ES2599353T3

ES2599353T3 - Procedimiento de reducción de vibraciones en turbinas eólicas y turbina eólica que implementa dicho procedimiento

Info

Publication number: ES2599353T3
Application number: ES10179698.5T
Authority: ES
Inventors: Bart Veldkamp; Christoph Hessel; Jacob J. Nies; Till Hoffmann
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2030-09-24
Also published as: US8360723B2; CN102032110B; US20110076142A1; EP2306005B1; DK2306005T3; EP2306005A3; CN102032110A; EP2306005A2

Abstract

Un procedimiento de reducción de vibraciones de una turbina (100) eólica que comprende un rotor de turbina eólica y una torre que define un eje de torre, que incluye: supervisar la turbina eólica para determinar dónde no es posible al menos temporalmente la guiñada de un rotor eólico de dicha turbina eólica debido a pérdida de red o cualquier otra situación que afecte la capacidad de guiñar la turbina eólica, la guiñada al menos temporalmente imposible del rotor eólico de dicha turbina eólica no permite al menos temporalmente girar el rotor de turbina eólica alrededor del eje de torre, si no es posible al menos temporalmente la guiñada del rotor eólico de dicha turbina eólica debido a pérdida de red o cualquier otra situación que afecte la capacidad de guiñar la turbina eólica, ajustar y establecer un primer ángulo (Pa) de paso de una primera pala (120) de rotor y un segundo ángulo (Pb) de paso de una segunda pala (140) de rotor, de tal forma que el primer y segundo ángulos de paso difieran en al menos 30 grados; mantener dicha configuración del primer y el segundo ángulos de paso siempre que no sea posible la guiñada del rotor eólico de dicha turbina eólica debido a pérdida de red o cualquier otra situación que afecte la capacidad de guiñar la turbina eólica.

Description

Procedimiento de reduccion de vibraciones en turbinas eolicas y turbina eolica que implementa dicho procedimiento

La presente solicitud se refiere en general a procedimientos de reduccion de vibraciones que ocurren en turbinas eolicas. Mas particularmente, la presente solicitud se refiere a procedimientos de reduccion de las vibraciones en 5 turbinas eolicas en situaciones donde no es posible la guinada de la turbina eolica, es decir, el giro de una barquilla de turbina eolica sobre el eje de torre.

Las instalaciones eolicas, tambien denominadas granjas eolicas o parques eolicos, incluyen varias turbinas eolicas instaladas relativamente cerca entre si en un area definida. Un fenomeno que se sabe que sucede en tales granjas eolicas se denomina formacion de vortices. En particular, el viento que fluye alrededor de la torre de una turbina 10 eolica crea una calle de vortices de von Karman corriente abajo de la torre de turbina eolica. En condiciones favorables para el fenomeno, tales como cuando sucede un intervalo de velocidad del viento particular o una direccion del viento en relacion a la turbina y posicion del rotor, la turbina puede comenzar a oscilar perpendicular a la direccion del viento. Tales oscilaciones pueden entonces producir tensiones en componentes estructurales de la turbina eolica. Veanse, por ejemplo, el documento EP 2 169 219, el documento US 6.441.507 y el documento EP 2 15 075 462.

En vista de lo anterior, se presenta un procedimiento, como se define en la reivindicacion 1 dependiente, de reduccion de vibraciones de una turbina eolica en una situacion donde la guinada de un rotor eolico de dicha turbina eolica no es posible al menos temporalmente.

Diversos aspectos, ventajas y caracterfsticas de la presente invencion son evidentes de las reivindicaciones 20 dependientes, la descripcion y los dibujos adjuntos, en los que:

la Figura 1 es una vista frontal esquematica de una turbina eolica;

la Figura 2 es una vista lateral superior superpuesta de la turbina eolica mostrada en la Figura 1;

la Figura 3 es una vista lateral superior superpuesta de la turbina eolica mostrada en la Figura 1 con un ajuste de los angulos de paso de pala de rotor de acuerdo con una realizacion de la presente invencion;

25 la Figura 4 es un diagrama de flujo de un procedimiento de acuerdo con una realizacion de la presente invencion;

la Figura 5 es un diagrama de flujo de un procedimiento de acuerdo con otra realizacion de la presente invencion;

la Figura 6 es una vista lateral de una turbina eolica de acuerdo con una realizacion de la presente invencion; y,

la Figura 7 es un diagrama de flujo de un procedimiento de acuerdo con otra realizacion mas de la presente invencion.

30 A continuacion se hara referencia en detalle a las diversas realizaciones, uno o mas ejemplos de las cuales se ilustran en cada figura. Cada ejemplo se proporciona a modo de ejemplo y no se entiende como una limitacion. Por ejemplo, las caracterfsticas ilustradas o descritas como parte de una realizacion pueden usarse en o en conjuncion con otras realizaciones para producir realizaciones mas adicionales. Se pretende que la presente divulgacion incluya tales modificaciones y variaciones.

35 La Figura 1 es una vista frontal esquematica de una turbina 100 eolica que tiene tres palas 140, 150, 160 de rotor. Sin embargo, las realizaciones y ejemplos descritos en el presente documento no se limitan a turbinas eolicas con tres palas de rotor sino que puede implementarse tambien en turbinas eolicas que tienen un numero diferente de palas de rotor, en particular tambien solo dos palas de rotor pero tambien cuatro o mas palas de rotor. Las tres palas 140, 150, 160 de rotor se disponen en un plano de pala de rotor alrededor de un buje 130 de rotor que se une a una 40 barquilla 120 de la turbina eolica. En este contexto, deberfa entenderse que los rotores de turbina eolica pueden tener una forma de cono de modo que los ejes de paso de las palas de rotor no estan exactamente alineados con un plano sino que forman un cono plano. Tales realizaciones en las que los ejes de las palas se disponen en un cono en vez de en un plano son sin embargo capaces de implementar las realizaciones descritas en el presente documento. Por lo tanto, siempre que se hace referencia al plano de pala de rotor, las realizaciones en forma de 45 cono tambien se incluyen de este modo. Tanto en realizaciones planas y en forma de cono, el angulo entre dos palas de rotor adyacentes habitualmente es igual y, en la realizacion especffica mostrada, de 120 grados. Cada una de las palas 140, 150, 160 de rotor es giratoria sobre su eje de paso (por ejemplo, el eje 146 de paso para la pala 140 de rotor). Las lfneas A-A, B-B, C-C representan vistas laterales superiores a lo largo del eje de pala de rotor mostrado en la Figura 2. La barquilla 120 se monta en la parte superior de torre 110. Habitualmente, la barquilla 120 50 es giratoria sobre un eje 115 vertical de torre 110 por medio de un accionamiento 250 de guinada. Por lo tanto, el rotor eolico, es decir el buje 130 de rotor y las palas 140 de rotor montadas en el mismo, pueden alinearse con la direccion del viento de modo que el plano de pala de rotor se orienta sustancialmente perpendicular a la direccion del viento. Habitualmente, el accionamiento 250 de guinada recibe energfa mediante la potencia suministrada por una red de suministro electrico a la que se conecta la turbina 100 eolica. En el caso de una perdida de red, por

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

ejemplo, el accionamiento 250 de guinada no tiene suficiente suministro de potencia y, por lo tanto, se desactiva para alinear el rotor eolico con respecto a la direccion del viento. Debido a tal desalineacion, puede suceder la formacion de vortices como se explico anteriormente.

La Figura 2 es una vista lateral superior superpuesta de la turbina eolica mostrada en la Figura 1. El eje 6 de rotor de la turbina se extiende sustancialmente coaxialmente con el arbol 170 de rotor y sustancialmente perpendicular al plano de pala de rotor RBP en el que se disponen las palas de rotor. El buje 130 de rotor se une de manera giratoria a la barquilla 120. Las vistas en seccion laterales de todas las tres palas 140, 150 y 160 de rotor a lo largo de las lfneas A-A, B-B y C-C se muestran de forma superpuesta en la parte superior del buje 130 de rotor. Se entendera que cada vista en seccion representa el momento en el que la respectiva pala de rotor ha alcanzado su posicion superior.

Ademas, los angulos Pa, Pb, Pc de paso de las tres palas 140, 150 y 160 de rotor, respectivamente, se muestran en la Figura 2. En operacion normal de la turbina eolica, los tres angulos Pa, Pb y Pc de paso seran identicos o diferiran entre si solo por unos pocos grados. Los angulos Pa, Pb, Pc de paso se muestran diferentes unicamente para fines de aclaracion. Cada una de las palas 140, 150, 160 de rotor tiene un borde 142, 152, 162 de ataque y un borde 144, 154, 164 de salida. Para los fines de la presente divulgacion, el angulo de paso se define como sigue. Una posicion de pala de rotor se define para tener un angulo de paso de 0 grados si los bordes de ataque y salida de la pala de rotor se situan dentro del plano de pala de rotor RBP (es decir, el borde de ataque mirando a la izquierda y el borde de salida mirando a la derecha en la Figura 2). Rotando la pala desde esta posicion en direccion horaria, donde el borde de ataque se gira hacia la nariz del buje 130 de rotor, se gana un angulo de pala positivo siendo +90 grados la posicion Pa mostrada para la vista en seccion A-A de la pala 140. Como se muestra en la Figura 2, el borde 142 de ataque y el borde 144 de salida estan ahora alineados con el eje 6 de rotor. Los angulos de paso Pb y Pc mostrados en la Figura 2 son tambien positivos siendo Pb mas pequeno y siendo Pc mayor de +90 grados. La pala de rotor tiene un angulo de paso de +180 grados (no mostrado) si su borde de ataque mira a la derecha y su eje de salida mira a la izquierda en la Figura 2 a lo largo del plano de pala de rotor RBP. Los angulos de paso mayores de +180 grados resultaran en el borde de ataque mirando hacia la barquilla 120. Si la pala de rotor se gira al contrario de la direccion horaria, es decir el borde de ataque mirando hacia la barquilla 120, el angulo de paso asume valores negativos. Por ejemplo el angulo de paso de -90 grados corresponde a una posicion donde el borde 144 de salida mira hacia la nariz del buje 130 de rotor y el borde 142 de ataque mira hacia la barquilla 120. Por consiguiente, cualquier angulo de paso puede describirse mediante un valor positivo y un valor negativo, por ejemplo, siendo +270 grados la misma posicion que -90 grados. Esto se muestra como un ejemplo en la Figura 3 con respecto a pala 140 de rotor. Las posiciones de las palas de rotor para otros angulos de paso pueden obtenerse de las definiciones dadas anteriormente.

Ademas, el angulo Pa de paso de +90 grados mostrado en la Figura 2 para la pala 140 de rotor tambien se denomina la posicion de bandera de la pala de rotor. En la posicion de bandera, la pala de rotor no extrae una cantidad sustancial de energfa del viento e incluso puede resultar en frenado aerodinamico del rotor eolico. Por lo tanto, las palas 140, 150, 160 de rotor se ponen en posicion de bandera cuando la turbina esta en reposo y no se genera energfa. Sin embargo, lo anterior es solo cierto siempre y cuando direccion del viento es sustancialmente perpendicular al plano de pala de rotor RBP como se indica mediante las flechas 50 discontinuas en la Figura 2. En una situacion donde la guinada de la turbina eolica no es posible al menos temporalmente, por ejemplo debido a perdida de red, el plano de pala de rotor RBP puede desalinearse con respecto a la direccion del viento como se indica mediante las flechas 60 continuas en la Figura 2. En la situacion ilustrativa representada en la Figura 2, el plano de pala de rotor RBP se desalinea en 90 grados con respecto a la direccion 60 del viento. En otras palabras, en lugar de ser perpendicular a la direccion del viento, el plano de pala de rotor RBP es paralelo a la direccion 60 del viento. En esta situacion, se mejora la formacion de vortices si todas las tres palas de rotor estan en la posicion de bandera. En particular, las oscilaciones en sentido longitudinal o vibraciones a lo largo del eje 6 de rotor, se provocan mediante la formacion de vortices. Tambien, pueden provocarse vibraciones en otras direcciones espaciales por la formacion de vortices y pueden variar dependiendo de la desalineacion entre el plano de pala de rotor RBP y la direccion del viento. El mismo fenomeno tambien puede suceder si una o mas de las palas de rotor tienen un angulo de paso de -90 grados. Por lo tanto, las oscilaciones y vibraciones mencionadas anteriormente tambien pueden suceder durante situaciones donde el motor eolico esta en reposo con las palas que tienen un angulo de paso de -90 grados o con algunas palas que tienen un angulo de paso de +90 grados y otras que tienen un angulo de paso de -90 grados.

En una realizacion de la presente invencion, un primer angulo Pa de paso de una primera pala 140 de rotor y un segundo angulo Pb de paso de una segunda pala 150 de rotor se ajustan de tal forma que el primer y segundo angulos Pa, Pb de paso difieren en al menos 30 grados. Por ejemplo, el primer angulo Pa de paso puede establecerse a -90 grados y el segundo angulo Pb de paso puede establecerse a +30 grados. Debido a la gran diferencia entre el primer y segundo angulos de paso, los efectos provocados por la formacion de vortices se reducen considerablemente. En particular, se amortiguan las vibraciones en la direccion en sentido longitudinal del buje 130 de rotor (en la direccion del eje 6 de rotor). Por lo tanto, se reducen las cargas vibratorias sobre el arbol 170 de rotor y otros componentes de cadena de tren propulsor (por ejemplo, caja 230 de engranajes y generador 240 mostrados en la Figura 6). Por lo tanto, este procedimiento es particularmente util en situaciones donde la guinada del rotor eolico no es posible al menos temporalmente, tales como durante una perdida de red. Por ejemplo, tras ajustar el primer y segundo angulos de paso como se ha descrito anteriormente, el rotor eolico puede estar en

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

reposo durante la duracion de la perdida de red y la turbina se salvaguarda contra los efectos adversos de la formacion de vortices.

Como se ha explicado anteriormente, el efecto de amortiguacion de vibracion resulta de una diferencia considerable en angulos de paso. Por lo tanto, el primer y segundo angulos de paso pueden diferir en al menos 45 grados. En particular, el efecto de amortiguacion en una direccion especffica se mejora cuando se amplfa el area en seccion transversal de las palas de rotor que miran en esta direccion. En otras palabras, la amortiguacion de vibraciones en una direccion especffica se mejora cuando el lado ancho de la pala mira en esta direccion ya que la resistencia del aire de la pala amortiguara las vibraciones en esta direccion. En una situacion sin capacidad de guinada, las palas se establecen en diferentes angulos de paso de modo que la amortiguacion sucede en cualquier circunstancia y en particular con direccion de viento variable.

Ademas, una tercera pala 160 de rotor puede ser parte del concepto de reduccion de vibracion descrito anteriormente. En una realizacion, el tercer angulo Pc de paso de la tercera pala 160 de rotor se ajusta de tal forma que Pc es considerablemente diferente del primer y segundo angulos Pa y Pb de paso. Por ejemplo, el tercer angulo Pc de paso puede diferir del primer y segundo angulos Pa, Pb de paso en al menos 30 grados, respectivamente. Una realizacion ilustrativa de tal disposicion se muestra en la Figura 3, que es una vista lateral superior superpuesta de la turbina eolica mostrada en la Figura 1. En la realizacion mostrada en la Figura 3, la primera pala 140 de rotor tiene un angulo Pa de paso de -90 grados, la segunda pala 150 de rotor tiene un angulo de paso de +30 grados y la tercera pala 160 de rotor tiene un angulo Pc de paso de +150 grados. Por consiguiente, la diferencia angular entre el primer y segundo angulos Pa, Pb de paso es de 120 grados cuando se mide en direccion horaria, entre el segundo y tercer angulos Pb, Pc de paso es de 120 grados cuando se mide en direccion horaria y entre el primer y tercer angulos Pa, Pc de paso es de 120 grados cuando se mide en direccion horaria. Por supuesto, pueden elegirse otros valores para los angulos de paso y las diferencias angulares entre los mismos de acuerdo con las circunstancias de modo que las posiciones tienen una diferencia angular que es o equivalente o no equivalente. En una realizacion, por ejemplo, el primer angulo Pa de paso es de -90 grados, el segundo angulo Pb de paso es de +45 grados y el tercer angulo Pc de paso es de cero grados. En otra realizacion, el primer angulo Pa de paso es de +90 grados, el segundo angulo Pb de paso es de -30 grados y el tercer angulo Pc de paso es de -150 grados.

Como se ha mencionado anteriormente, algunas realizaciones emplean incluso diferencias angulares mas grandes de tan solo 30 grados en las que el tercer angulo de paso difiere en direccion horaria del primer y segundo angulos de paso en al menos 45 grados, respectivamente. Pueden usarse incluso diferencias mas grandes entre el primer, segundo y tercer angulos Pa, Pb, Pc de paso, respectivamente, tales como 60 grados, 80 grados, 90 grados o 120 grados. Por ejemplo, la diferencia en direccion horaria entre el primer y segundo angulo Pa, Pb de paso puede estar en el intervalo de 30 a 150 grados, particularmente de 45 a 120 grados, mas particularmente de 60 a 90 grados. En otra realizacion, la diferencia en direccion horaria entre el segundo y tercer angulos Pb, Pc de paso esta en el intervalo de 30 a 120 grados, particularmente de 45 a 105 grados y mas particularmente de 60 a 90 grados. Tambien, la diferencia en direccion horaria entre el primer y tercer angulos Pa, Pc de paso esta en el intervalo de 60 a 270 grados, particularmente de 90 a 240 grados, mas particularmente de 120 a 180 grados en algunas realizaciones. En algunas realizaciones al menos uno de los angulos de paso esta en el intervalo de 0 grados hasta, pero sin incluir, 180 grados y al menos uno de los angulos de paso esta en el intervalo de 180 grados hasta, pero sin incluir, 360 grados. En otras realizaciones, uno de los angulos de paso se establece a cero grados.

Una realizacion especffica de un procedimiento 400 como se ha descrito anteriormente se muestra en el diagrama de flujo de la Figura 4. En la misma, la turbina eolica se supervisa continuamente para determinar si la guinada de la turbina eolica no es posible temporalmente en el bloque 405 de decision. En el caso de que se detecte la perdida de red o cualquier otra decision que afecta la capacidad de guinado de la turbina eolica, el procedimiento procede a ajustar los angulos de paso de las palas de rotor y los establece a -35 grados, cero grados y +35 grados para reducir vibraciones, en particular vibraciones en sentido longitudinal debido a la formacion de vortices en el bloque 410. Los angulos de paso particulares son, sin embargo, solo ejemplos y pueden usarse valores de angulo de paso diferentes. En un bucle 415, se supervisa si todavfa existe la condicion de perdida de red. Siempre que exista la incapacidad de suministrar potencia al accionamiento de guinada, se mantiene la configuracion de los angulos de paso.

Deberfa entenderse que el ajuste de los angulos de paso y la supervision de la red pueden realizarse sin suministro de potencia de la red. Habitualmente, las turbinas eolicas incluyen un suministro de potencia de emergencia, tales como baterfas, acumuladores, condensadores o similares, que permiten el paso de las palas en situaciones donde la red no esta disponible como suministro de potencia. Por tanto, el ajuste de los angulos de paso descrito puede afectarse mediante el suministro de potencia de emergencia. Sin embargo, el suministro de potencia de emergencia tiene una capacidad de almacenamiento limitada y puede agotarse por el ajuste repetitivo de los angulos de paso.

Por lo tanto, los angulos de paso habitualmente se ajustaran una vez a valores que se optimizan para condiciones de viento variables. Con tal configuracion de angulo de paso, la turbina esta en un estado seguro incluso para condiciones de viento variables. Por ejemplo, tal configuracion de seguridad puede ser la mostrada en la Figura 3. Finalmente, la turbina eolica reanuda a operacion 420 normal una vez que la turbina eolica es capaz de guinar. Habitualmente, traer de vuelta la turbina eolica a operacion normal implica procedimientos especfficos de activacion.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

En otras realizaciones en las que la guinada no es posible pero la red esta disponible, por ejemplo, un defecto del sistema de guinada, los angulos de paso pueden todavfa ajustarse durante el periodo de incapacidad de guinada sin agotar el suministro de potencia de emergencia. En un caso tal, un cambio en la direccion del viento puede convertir otra configuracion de angulo de paso mas preferible en vista de la amortiguacion de vibracion. Ya que la red esta disponible como un suministro de potencia para el accionamiento de paso, los angulos de paso puede ajustarse para optimizar la amortiguacion de vibracion en las condiciones reales. En el caso de un sistema de guinada danado, la operacion normal de la turbina eolica puede reanudarse unicamente tras la reparacion o sustitucion del sistema de guinada. En un escenario tal, la operacion normal no se reanudara sino que el procedimiento incluira la reparacion o sustitucion de las partes defectuosas. Posteriormente, la turbina eolica se reiniciara de acuerdo con el procedimiento habitual.

Como se ha mencionado anteriormente, las diferencias de angulo de paso se elegiran para reducir las vibraciones inducidas por la formacion de vortices y/o fenomenos similares. Por lo tanto, los resultados de diferentes combinaciones de angulos de paso pueden supervisarse con el paso del tiempo y correlacionarse con las respectivas condiciones del viento, en particular direccion del viento y velocidad del viento, en el momento en el que se empleo la combinacion de angulo de paso. Ademas, detectores de vibraciones pueden percibir vibraciones en diferentes partes de la turbina, por ejemplo vibraciones de torre, vibraciones de arbol de rotor o similares. Tambien, los detectores de vibraciones pueden percibir vibraciones en diferentes direcciones espaciales, por ejemplo en dos o tres direcciones mutuamente ortogonales. Las mediciones anteriores permiten la recogida de datos y establecer relaciones empfricas que pueden aplicarse para controlar las turbinas en situaciones de incapacidad de guinada.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invencion, el rotor eolico puede estacionarse en una posicion en la que ninguna de las palas de rotor se posiciona en la proximidad de la torre 110 de la turbina 100 eolica. Esto incluye posiciones en las que la pala esta en frente de la torre o detras de la torre o cerca de la torre. En particular, la formacion de vortices tambien puede suceder con la pala estando delante o detras de la torre con respecto una direccion del viento. En el contexto de la presente realizacion, los terminos "estacionar" o "estacionado" se refieren a bloquear el rotor eolico en tal posicion en contraste con permitir el reposo del rotor eolico. Por ejemplo, el rotor eolico puede bloquearse en la posicion deseada mediante la aplicacion de un freno. La razon para estacionar el rotor eolico en la posicion descrita es que las oscilaciones inducidas por vortices pueden ampliarse cuando el rotor se estaciona con una pala en la proximidad de la torre, es decir con una pala apuntando hacia abajo. Esta amplificacion de las oscilaciones puede deberse a una baja amortiguacion de la pala de rotor que esta en la proximidad de la torre y/o un efecto aerodinamico de los vortices en esta pala. En este contexto, una pala de rotor habitualmente se considerara que se estaciona en la proximidad de la torre si su eje de paso apunta hacia abajo y se desvfa del eje de torre dentro de un intervalo angular de -15 grados a +15 grados. En este contexto, hacia arriba y hacia abajo puede entenderse relativo al horizonte o, indicado de otra manera, la direccion hacia arriba es a lo largo del eje de torre desde la base de torre a la barquilla mientras que la direccion hacia abajo es desde la barquilla a la base de torre. Para evitar la amplificacion de las oscilaciones anteriormente mencionada, el rotor eolico se estaciona en una posicion de modo que ninguna de las palas se posiciona en frente, detras o cerca de la torre. En particular, tras la deteccion de la situacion donde la guinada del rotor eolico no es posible, el rotor eolico se gira sobre el eje del rotor en una posicion en la que ninguna de las palas de rotor se posiciona en la proximidad de una torre de la turbina eolica. Por lo tanto, se puede evitar la amplificacion. En una realizacion, un rotor eolico con tres palas de rotor se estaciona en una posicion en la que una pala de rotor apunta hacia arriba y un eje de paso de la pala de rotor forma un angulo en el intervalo de +15 grados a -15 grados, particularmente de +10 grados a -10 grados, mas particularmente de +5 grados a -5 grados, con un eje longitudinal de la torre de turbina eolica. Por ejemplo, una situacion tal se muestra en la Figura 1 donde la pala 140 de rotor apunta hacia arriba y se alinea con el eje 115 de torre, es decir el angulo entre el eje 146 de paso de pala de rotor y el eje de torre es aproximadamente de cero grados. Adicionalmente a lo anterior, cuando el rotor eolico se bloquea, el angulo de paso de la pala de rotor mas cercana a la torre puede ajustarse en una manera que es menos propensa a recoger excitacion de formacion de vortice. Por ejemplo, el angulo de paso de la pala de rotor mas cercana a la torre puede ajustarse de tal forma que el lado ancho de la pala de rotor es sustancialmente perpendicular a la direccion del viento real y/o anticipada.

Ademas, en situaciones donde el ajuste del angulo de paso ya no se permite, todavfa puede ser posible posicionar el rotor eolico de tal forma que ninguna de las palas de rotor se posiciona en la proximidad de la torre. Por lo tanto, el posicionamiento descrito del rotor eolico pueden aplicarse independiente de la configuracion de angulo de paso y todavfa proporcionara alguna reduccion de las vibraciones inducidas por la formacion de vortices.

La Figura 5 es un diagrama de flujo de un procedimiento 500 de acuerdo con una realizacion adicional del procedimiento descrito anteriormente. De forma similar a la Figura 4, la capacidad de guinada de la turbina eolica se supervisa continuamente en el bloque 505 de decision. En el caso de que se detecte la perdida de red o cualquier otra decision que afecta la capacidad de guinado, el procedimiento procede a estacionar el rotor eolico en una posicion en la que una de las palas de rotor apunta hacia arriba con respecto al arbol de rotor para evitar la amplificacion de las vibraciones inducidas en el bloque 510. Posteriormente, el primer angulo de paso se establece a -90 grados, el segundo angulo de paso se establece a 30 grados y el tercer angulo de paso se establece a 150 grados en el bloque 515 para reducir adicionalmente las vibraciones. Como se ha descrito anteriormente, el ajuste de los angulos de paso pueden afectarse por el suministro de potencia de emergencia. Habitualmente, los angulos de paso se ajustaran solo una vez para ahorrar energfa del suministro de potencia de emergencia. En un bucle 520, se supervisa si todavfa existe la condicion. Siempre que exista la incapacidad de suministrar potencia al

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

accionamiento de guinada, se mantienen la posicion de estacionamiento del rotor eolico y la configuracion de los angulos de paso. Cuando la turbina detecta que la red esta disponible de nuevo o la turbina eolica es de otra manera capaz de guinar de nuevo, la operacion normal de la turbina se reanudara en el bloque 525. Habitualmente, traer de vuelta la turbina eolica a operacion normal implica procedimientos especfficos de activacion que pueden ejecutarse.

En algunas realizaciones del procedimiento, los angulos de paso de la primera, segunda y tercera palas de rotor difieren en al menos 45 grados, respectivamente. En otras realizaciones, las vibraciones no solo se reducen en una direccion espacial, por ejemplo la direccion en sentido longitudinal, sino que tambien se reducen en al menos una direccion ortogonal adicional a la direccion axial del arbol de rotor. En realizaciones mas adicionales, los angulos de paso de las palas de rotor se ajustan a valores de modo que sucede la amortiguacion de vibracion en tres direcciones espaciales mutuamente ortogonales. Sin embargo, los tipos de vibraciones anteriores son unicamente ejemplos no limitativos y las realizaciones de la presente invencion se refieren en general a la reduccion de vibracion durante sucesos de incapacidad de guinada. Por consiguiente, las realizaciones de la presente invencion pueden aplicarse para reducir vibraciones de componentes de turbina eolica en general.

Tales componentes de turbina eolica incluyen, pero sin limitacion, torre 110, barquilla 120, buje 130 de rotor, palas 140, 150, 160 de rotor, arbol 170 de rotor, caja 230 de engranajes o generador 240. La reduccion de vibracion se consigue ajustando los angulos de paso de las palas de rotor como se describe en el presente documento en conexion con las diversas realizaciones de la presente invencion. Habitualmente, las configuraciones especfficas se obtendran empfricamente ya que dependen de las condiciones especfficas en el emplazamiento de la granja eolica y la localizacion de la turbina dentro de la granja eolica. Como base de la estrategia de control empfrica, al menos se supervisara una viable. Habitualmente, la variable sera una vibracion de una torre, una vibracion en sentido longitudinal del rotor eolico, una direccion del viento, una velocidad del viento, una desviacion de angulo de guinada, una posicion de rotor o cualquier combinacion de las mismas. Por supuesto, otros parametros ambientales o de turbina tambien pueden supervisarse y correlacionarse con el estado vibratorio de la turbina. Habitualmente, la configuracion de angulo de paso de la primera, segunda y tercera palas de rotor seran a base de la(s) variable(s) determinada(s) para reducir la vibracion.

Deberfa apreciarse ademas que se permite el giro del rotor eolico sobre el eje del rotor en cualquiera de las realizaciones descritas anteriormente, con la unica excepcion de las realizaciones en las que se bloquea el rotor eolico. En particular, la configuracion de los angulos de paso no se restringe a tales combinaciones en las que se elimina el giro del rotor eolico. Al contrario, el giro lento del rotor eolico puede incluso desearse para evitar el endurecimiento u otro dano inducido por vibracion a la maquinaria de giro. Se entendera que los conceptos basicos subyacentes de la presente solicitud son aplicables tanto a rotores eolicos bloqueados como a rotores eolicos en reposo.

La Figura 6 es una vista lateral de una turbina 100 eolica de acuerdo con una realizacion de la presente invencion. La turbina 100 eolica tiene primera, segunda y tercera palas 140, 150, 160 de rotor que se montan en el buje 130 de rotor. Como se indica en la Figura 6, cada una de las palas de rotor es giratoria sobre un eje de paso, por ejemplo, el eje 146 para la pala 140 de rotor, para el ajuste de su respectivo angulo de paso. La turbina eolica adicionalmente incluye un sistema 180 de accionamiento de paso que se adapta para ajustar los angulos de paso de cada pala 140, 150, 160 de rotor. Por ejemplo, sistema 180 de accionamiento de paso pueden incluir servomotores electricos situados en cada una de las palas de rotor de modo que se permite un ajuste independiente del angulo de paso de cada pala de rotor. Ademas, un suministro 185 de potencia de emergencia, por ejemplo un paquete de baterfa, acumuladores o condensadores, se situan dentro del buje 130. El suministro 185 de potencia de emergencia se conecta con el sistema 180 de accionamiento de paso y se adapta para suministrar potencia al sistema de accionamiento de paso en el caso de que el suministro de potencia de la red no este disponible. Ademas, la turbina 100 eolica incluye un controlador 190 de turbina eolica. Habitualmente, el controlador 190 de turbina eolica es un sistema informatico adaptado especfficamente que se conecta a uno o mas sensores. Por lo tanto, el controlador 190 de turbina eolica puede supervisar continuamente la condicion ambiental en la proximidad de la turbina eolica y la condicion de la turbina eolica. En base a estos datos, el controlador 190 de turbina eolica a continuacion determina si debe ajustarse cualquier parametro de turbina, por ejemplo angulos de paso, angulo de guinada, par motor de generador. Si los parametros de turbina han de ajustarse, el controlador de turbina eolica envfa senales de control a accionadores que a continuacion ajustan los parametros de turbina como corresponde. En la realizacion mostrada en la Figura 6, el controlador 190 de turbina eolica se conecta a un primer detector 200 de vibraciones que se adapta para detectar vibraciones en una direccion en sentido longitudinal de la barquilla 120. Adicionalmente o como alternativa, el primer detector 200 de vibraciones puede adaptarse para detectar vibraciones laterales de la barquilla 120. Por ejemplo, el detector 200 de vibraciones puede montarse directamente a un bastidor principal o pared de la barquilla 120. En otras realizaciones, el detector 200 de vibraciones puede montarse en el buje 130 de rotor. Tambien, el detector 200 de vibraciones puede adaptarse para detectar vibraciones en otras direcciones espaciales, por ejemplo en la direccion del eje de torre. En otras realizaciones, pueden detectarse momentos de flexion que actuan sobre el arbol 170 de rotor, las palas 140, 150, 160, el buje 130, el bastidor principal o las paredes de torre mediante el uso de medidores de tension. Ademas, el controlador 190 de turbina eolica se conecta a un sensor 210 de vibracion adicional situado en la torre 110. El sensor 210 de vibracion se adapta para detectar vibraciones de torre en direcciones espaciales mutualmente ortogonales, habitualmente vibraciones en direcciones ortogonales al eje de torre, y para informar al controlador 190 de las vibraciones detectadas. En general, el controlador 190 de turbina eolica se conecta a al menos un detector de vibraciones adaptado para percibir las

5

10

15

20

25

30

35

40

45

vibraciones de al menos un componente de turbina eolica. Los componentes de turbina eolica incluyen, pero sin limitacion, torre 110, barquilla 120, buje 130 de rotor, palas 140, 150, 160 de rotor, arbol 170 de rotor, caja 230 de engranajes o generador 240. Por lo tanto, el controlador 190 tiene una vision general del estado vibratorio de la turbina eolica y puede determinar las vibraciones perjudiciales tales como vibraciones en sentido longitudinal que pueden danar los componentes de turbina tales como arbol 170 de rotor, caja 230 de engranajes y generador 240. Ademas, el controlador 190 se conecta a un sensor 220 de viento que se adapta para detectar la direccion del viento y velocidad del viento. Por ejemplo, el sensor 220 de viento pueden incluir un anemometro y una veleta. Por lo tanto, el estado vibratorio de la turbina puede correlacionarse con los datos de viento recogidos por el controlador 190 bien mediante el propio controlador 190 o en un centro de control al que se informan los datos. Ademas, la posicion del rotor eolico, es decir la orientacion de las palas 140, 150, 160 de rotor con respecto al eje 6 del rotor, puede usarse como un parametro de entrada para la estrategia de control del controlador 190 de turbina eolica. Basandose en estos datos, puede determinarse e implementarse una estrategia de control empfrica, es decir configuraciones de angulo de paso especfficas para condiciones del viento especfficas, en el controlador 190 de turbina eolica. Por lo tanto, el controlador 190 puede ajustar los angulos de paso de las palas de rotor de acuerdo con la estrategia de control empfrica dependiendo de las condiciones del viento detectadas por el sensor 220 de viento. Ademas, pueden implementarse algoritmos de autoaprendizaje en el controlador 190 de modo que se optimizan las configuraciones de angulo de paso para las condiciones del viento actuales durante situaciones en las que la guinada no es posible al menos temporalmente pero el ajuste de angulo de paso es todavfa posible, por ejemplo cuando el sistema de guinada no funciona pero la red esta disponible.

La Figura 7 es un diagrama de flujo de un procedimiento 700 como puede realizarse por una turbina eolica como se muestra en la Figura 6. En el mismo, la guinada de la turbina eolica se supervisa continuamente en el bloque 705 de decision. Posteriormente, se determina si la red esta todavfa disponible como un suministro de potencia para el accionamiento de paso en el bloque 710 de decision. En el caso de que la red este todavfa disponible, el procedimiento procede para determinar la velocidad del viento, direccion del viento y desviacion del angulo de guinada, es decir la desalineacion entre la direccion del viento y el plano de pala de rotor. Basandose en los valores de las variables determinadas, los angulos de paso se establecen en valores que reducen las vibraciones en al menos dos direcciones espaciales mutuamente ortogonales en el bloque 720. Por lo tanto, la amortiguacion de vibracion se mejora para las condiciones ambientales reales. En algunas realizaciones, los angulos de paso se ajustan para reducir las vibraciones no solo en dos sino tambien en tres direcciones espaciales mutuamente ortogonales. Por lo tanto, se mejora la amortiguacion de vibracion. Como se muestra en la Figura 7, un procedimiento alternativo se aplica si se determina en el bloque 710 de decision que la red no esta disponible. En este caso, el procedimiento procede con el ajuste de los angulos de paso de las palas a una configuracion segura en el bloque 730. Una configuracion segura serfa una combinacion de angulos de paso que se adaptan para amortiguar vibraciones independientemente de la direccion del viento. Tal configuracion, por ejemplo, podrfa ser la configuracion mostrada en la Figura 3. Ya que la red no esta disponible durante esta operacion, el ajuste de angulo de paso habitualmente se hace mediante el suministro de potencia de emergencia. Para evitar el agotamiento del suministro de potencia de emergencia, los angulos de paso se ajustan solo una vez, a saber a la configuracion segura, y a continuacion no se alteran durante la perdida de red. Posteriormente, se supervisa la capacidad de guinada de la turbina eolica para determinar si la incapacidad de guinada de la turbina todavfa existe en el bloque 730 de decision en cualquier caso. Si la guinada todavfa no es posible, el procedimiento vuelve al bloque 710 de decision y procede desde ahf en adelante como se ha descrito anteriormente. Si en el bloque 730 de decision se detecta que la turbina es de nuevo capaz de guinar, la turbina eolica reanuda una operacion normal de acuerdo con el bloque 735, que habitualmente implica la ejecucion de procedimientos especfficos de activacion como se ha descrito anteriormente.

Algunas de las realizaciones descritas en el presente documento se ejemplificaron mediante referencia a turbinas eolicas de tres palas. Sin embargo, las realizaciones de la presente invencion pueden practicarse e implementarse tambien en turbinas eolicas que tienen un numero diferente de palas, en particular en turbinas eolicas que tienen solo dos palas asf como en turbinas eolicas que tienen cuatro o mas palas.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento de reduccion de vibraciones de una turbina (100) eolica que comprende un rotor de turbina eolica y una torre que define un eje de torre, que incluye:

supervisar la turbina eolica para determinar donde no es posible al menos temporalmente la guinada de un rotor eolico de dicha turbina eolica debido a perdida de red o cualquier otra situacion que afecte la capacidad de guinar la turbina eolica, la guinada al menos temporalmente imposible del rotor eolico de dicha turbina eolica no permite al menos temporalmente girar el rotor de turbina eolica alrededor del eje de torre,

si no es posible al menos temporalmente la guinada del rotor eolico de dicha turbina eolica debido a perdida de red o cualquier otra situacion que afecte la capacidad de guinar la turbina eolica, ajustar y establecer un primer angulo (Pa) de paso de una primera pala (120) de rotor y un segundo angulo (Pb) de paso de una segunda pala (140) de rotor, de tal forma que el primer y segundo angulos de paso difieran en al menos 30 grados;

mantener dicha configuracion del primer y el segundo angulos de paso siempre que no sea posible la guinada del rotor eolico de dicha turbina eolica debido a perdida de red o cualquier otra situacion que afecte la capacidad de guinar la turbina eolica.
2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el rotor eolico tiene ademas una tercera pala (160) de rotor y el procedimiento comprende ademas ajustar un tercer angulo (Pc) de paso de dicha tercera pala de rotor de tal forma que el tercer angulo de paso difiera del primer y segundo angulos de paso en al menos 30 grados, respectivamente.
3. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que el primer y segundo angulos (Pa, Pb) de paso difieren entre si en al menos 45 grados y/o el tercer angulo (Pc) de paso difiere del primer y segundo angulos (Pa, Pb) de paso en al menos 45 grados, respectivamente.
4. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 2 o reivindicacion 3, en el que la diferencia en direccion horaria entre el primer y segundo angulo (Pa, Pb) de paso esta en el intervalo de 30 a 150 grados, la diferencia en direccion horaria entre el segundo y tercer angulo (Pb, Pc) de paso esta en el intervalo de 30 a 120 grados y la diferencia en direccion horaria entre el primer y tercer angulo (Pa, Pc) de paso esta en el intervalo de 60 a 270 grados.
5. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-4, en el que, tras la deteccion de la situacion donde la guinada del rotor eolico no es posible al menos temporalmente, el rotor eolico se estaciona en una posicion en la que ninguna de las palas (120, 140, 160) de rotor se posiciona en la proximidad de una torre de la turbina (100) eolica.
6. El procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que una pala (120, 140, 160) de rotor apunta hacia abajo y un eje de paso de dicha pala de rotor forma un angulo en el intervalo de mas de 15 grados con un eje longitudinal de la torre de turbina eolica.
7. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2-6, que comprende ademas usar detectores de vibraciones para detectar vibraciones en la turbina y recoger datos de esas mediciones para controlar la turbina en situaciones de incapacidad de guinada.
8. Una turbina (100) eolica, que comprende

al menos dos palas (140, 150, 160) de rotor montadas en un buje (130) de rotor, siendo cada una de las palas de rotor giratoria alrededor de un eje (146) de paso para el ajuste de su respectivo angulo (Pa, Pb, Pc) de paso,

un sistema (180) de accionamiento de paso adaptado para ajustar los angulos de paso de cada pala de rotor, y

un controlador (190) de turbina eolica configurado para realizar un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
9. La turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 8, que comprende ademas un detector (200, 210) de vibraciones adaptado para detectar vibraciones de al menos un componente de turbina eolica, en el que el controlador (190) de turbina eolica esta ademas adaptado para ajustar el primer y segundo angulos (Pa, Pb, Pc) de paso basandose en las vibraciones detectadas, de tal forma que se reducen las vibraciones.