ES2293554T3 - Ensamblaje que comprende una turbina de agua y un generador, cuyo rotor esta conectado directamente a cada una de las palas de la turbina. - Google Patents

Ensamblaje que comprende una turbina de agua y un generador, cuyo rotor esta conectado directamente a cada una de las palas de la turbina. Download PDF

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Abstract

Ensamblaje que comprende una turbina de agua (2) y un generador eléctrico rotatorio (1), cuyo rotor (4) está conectado a la turbina (2), comprendiendo dicha turbina (2) al menos tres palas dirigidas axialmente (5) caracterizado porque cada pala (5) está conectada individualmente directamente al rotor (4) del generador (1).

Description

Ensamblaje que comprende una turbina de agua y un generador, cuyo rotor está conectado directamente a cada una de las palas de la turbina.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un ensamblaje que comprende una turbina de agua y un generador eléctrico rotatorio, cuyo rotor está conectado a la turbina, turbina que comprende un conjunto de palas de al menos tres palas dirigidas axialmente.
Antecedentes de la invención
La presente invención está dirigida principalmente, aunque no únicamente, a aplicaciones de producción de energía eléctrica a partir de corrientes submarinas en los mares y cursos de agua. Las corrientes marinas pueden estar provocadas por el agua de las mareas, la temperatura o diferencias salinas, la fuerza de Coriolis de la rotación de la tierra tal como, por ejemplo, la Corriente del Golfo o de diferencia de nivel, por ejemplo, a cada lado de un brazo de mar.
La velocidad de flujo del agua en las corrientes marinas normalmente es bastante moderada, es decir, típicamente de sólo unos pocos m/s y puede suponer hasta 5 m/s como máximo. La velocidad de flujo en cursos de agua no regulados normalmente es de la misma magnitud pero puede aumentar rápidamente hasta 10-15 m/s.
Actualmente, la fuente de energía ofrecida por las corrientes submarinas está muy poco utilizada para la generación de electricidad. Esto depende por encima de todo de las dificultades para conseguir una tecnología económicamente competitiva para ello. En relación con esto, uno de los problemas es la baja velocidad de flujo. La utilización de energía a partir de dichos flujos supone que tienen que usarse turbinas que tienen un bajo número de revoluciones y un alto par de torsión.
En estas condiciones, un tipo de turbina conveniente es uno que tenga las palas dirigidas axialmente. Convencionalmente, dicho tipo está formado con las palas del mismo conectadas a un árbol mediante soportes dirigidos sustancialmente radialmente, dicho árbol a su vez está conectado al rotor del generador. En aplicaciones cuando se necesita una turbina de dimensiones relativamente grandes, las tensiones sobre la estructura que lleva las palas se hacen mayores. Esto puede implicar riesgo de distorsiones y oscilaciones en las construcciones, lo que puede conducir a deteriorar la geometría del ajuste de las palas con el consiguiente deterioro de eficacia. Esto puede ser especialmente susceptible si el flujo de agua que acciona la turbina es inestable, es decir, que ocurren fluctuaciones en la velocidad y dirección del flujo. Este puede ser el caso, por ejemplo, en ciertos tipos de corrientes submarinas donde los movimientos de las olas sobre la superficie y el agua de las mareas afectan a que el flujo sea estable en otros aspectos. Adicionalmente, la estructura requerida para soportar la carga hace a la turbina complicada y torpe.
El objeto de la presente invención es obviar o al menos reducir estos problemas.
El documento WO 03/016714 A describe un ensamblaje de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Sumario de la invención
El objeto indicado se ha conseguido por el hecho de que un ensamblaje de la clase definida en el preámbulo de la reivindicación 1 comprende la característica especial de que cada pala está conectada individualmente directamente al rotor del generador.
Por el hecho de que las palas las lleva directamente el rotor, se elimina la necesidad de una estructura que soporte la carga particular para el mismo. El rotor, que normalmente es un cuerpo relativamente sólido y robusto, asegura un buen soporte a las palas al menos en un extremo de las mismas. De esta manera, las palas consiguen posiciones mejor definidas y más estables. Adicionalmente, toda la complejidad del ensamblaje se reduce por el hecho de que la estructura que soporta la carga se simplifica mucho y está compuesta en gran medida por un componente que de todas formas está presente por otras razones. Por lo tanto, un ensamblaje de acuerdo con la invención se hace muy ventajoso en situaciones en las que se necesita un gran ensamblaje y en el que las condiciones de flujo no siempre son
estables.
De acuerdo con una realización preferida del ensamblaje, la turbina comprende un primer grupo de palas dirigidas hacia una primera dirección desde el rotor y un segundo grupo de palas dirigidas hacia la dirección opuesta al rotor, donde cada grupo comprende al menos tres palas.
Esto supone la ventaja de que todo el ensamblaje consigue una simetría que es favorable respecto a soportar los diferente tipos de fuerzas que pueden ocurrir. La disposición bidireccional supone también que cada pala puede acortarse, lo que da mayor estabilidad de forma a la parte de cada pala que está más lejos de la unión en el rotor. Como alternativa, puede proporcionarse una turbina que tiene una mayor longitud axial total.
De acuerdo con una realización adicional preferida, cada pala del primer grupo se dispone alineada con una pala del segundo grupo. De esta manera, la simetría del ensamblaje aumenta adicionalmente con características de operación aún más estables como consecuencia.
De acuerdo con una realización preferida adicional, las palas que se localizan co-alineadas están conectadas mecánicamente directamente entre sí. De esta manera, se consigue la ventaja de que las palas se estabilizan entre sí en pares por el hecho de que las fuerzas de torsión sobre una de las palas se compensan por las fuerzas de torsión en la otra.
De acuerdo con una realización preferida adicional, cada pala se soporta mediante medios de soporte. Aunque el ensamblaje de acuerdo con la invención en principio elimina la necesidad de permanecer separado del que se obtiene directamente del rotor, con frecuencia es ventajoso proporcionar las palas con un soporte complementario para mejorar la estabilidad de las palas. Sin embargo, los medios de soporte para las mismas pueden ser considerablemente más sencillos y más débiles que en una turbina convencional donde las palas están soportadas totalmente por una construcción de soporte. Esto es gracias a que las palas están soportadas fundamentalmente y consiguen estabilidad del rotor.
De acuerdo con una realización preferida adicional, los medios de soporte comprenden elementos que conectan las palas entre sí. De esta manera, se consigue la estabilidad de una forma sencilla.
De acuerdo con una realización preferida, dichos elementos se dirigen radialmente hacia dentro desde la pala respectiva y están conectados entre sí con los extremos más internos de los mismos. De acuerdo con una realización preferida alternativa, los elementos se extienden entre cada pala adyacente en la dirección circunferencial.
Estas dos alternativas suponen que el apuntalamiento se hace estable con un diseño de construcción relativamente sencillo de los elementos que forman los medios de soporte.
De acuerdo con una realización preferida adicional, cada pala está conectada al rotor mediante un dispositivo de articulación. De esta manera, se consigue que la transferencia de los momentos de torsión dañinos y el par de torsión al rotor desde las palas puede limitarse.
De acuerdo con una realización preferida adicional, el rotor comprende imanes permanentes, con lo que el
mismo se hace robusto e insensible a las alteraciones operativas en la transformación electromagnética de la
energía.
De acuerdo con una realización preferida adicional, el estator está encapsulado en una carcasa hermética al agua. De esta manera, de una forma conveniente del generador se adapta para actuar en un entorno submarino.
De acuerdo con una realización preferida adicional, el rotor se localiza radialmente fuera del estator y en el mismo plano axial que el estator. De esta manera, el ensamblaje se hace compacto en la dirección axial y en la radial.
De acuerdo con una realización preferida adicional, el estator se enrolla con un cable de alta tensión provisto con un núcleo de un material conductor, una primera capa de material semiconductor que rodea al material conductor, una capa de material aislante que rodea la primera capa y una segunda capa de material semiconductor que rodea al material aislante.
Mediante un enrollado de esta clase, ha posible gestionar la inducción de corriente de tensión muy alta, gracias a que el campo eléctrico circundante se hace homogéneo. Por el hecho de que la corriente de esta manera puede mantenerse más baja, disminuyen las pérdidas y la liberación de calor.
De acuerdo con una realización preferida adicional, el estator del generador es giratorio y se conecta a una turbina dispuesta para hacer girar el estator en la dirección opuesta al rotor.
La fuerza electromotriz, E, que se induce en una bobina se determina de acuerdo con la ley de Faraday a partir de la relación
E = - N \frac{d\phi}{dt}
donde N es el número de vueltas y \phi el flujo magnético.
\vskip1.000000\baselineskip
Esto significa que en un rotor que gira lentamente, \frac{d\varphi}{dt} se hace pequeña y da como resultado una pequeña fuerza
{}\hskip17cm electromotriz inducida. Por el hecho de que también el estator gira y que la dirección de la rotación del mismo es la dirección contraria a la del rotor, el movimiento relativo entre el rotor y el estator será la suma de la velocidad
{}\hskip17cm rotatoria del mismo. De esta manera, el término \frac{d\phi}{dt} aumentará correspondientemente. Por lo tanto, si el estator gira a
{}\hskip17cm la misma velocidad que el rotor, el término se doblará, dando como resultado una fuerza electromotriz inducida doble en comparación con un estator estacionario.
De acuerdo con una realización ventajosa adicional, el estator se enrolla para tres-fases.
Las realizaciones preferidas mencionadas anteriormente del ensamblaje de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes de la reivindicación 1.
Las ventajas del ensamblaje de la invención son especialmente valiosas cuando el ensamblaje se utiliza para la producción de energía a partir de corrientes submarinas.
Por lo tanto, un segundo aspecto de la invención consiste en un uso del ensamblaje de la invención para la generación de corriente eléctrica a partir de corrientes submarinas.
La invención se explica mejor mediante la siguiente descripción detallada de ejemplos de realización ventajosa de la misma, haciéndose referencia a las figuras con dibujo adjuntas.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de una primera realización ejemplar de la invención.
La Figura 2 es una vista en perspectiva esquemática de una segunda realización ejemplar de la invención.
Las Figuras 3-5 son vistas finales esquemáticas de diferentes ejemplos del diseño de turbina de acuerdo con la invención.
La Figura 6 es una vista en perspectiva esquemática de la turbina de acuerdo con una realización ejemplar adicional de la invención.
La Figura 7 ilustra un detalle de la invención de acuerdo con una realización ejemplar adicional.
La Figura 8 es una vista en perspectiva esquemática de una realización ejemplar adicional de la invención.
La Figura 9 es una sección transversal a través de un cable usado en el bobinado del estator en una realización ejemplar de la invención.
Descripción de realizaciones ejemplares ventajosas de la invención
La Figura 1 es una vista en perspectiva esquemática de un primer ejemplo de un ensamblaje de acuerdo con la invención. El ensamblaje está compuesto por un generador 1 y una turbina 2. El generador 1 tiene un estator externo 3 dispuesto en un marco 7, que descansa en el fondo del mar. El árbol 8 respectivo de cuatro palas dirigidas axialmente 5 se fija al rotor interno 4. En los extremos del mismo giradas desde el rotor 4, las palas 5 permanecen erguidas mediante cuatro soportes 6, cada uno de los cuales se extiende entre dos palas 5 adyacentes. Una corriente submarina A hace que la turbina 2 gire y por lo tanto también el rotor 4, siendo inducida la corriente en los bobinados del estator. Los cables de salida indican que es una materia trifásica. Como alternativa, las palas pueden dirigirse por supuesto hacia abajo desde el rotor.
En la realización ejemplar de acuerdo con la Figura 2, el rotor 4 está localizado radialmente fuera del estator 3. El estator es soportado por un puntal (no mostrado), que descansa en el fondo del mar. Al rotor, se fijan dos grupos de palas 5a, 5b dirigidas hacia la dirección axialmente opuesta. Cada pala 5a en el primer grupo se dispone alineada con una pala 5b en el segundo grupo. Cada par opuesto de palas 5a, 5b está unido entre sí.
En las figuras 3-5, se ilustra en vistas finales de diferentes ejemplos de cómo las palas que tienen sus extremos girados desde el rotor pueden permanecer soportadas entre sí. En el ejemplo de acuerdo con la Figura 3, la turbina tiene cinco palas 5 y la disposición de los soportes corresponde en principio a la mostrada en la Figura 1.
En la Figura 4, donde la turbina tiene tres palas 5, los soportes 5 están dirigidos radialmente y están conectados entre sí en el centro.
En la Figura 5, donde la turbina tiene seis palas 5, los soportes 5 están dirigidos radialmente como en la Figura 4, pero aquí están conectados a un elemento de soporte 9 con forma de anillo dispuesto centralmente.
Como alternativa, los soportes 5 pueden estar dispuestos por supuesto a una distancia desde los extremos de las palas. Adicionalmente, puede disponerse una pluralidad de soportes distribuidos axialmente. Una de dichas realizaciones se ilustra en la Figura 6.
La Figura 7 ilustra una unión articulada de una pala 5 con el árbol 8 de la misma fijado al rotor 4 mediante un dispositivo de articulación 10.
La Figura 8 ilustra una realización ejemplar alternativa que tiene un rotor externo 4 contra tres palas 5 en la turbina 2 y un estator interno 3. Aquí, el estator se dispone para girar y está conectado a una turbina 22 que tiene tres palas 25. Las palas 25 del estator de la turbina forman un ángulo de manera que el estator girará en la dirección opuesta B a la dirección de rotación C del rotor.
En la Figura 9, se ilustra una realización ejemplar ventajosa del estator bobinado del generador. El estator se enrolla con un cable de alta tensión y la figura es una sección transversal a través del mismo. El cable está compuesto por un núcleo que tiene uno o más cables conductores 31 de cobre. El núcleo está rodeado de una capa semiconductora interna 32. Fuera de esto, se dispone una capa de aislamiento sólida 33, por ejemplo, aislamiento PEX. Alrededor del aislamiento, se dispone una capa semiconductora externa 34. Cada una de las capas semiconductoras forma una superficie equipotencial.
Las figuras que se han descrito anteriormente son esquemáticas para el entendimiento de la invención, los detalles menos importantes se omiten con propósito de enfatizar los aspectos específicos significativos para la invención.
Normalmente, un ensamblaje de acuerdo con la invención tiene un tamaño correspondiente a un diámetro de turbina de 2-10 m. Sin embargo, en el suministro de energía local a sólo uno o unos pocos usuarios, pueden considerarse tamaños más pequeños en el intervalo de un diámetro de rotor de 0,5-2 m. En ciertas aplicaciones, tales como, por ejemplo, en alta mar en la Corriente del Golfo, pueden considerarse dimensiones muy grandes, que tienen un diámetro de rotor de hasta 100 m.

Claims (16)

1. Ensamblaje que comprende una turbina de agua (2) y un generador eléctrico rotatorio (1), cuyo rotor (4) está conectado a la turbina (2), comprendiendo dicha turbina (2) al menos tres palas dirigidas axialmente (5) caracterizado porque cada pala (5) está conectada individualmente directamente al rotor (4) del generador (1).
2. Ensamblaje de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la turbina (2) comprende un primer grupo de palas (5a) dirigidas hacia una primera dirección desde el rotor (4) y un segundo grupo de palas (5b) dirigido hacia la dirección opuesta desde el rotor (4), comprendiendo cada grupo al menos 3 palas (5a, 5b).
3. Ensamblaje de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque cada pala (5a) en el primer grupo está dispuesta coalineada con una pala (5b) en el segundo grupo.
4. Ensamblaje de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque las palas (5a, 5b) localizadas coalineadas están conectadas mecánicamente directamente entre sí.
5. Ensamblaje de acuerdo con las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque cada pala (5) está soportada por medios de soporte.
6. Ensamblaje de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque los medios de soporte comprenden elementos (6) que conectan las palas (5) entre sí.
7. Ensamblaje de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque los medios de soporte comprenden elementos (6) dirigidos radialmente hacia dentro desde la pala (5) respectiva, estando los extremos radialmente más internos de dicho elemento conectados entre sí.
8. Ensamblaje de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque los medios de soporte comprenden elementos que se extienden entre cada pala adyacente en la dirección circunferencial.
9. Ensamblaje de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque cada pala (5) está conectada al rotor mediante un dispositivo de articulación (10).
10. Ensamblaje de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizado porque el rotor (4) comprende imanes permanentes (21).
11. Ensamblaje de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, caracterizado porque el estator (3) está encapsulado en una carcasa hermética al agua.
12. Ensamblaje de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-11, caracterizado porque el rotor está situado radialmente fuera del estator y en el mismo plano axial que el estator.
13. Ensamblaje de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-12, caracterizado porque el estator está enrollado con un cable de alta tensión provisto con un núcleo (31) de material conductor, una primera capa (32) de material semiconductor rodeando el material conductor, una capa (33) de material aislante rodeando la primera capa (32) y una segunda capa (34) de material semiconductor rodeando el material aislante.
14. Ensamblaje de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-13, caracterizado porque el estator (3) del generador puede girar y está conectado a una turbina (22) dispuesta para hacer girar el estator (3) en la dirección opuesta al rotor (4).
15. Ensamblaje de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-14, caracterizado porque el estator (9) está enrollado para tres fases.
16. Use de un ensamblaje de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1-15 para la generación de corriente eléctrica a partir de corrientes submarinas.
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