación, para convertir la entrada de baja velocidad y alto de par de torsión en una salida de alta velocidad y bajo par de torsión para accionar el eje de generador 34 (HSS), y por tanto, el generador 24.

[0024] Los rodamientos principales 40, a veces denominados rodamientos de rotor, están alojados en un conjunto de rodamiento principal 48 que está soportado por un soporte de rodamiento principal 42 fijado al armazón principal 44 de la turbina eólica con una carcasa de rodamiento principal 46 que encierra los rodamientos principales 40. Los rodamientos principales 40 se pueden configurar para reaccionar a la carga como se muestra en la FIG. 3, donde las cargas axiales 50 se imponen sobre un par de rodamientos de empuje axiales 52, 54 y las cargas radiales 56 se imponen sobre un rodamiento radial 58. Esta disposición de rodamiento principal 40 se denomina en el presente documento rodamiento compuesto 60.

[0025] Un modo de realización del conjunto de rodamiento principal 48 puede tener una carcasa de rodamiento principal 46 (no mostrado) que aloje el rodamiento compuesto 60 y se muestra además en las FIGS. 4 y 5 como una estructura de tres hileras con el segmento de rodamiento radial 62 situado en ángulos rectos (90 grados) desde los segmentos de rodamiento axial 64. Los segmentos de rodamiento axial 64 pueden ser contiguos a un espaciador estático 80 que sea extraíble para posibilitar el acceso y ensamblaje del rodamiento radial 58. El segmento de rodamiento radial 62 para el rodamiento radial 58 se puede disponer circunferencialmente alrededor de la superficie interior 66 de un anillo de pista de rodadura fijo 70. El anillo de pista de rodadura fijo 70 se puede acoplar a la carcasa de rodamiento principal 46. Los segmentos de rodamiento de empuje axial (al menos dos hileras) para los rodamientos de empuje axiales 52, 54 se pueden disponer circunferencialmente alrededor del eje de rotor 32 rotatorio en lados opuestos del anillo de pista de rodadura fijo 70. Los rodamientos de empuje axiales 52, 54 se pueden extender en dirección radial y disponerse en las primera y segunda superficies radiales 67, 68 opuestas del mismo anillo de pista de rodadura fijo 70. Los componentes de pista de rodadura 72 rotatorios se pueden fijar al eje de rotor 32 que tiene una brida de retención 76 extraíble que retiene el rodamiento compuesto 60 en el interior del conjunto de rodamiento principal 48, pero permite la extracción del rodamiento compuesto 60. Los uno o más rodamientos compuestos 60 pueden tener componentes de pista de rodadura 72 rotatorios dispuestos contiguos a los al menos dos rodamientos de empuje axiales 52, 54 y el rodamiento radial 58, con los componentes de pista de rodadura rotatorios configurados como la superficie de pista de rodadura radial interior y superficie de pista de rodadura exterior axial. El eje de rotor 32 se puede acoplar de forma extraíble al buje 20 rotatorio por medio de una brida de eje 74 con respecto al extremo opuesto del eje de rotor 32.

[0026] Se debe apreciar que los rodamientos de empuje axiales 52, 54 y el rodamiento radial 58 pueden ser elementos rodantes, por ejemplo, rodamientos de rodillos o rodamientos de bolas y/o rodamientos lisos. Todos los rodamientos también pueden ser rodamientos hidrostáticos o bien hidrodinámicos. El uso de rodamientos de empuje cargados de forma axial en lugar de rodamientos radiales cargados de forma vertical convencionales mejora la disposición de rodamiento principal para las turbinas eólicas. Los rodamientos de empuje hidrostáticos lisos, en lugar de los rodamientos de elementos rodantes convencionales, son un modo de realización que posibilita la mejora. Otro modo de realización mejorado es una combinación de rodamientos de elementos rodantes y lisos en la que el rodamiento radial pueda ser un elemento rodante y los rodamientos de empuje puedan ser rodamientos lisos.

[0027] El rodamiento compuesto se puede configurar específicamente de modo que los primer y segundo rodamientos de empuje axiales 52, 54 sean rodamientos lisos con segmentos basculantes 78 que posibiliten un movimiento basculante en al menos una dirección de rotación del rodamiento. Se puede aplicar un metal blanco o una capa de resina, de bajo coeficiente de fricción con respecto a las superficies de deslizamiento, a los segmentos basculantes 78. Se pueden insertar asientos de soporte elásticos con segmentos basculantes 78 para corregir cualquier desigualdad en la distribución de las cargas aplicadas a los segmentos basculantes 78.

[0028] Además, un mecanismo de lubricación para el rodamiento compuesto puede ser al menos una ranura de suministro de fluido, por ejemplo, aceite, que se pueda cortar en el anillo de pista de rodadura fijo, y al menos un orificio de suministro de fluido, que se comunique con la(s) ranura(s) de suministro de fluido, que pueda pasar a través de la superficie interior 66, la primera superficie axial 67 y la segunda superficie axial 68 del anillo de pista de rodadura fijo, suministrando así fluido lubricante (aceite) a los segmentos de rodamiento de empuje radial y axial.

[0029] Esta descripción escrita usa ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el modo preferente, y también para posibilitar que cualquier experto en la técnica ponga en práctica la invención, incluyendo la fabricación y el uso de cualquier dispositivo o sistema y realización de cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un tren de potencia de una turbina eólica (10), comprendiendo el tren de potencia:

un buje (20) rotatorio,

una multiplicadora (36),

un eje de rotor (32) rotatorio que se extiende entre el buje (20) rotatorio y la multiplicadora (36), y un conjunto de rodamiento principal (48) que soporta el eje de rotor (32) rotatorio, comprendiendo el conjunto de rodamiento principal (48) una brida de eje (74) para acoplar de forma extraíble el eje de rotor (32) rotatorio al buje (20) rotatorio y una carcasa de rodamiento principal (46) que encierra uno o más rodamientos compuestos (60), comprendiendo cada uno de los uno o más rodamientos compuestos (60) al menos dos rodamientos de empuje axiales (52, 54) y un rodamiento radial (58), en el que los uno o más rodamientos compuestos (60) comprenden además componentes de pista de rodadura (72) rotatorios dispuestos contiguos a los al menos dos rodamientos de empuje axiales (52, 54) y el rodamiento radial (58) configurados como superficies de pista de rodadura radial interior y exterior axial, respectivamente, en el que

la brida de eje (74) está fijada a los componentes de pista de rodadura (72) rotatorios, y en el que la brida de eje (74) comprende además una brida de retención (76) extraíble configurada para retener los uno o más rodamientos compuestos (60) en el interior del conjunto de rodamiento principal (48).

2. El tren de potencia de la reivindicación 1, en el que el conjunto de rodamiento principal (48) está acoplado a un soporte de rodamiento principal (42) que se extiende desde un armazón principal (44).

3. El tren de potencia de cualquier reivindicación precedente, en el que los uno o más rodamientos compuestos (60) comprenden además;

un segmento de rodamiento radial (62) dispuesto circunferencialmente alrededor de al menos una parte de una superficie interior (66) de un anillo de pista de rodadura fijo (70), y

al menos dos segmentos de rodamiento de empuje axial (64) dispuestos circunferencialmente alrededor del eje de rotor (32) rotatorio en lados opuestos del anillo de pista de rodadura fijo (70).

4. El tren de potencia de cualquier reivindicación precedente, en el que los al menos dos rodamientos de empuje axiales (52, 54) y los rodamientos radiales (58) comprenden al menos uno de rodamientos de rodillos, rodamientos lisos, rodamientos de bolas o combinaciones de los mismos.

5. El tren de potencia de cualquier reivindicación precedente, en el que cada uno de los al menos dos rodamientos de empuje axiales (52, 54) comprende al menos un segmento basculante (78) dispuesto con el mismo para posibilitar un movimiento basculante en al menos una dirección de rotación de los al menos dos rodamientos de empuje axiales (52, 54).

6. Una turbina eólica (10), que comprende:

una torre (12);

una góndola (16) montada encima de la torre (12);

un generador (24) y soporte de rodamiento (42) acoplado a un armazón principal (44) dentro de la góndola (16); y

el tren de potencia de cualquier reivindicación precedente.