ES2599406T3

ES2599406T3 - Rotor de turbina eólica y una turbina eólica

Info

Publication number: ES2599406T3
Application number: ES11713491.6T
Authority: ES
Inventors: Eystein Borgen; William Carron; Mark West
Original assignee: Sway Turbine AS
Current assignee: Sway Turbine AS
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: CA2795926A1; WO2011124707A2; JP6087276B2; BR112012025887A2; KR101761328B1; US8698336B2; KR20130050299A; EP2556243B1; US20130115068A1; AU2011237561A1; CN103069156A; CA2795926C; MA34223B1; WO2011124707A3; CN103069156B; EP2556243A2; AU2011237561B2; JP2013524087A

Abstract

Una turbina eólica que comprende: un árbol; una pluralidad de disposiciones de pala, cada una de las cuales puede girar alrededor del árbol y tiene una pala; al menos primera y segunda disposiciones de cojinete axialmente separadas a lo largo del árbol; y un generador de accionamiento directo que comprende un estator, que se fija giratoriamente al árbol, y un rotor del generador que tiene un reborde conectado a la primera y a la segunda disposiciones de cojinete, cada una de la primera y la segunda disposiciones de cojinete transmite fuerzas radiales del rotor del generador al árbol y cada una de la primera y la segunda disposiciones de cojinete está conectada a un punto en o adyacente al reborde con el fin de transmitir el par generado por la disposición de palas directamente al reborde, caracterizada por el hecho de que cada una de la primera y la segunda disposiciones de cojinete es de momento rígido y transmite momentos de flexión al árbol y cada una de las disposiciones de pala tiene primera y segunda patas que se ahorcajan en el generador.

Description

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DESCRIPCION

Rotor de turbina eolica y una turbina eolica

La presente invencion se refiere a un rotor de la turbina eolica y a una turbina eolica que incluye un rotor de este tipo.

Las turbinas eolicas para generar electricidad se conocen y se estan desplegando en numero creciente para proporcionar un suministro sostenible de electricidad. La potencia maxima que una turbina eolica puede generar es proporcional al area de barrido de sus palas, area de barrido que es aproximadamente proporcional al cuadrado de las longitudes de las palas. Existe un deseo de aumentar el tamano de las turbinas eolicas a fin de aumentar la potencia maxima que son capaces de proporcionar y con el fin de reducir el coste de la energia suministrada. Sin embargo, una escalada lineal de la potencia de salida no puede lograrse simplemente escalando linealmente los componentes de la turbina eolica.

Por ejemplo, si se duplica la longitud de cada pala, el area de barrido se incrementa cuatro veces. Sin embargo, el peso de cada pala es generalmente proporcional al cubo de la longitud de modo que el peso se incrementa ocho veces.

Se sabe de turbinas eolicas en las que las palas se fijan a un concentrador que acciona un generador a traves de un arbol conectado a ese concentrador. Ejemplos de esta disposicion se describen en los documentos WO 03/098034A1, DE 10311025A1, US 2006/0251516A1, EP 0058791A1 y US 6951443B1.

Los generadores accionados por ejes han requerido normalmente el uso de una caja de engranajes para aumentar la velocidad de giro a fin de proporcionar una generacion mas eficaz de electricidad. Sin embargo, las cajas de cambios son inconvenientes porque anaden al coste, los requisitos de peso y mantenimiento de las turbinas eolicas. Generadores de accionamiento directo se han utilizado y ejemplos de tales disposiciones se divulgan en los documentos DE 10255745A1 y US 6285090B1.

El documento WO 02/099950A1 divulga un generador electrico de este tipo. La turbina eolica comprende un rotor cuyo borde se conecta a un concentrador por miembros de tension para asemejarse a una rueda de radios de bicicleta. El concentrador se acciona por una disposicion de palas de turbina eolica axialmente se paradas.

El documento CA26265452A1 divulga una turbina eolica con un generador de accionamiento directo. Las palas del rotor de la turbina se fijan a una corona circular, que se conecta a un concentrador por varillas que se extienden radialmente desde el concentrador y se disponen en un plano comun perpendicular al eje de giro. Las fuerzas de pala se resuelven en la corona circular, a la que se conectan los extremos interiores de las palas. Por tanto, la corona circular se debe fabricar con resistencia suficiente para soportar estas fuerzas. Para una corona circular que tiene un radio alrededor del eje de giro del orden de 12 metros y un diametro de seccion transversal del orden de 3,5 metros, la fabricacion es relativamente costosa y la corona circular tiene un peso considerable. El transporte y montaje de la turbina eolica tienden, por tanto, a ser costosos.

El documento US 7042109B2 divulga diversas disposiciones de turbinas eolicas en las que un rotor de la turbina acciona un generador de tipo anillo sin hierro directamente, o a traves de una caja de engranajes. En la disposicion mostrada en la Figura 3 de este documento, las palas se extienden dentro de un concentrador del rotor hasta los cojinetes del concentrador y un rotor del generador se fija al concentrador. Las componentes de fuerza paralelas al eje de giro que actuan sobre las palas se comunican a los cojinetes y tambien al rotor del generador. El par producido por las palas se transmite al rotor del generador.

Tambien se sabe de turbinas eolicas con palas fijadas a un concentrador y soportadas por una disposicion de cuerda o cable. En tales turbinas, el concentrador acciona de nuevo un generador a traves de un eje y normalmente a traves de una caja de engranajes. Las turbinas eolicas de este tipo no son adecuadas para la generacion de potencia relativamente elevada puesto que el area de barrido no se puede incrementar suficientemente la vez que mantiene la integridad de la estructura. El documento WO 2008/127114 A1 divulga una disposicion de una turbina eolica en la que el rotor de la turbina comprende un concentrador generalmente en forma de rosquilla.

Otros ejemplos de turbinas eolicas se divulgan en los documentos GB 1511948A1, WO 97/13979A1, US 4330714A, US 4350895A, WO 86/02701A1, WO 2007/135391A2, US 2005/200134A1, US 5118255A, US 2050129A, DE 19606359A1 y US 2008/124216A1.

Los aspectos iniciales de la invencion se definen en las reivindicaciones y, esencialmente, incluye:

1. Una turbina eolica que comprende: un arbol; una pluralidad de disposiciones de pala, cada una de las cuales puede girar alrededor del arbol y tiene una pala cuyo extremo radialmente exterior no esta soportado: al menos primera y segunda disposiciones de cojinete axialmente separadas a lo largo del arbol; y un generador de accionamiento directo que comprende un estator, que se fija giratoriamente al arbol, y un rotor que tiene un

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reborde conectado a la primera y a la segunda disposiciones de cojinete, cada una de las que transmite fuerzas radiales del rotor al arbol y cada una de las que transmite momentos de flexion al arbol, estando cada una de las disposiciones de palas conectada a un punto en o adyacente al reborde con el fin de transmitir el par generado por la disposicion de palas directamente al respecto, teniendo cada una de las disposiciones de pala primera y segunda patas que se ahorcajan en el generador. Opcionalmente, la turbina de la invencion podria incluir las siguientes caracteristicas:

2. Una turbina como se define en el apartado 1, en la que se dispone el estator entre la primera y la segunda disposiciones de cojinete.

3. Una turbina como se define en los apartados 1 o 2, en la que cada pala se conecta con el resto de la disposicion de pala por un cojinete de paso.

4. Una turbina como se define en uno cualquiera de los apartados anteriores, en la que el reborde esta conectado a la primera y la segunda disposiciones de cojinete por una pluralidad de pares de tercera y cuarta patas, respectivamente, estando la tercera y la cuarta patas de cada par dispuestas en un plano que contiene o que es paralelo al eje del arbol.

5. Una turbina como se define en un uno de los apartados anteriores, en la que cada una de las disposiciones de pala se conecta al punto por un enlace que es flexible y/o pivota con la disposicion de pala y/o el punto.

6. Una turbina como se define en uno cualquiera de los apartados anteriores, en la que cada una de la primera y segunda disposiciones de cojinete transmite momentos de flexion al arbol.

7. Una turbina como se define en uno cualquiera de los apartados anteriores, en la que la primera y segunda patas estan conectadas a la primera y la segunda disposiciones de cojinete, respectivamente.

Se describira adicionalmente la invencion, a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 ilustra una turbina eolica que constituye una realizacion de la invencion;

La Figura 2 es un dibujo en seccion transversal de una parte de la turbina eolica de la Figura 1;

La Figura 3 ilustra una turbina eolica que constituye otra realizacion de la invencion;

La Figura 4 ilustra un rotor de la turbina eolica y el estator de la turbina de la Figura 3 con mas detalle;

La Figura 5 ilustra una turbina eolica que constituye una realizacion adicional de la invencion;

La Figura 6 ilustra un rotor de la turbina eolica de la turbina eolica de la Figura 5 con mas detalle;

La Figura 7 es un dibujo en seccion transversal de un detalle de la parte de turbina eolica que se muestra en la Figura 2; y

La Figura 8 ilustra una turbina eolica que comprende otra realizacion de la invencion.

Los numeros de referencia iguales se refieren a partes similares en todos los dibujos.

La turbina eolica que se muestra en las Figuras 1 y 2 es adecuada para su uso como un generador de alta potencia de electricidad. Por ejemplo, en una aplicacion normal, una turbina eolica de este tipo puede tener una potencia nominal del orden de doce megavatios. La turbina se puede desplegar en tierra o en alta mar donde existen condiciones de viento favorables y la presencia de una o mas de tales turbinas eolicas es aceptable.

La turbina eolica comprende una torre de soporte 1 que puede estar fija en el suelo por medio de una base adecuada (no mostrada) para aplicaciones en tierra o puede estar provista de disposiciones de flotabilidad y/o fijacion para aplicaciones en mar abierto. Por ejemplo, la torre y la disposicion de fijacion pueden ser del tipo divulgado en los documentos EP1509696 y EP1944504.

Un arbol principal 2 se fija a un cabezal 3 de la torre 1 de tal manera que un eje 4 del arbol se mantiene sustancialmente horizontal. Con el fin de permitir que la turbina eolica acepte diferentes direcciones del viento, el cabezal 3 se puede montar en la parte superior de la torre 1 para pivotar alrededor de un eje vertical. La turbina eolica comprende un rotor que se monta de forma giratoria en el arbol 2 para su giro alrededor del eje 4 por medio de cojinetes principales 5, que incluyen el primer y segundo miembros portantes 6. El rotor comprende los miembros portantes 6 (que constituyen un concentrador), tres palas de turbina 7, que se disponen equiangularmente alrededor del eje 4, tres disposiciones de montaje 8 de las palas de turbina, y una disposicion de accionamiento del generador en forma de un rotor anular 9 del generado. Un estator 10 del generador se fija al arbol 2 entre los miembros

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portantes 6.

Cada uno de los miembros portantes 6 es de tipo "momento rigido'. En particular, los miembros portantes 6 trasfieren momentos de flexion en las disposiciones de montaje 8 de las palas al arbol 2. De este modo, los miembros portantes 6 son tales que los momentos de flexion que podrian alterar la posicion del rotor 9 con respecto al estator 10 se transfieren al arbol 2, lo que resiste tales desplazamientos.

Los miembros portantes 6 pueden ser de cualquier tipo adecuado. Por ejemplo, cada uno de los miembros portantes 6 puede comprender uno o mas cojinetes, cada uno de los que puede ser un cojinete con elementos rodantes o un cojinete simple y puede proporcionar un contacto angular. Ejemplos de elementos rodantes que son adecuados incluyen elementos esfericos, elementos cilindricos y elementos troncoconicos (ahusados). Por ejemplo, aros exteriores pueden estar conectados de forma rigida a un tubo o tuberia que forma un concentrador. En un ejemplo especifico, dos cojinetes con elementos rodantes se pueden disponer en o adyacente a un extremo de la tuberia y un cojinete con elemento rodante se puede disponer en o adyacente al otro extremo de la tuberia. Los cojinetes se pueden disponer dentro de la tuberia.

A pesar de que las turbinas eolicas de las realizaciones descritas en la presente memoria tienen tres palas de turbina y disposiciones de montaje o disposiciones de pala, se pee proporcionar cualquier numero apropiado de acuerdo con la aplicacion. Las palas 7 se soportan exclusivamente en sus extremos o porciones radialmente interiores y no se soportan en sus extremos radialmente exteriores, por ejemplo mediante una estructura de anillo (aunque se pueden utilizar cables de interconexion).

Cada disposicion de montaje 8 comprende un miembro que se puede formar a partir de material compuesto o de metal. La disposicion 8 se asemeja a un "bastidor A" o bastidor espacial y comprende la primera y segunda porciones 11 y 12 que forman el primer y segundo miembros cuyos extremos interiores se conectan a los miembros portantes 6 a fin de estar separados entre si en paralelo al eje 4. Los extremos interiores se pueden fijar rigidamente a los miembros portantes o se pueden fijar de forma pivotante a los mismos. Los extremos exteriores se conectan entre si y a una parte exterior del miembro de material compuesto 8 lo que proporciona un montaje pivotante para la pala 7 de tal manera que la pala 7 puede pivotar alrededor de su eje longitudinal a fin de permitir el control del grado de vuelo o paso de la pala. Por ejemplo, el extremo exterior de la disposicion de montaje de la pala esta provisto de una placa que se extiende sustancialmente perpendicularmente al eje de paso de la pala 7. La placa proporciona un montaje para la pala, que se conecta a la placa por un cojinete de paso 13 para permitir que el paso de la pala 7 varie. Un motor 14 hace girar la pala 7 a un paso deseado. Los extremos exteriores de los miembros 11 y 12 se conectan al montaje de la pala 7 en virtud de ser parte del miembro de material compuesto. Por tanto, el rotor de la turbina comprende una estructura de multiples patas con extremos de patas radialmente interiores unidos a los miembros portantes 6.

El rotor del generador comprende una pluralidad de pared de tercer y cuarto miembros 15 y 16 dispuestos para asemejar marcos A o marcos espaciales. Los extremos radialmente interiores de los miembros 15 y 16 se conectan a los miembros portantes 6 a fin de estar separados axialmente mientras que los extremos radialmente exteriores de los miembros 15 y 16 se conectan a una disposicion de accionamiento del generador en forma de rotor 9 del generador. El rotor 9 del generador se conecta, por tanto, a pero separado de las palas 7. Como una alternativa, el rotor puede estar en compresion y puede conectarse al concentrador por radios en tension.

El generador que comprende el rotor 9 y el estator 10 es del tipo sin hierro, anular o de anillo y de accionamiento directo. El rotor comprende un par de miembros anulares coaxiales 17 y 18 que llevan imanes permanentes y que definen entre los mismos un espacio de aire magnetico. Los imanes se disponen en los miembros anulares 17 y 18 como pares enfrentados de imanes de manera que los imanes de cada par tienen polos opuestos uno frente al otro y los polos magneticos alternan alrededor de las circunferencias, o angularmente con respecto al eje 4.

El estator comprende una pluralidad de bobinas angularmente distribuidas 19 que se disponen en el interior del espacio de aire entre los miembros 17 y 18. Las bobinas 19 son del tipo "sin hierro" porque no contienen un nucleo ferromagnetico. Por ejemplo, las bobinas se pueden formar y encapsular en un material de resistencia suficiente, tal como una resina epoxi, para mantener la estructura y la forma de las bobinas. Las salidas de las bobinas se procesan de acuerdo con los requisitos especificos de aplicacion y la electricidad generada se suministra a traves de conductores que pasan a traves de la torre 1.

El estator puede comprender un reborde en compresion conectado al arbol por radios en tension.

Los generadores de este tipo son conocidos y no se describiran adicionalmente con detalle. Del mismo modo, se conocen y no se describiran adicionalmente disposiciones de circuitos electricos para el procesamiento de las salidas de dichos generadores. Ejemplos de tales generadores y disposiciones se divulgan, por ejemplo, en diversas de las publicaciones mencionadas anteriormente.

Cada una de las disposiciones de montaje 8 se conecta al rotor 9 por medio de una conexion que se muestra en 20. El rotor 9 se acciona, por tanto, por cada pala 7 a traves de su disposicion de montaje 8 y la conexion 20 a fin de

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girar alrededor del eje 4 en relacion con el estator 10. Las bobinas 19 cortan, de este modo, el flujo magnetico entre los miembros 17 y 18 en el espacio de aire para generar electricidad.

Durante su uso, las palas 7, que se disponen en un plano comun perpendicular al eje 4 de giro alrededor del arbol 2 o en una superficie troncoconica que es coaxial con el eje 4, se dirigen en la direccion del viento y los motores 14 hacen girar las palas 7 alrededor de sus ejes longitudinales con el fin de proporcionar el paso de pala deseado. Por ejemplo, el paso se puede configurar de tal manera que la velocidad punta exterior de las palas 7 es aproximadamente igual a seis veces la velocidad del viento para la eficiencia teorica maxima de extraccion de energia a partir del viento. Diversas fuerzas actuan sobre las palas 7 y estas se pueden resolver en fuerzas que actuan sobre las palas 7 paralelas al eje 4, el peso de las palas y las disposiciones de montaje 8 de las palas, y el par que actua sobre las palas 7 alrededor del eje 4. La disposition de montaje 8 es tal que al menos algo de la fuerza resultante de las fuerzas que actuan paralelamente al eje 4 (o todas las componentes de fuerza que actuan en paralelo a este eje) se comunica, principalmente por los miembros 11 y 12 de cada miembro de material compuesto 8, a los miembros portantes 6. Cada pala 7 tiene un centro 30 de fuerza de todas las componentes de fuerza 33 que actuan en paralelo al eje 4 de giro. Los miembros 11 y 12 se extienden en las lineas 31, 32 que se cruzan entre si sustancialmente en o adyacentes al centro 30 de fuerza. Por lo tanto, cualquier tendencia a moverse en la direccion horizontal en la Figura 2 se resiste por los miembros portantes 6 a traves de los miembros 11 y 12 y no se comunica sustancialmente a traves de la conexion 20 al rotor 9.

Es preferible en una gran proportion, por ejemplo, de mas del 50 % o incluso mas del 90 %, que la fuerza resultante se comunique por las disposiciones de montaje 8 a los miembros portantes 6 y, por lo tanto, no al rotor 9 del generador. La fuerza que tiende a desviar el rotor 9 en paralelo al eje 4 se reduce, lo que reduce el requisito de resistencia de la estructura de soporte del rotor a fin de permitir un espacio magnetico del generador relativamente pequeno.

El rotor 9 se conecta a las disposiciones de montaje 8 y mantiene las relaciones angulares de las disposiciones de montaje. En particular, el rotor 9 resiste el par alrededor del eje 4 generado por el peso de las disposiciones de montaje 8 y las palas 7 a fin de mantener las separaciones angulares relativas de las mismas. Las conexiones de las disposiciones de montaje 8 a los miembros portantes 6 no estan obligadas a mantener estas relaciones o separaciones angulares e incluso pueden comprender conexiones pivotantes como se ha mencionado anteriormente.

El par generado por las palas 7 se comunica sustancialmente exclusivamente a traves de la conexion 20 al rotor 9 del generador. En particular, no hay comunicacion o transmision sustancialmente del par al rotor 9 a traves de una trayectoria que comprende los miembros 11 y 12, los miembros portantes 6 y los miembros 15 y 16. Los miembros 15 y 16 que soportan el rotor 9 en el miembro portante 6 llevan una carga o componente de fuerza reducida paralela al eje 4 y, por lo tanto, no son solamente necesarios para asegurar la estabilidad estructural del rotor 9 en las direcciones paralelas al eje 4 en la presencia de tal carga reducida. Todos los miembros portantes de carga estan actuando sustancialmente en tension o compresion y, por lo tanto, se asemejan a una disposicion de bastidor espacial. Por tanto, una estructura de bastidor abierto que se asemeja o actua como un bastidor espacial se puede utilizar para formar la disposicion de rotor de la turbina para el montaje de las palas de turbina y el accionamiento del generador. Por tanto, una estructura relativamente ligera se puede proporcionar y es facilmente capaz de mantener la integridad estructural en presencia de las fuerzas que se producen durante la operation de una turbina eolica de potencia relativamente elevada. Por ejemplo, una estructura de este tipo se puede utilizar para proporcionar un generador de 12 MW relativamente ligero o de tamano similar.

Debido a que el par generado por las palas 7 alrededor del eje 4 se comunica sustancialmente exclusivamente por la conexion 20 en cada miembro 8, la conexion 20 puede ser de tipo pivote. Del mismo modo, las conexiones 21 de los miembros 11 y 12 a los miembros portantes 6 no estan obligadas a comunicar o resistir el par debido a que los miembros rigidos sustancialmente rectos 11 y 12 estan solo transmitiendo sustancialmente las fuerzas de tension y compresion a lo largo de su longitud. Las fuerzas reducida en el plano de la Figura 2 paralelo al eje 4 actuan en el rotor 9 de modo que el espacio de aire entre los miembros que llevan el iman permanente anular 17 y 18 pueden ser relativamente pequenos.

En el caso de una turbina eolica con una capacidad maxima de generation del orden de 12 MW, las palas 7 son normalmente del orden de 50 m de longitud y el rotor 9 es normalmente del orden de 12 metros de radio. La estructura de bastidor abierto proporciona una integridad estructural adecuada por medio de una estructura relativamente ligera que forma o se asemeja a un bastidor espacial. La fabrication de componentes, el transporte al sitio, y el montaje de los componentes para formar la turbina eolica son, por tanto, mas faciles y mas baratos que para los tipos de disposiciones conocidas. Por lo tanto, es posible proporcionar una turbina eolica, que sea menos costosa de fabricar y de montar y que requiera relativamente poco mantenimiento durante su uso. Por tanto, tal turbina eolica ofrece una muy buena relacion entre la energia generada y el coste total a lo largo de su vida util y representa una fuente sostenible de energia electrica, que es muy eficaz en terminos de costes de fabricacion y de funcionamiento.

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Al proporcionar los imanes permanentes del generador en el rotor 9 y las bobinas 19 del generador en el estator 16, la electricidad generada se puede extraer de la turbina eolica por medio de conductores electricos fijos sin requerir, por ejemplo, anillos deslizantes u otras conexiones electricas relativamente moviles. Sin embargo, si es necesario o deseable, los imanes permanentes se pueden proporcionar en el estator 10 y las bobinas se pueden proporcionar en el rotor 9, en cuyo caso algun tipo de conexion electrica giratoria, tales como anillos colectores, sera generalmente necesaria con el fin de extraer la electricidad generada por la turbina eolica.

El rotor 9 del generador forma parte de la estructura del rotor de la turbina eolica. Por lo tanto, tiene el doble objetivo de montar los imanes permanentes (o bobinas) del generador y formar parte de la estructura para la transmision del par generado por las palas 7. Esto representa una disposicion estructuralmente eficaz que contribuye a la ligereza relativa del rotor de la turbina y montaje del generador.

Las Figuras 3 y 4 ilustran otro tipo de rotor de la turbina eolica que difiere del mostrada en las Figuras 1 y 2 principalmente en que los miembros 11 y 12 se forman como varillas o tubos, por ejemplo de metal. Ademas, las conexiones 20 para la transmision del par de las palas 7 al rotor 9 se forman como varillas o tubos de modo que la estructura que incluye las disposiciones de montaje 8 de las palas se asemeja mas a un bastidor espacial. Cada pala tiene su extremo interior montado en un cojinete principal 21 de tal manera que al menos algo de la fuerza resultante de las componentes de las fuerzas que actuan sobre las palas paralelas al eje 4 del arbol 2 se comunica a los miembros portantes 6 a traves de los miembros 11 y 12 (los miembros se extienden en lineas que intersecan sustancialmente entre si en o adyacente al centro de fuerza de la pala para todas las componentes de fuerza que actuan paralelas al eje de giro) mientras que el par que actua sobre las palas 7 alrededor del eje 4 se comunica sustancialmente exclusivamente por los miembros 20 al rotor 9 y el rotor 9 mantiene la relacion angular de las disposiciones de montaje 8. Los extremos interiores de las palas estan provistos de o formados en un arbol que pasa a traves de los cojinetes principales 21 hasta los cojinetes adicionales 22 que se fijan a los extremos exteriores de los miembros 15 y 16 (no visibles en las Figuras 3 y 4), que estan situados en el mismo plano radial que contiene los miembros adyacentes 11 y 12. Por lo tanto, los miembros 15 y 16 ayudan en la comunicacion de las componentes, paralelas al eje 4, de la fuerza que actua sobre las palas 7 a los miembros portantes 6 y a no transmitir ningun par sustancial alrededor del eje 4. Las palas 7 y el rotor 9 se conectan entre si de este modo y a los miembros portantes 6 por un bastidor espacial o una disposicion que se asemeja a un bastidor espacial. El rotor 9 sirve tambien la finalidad de actuar como un miembro estructural con respecto al par, resistiendo las fuerzas de las palas perpendiculares al eje de giro, y soportando los imanes permanentes (o bobinas) de los generadores. El estator 10 se fija al arbol 2 entre los miembros portantes 6, que forman parte de o estan provistos de cojinetes de empuje para la fijacion o limitacion de la separacion axial de los miembros portantes 6.

El rotor de la turbina eolica que se muestra en la Figura 6 de la turbina eolica que se muestra en la Figura 5 es similar al rotor de la turbina eolica que se muestra en la Figura 4, pero se dispone para fabricarse como secciones de material compuesto que se unen entre si. Cada miembro 11 o 12 y su miembro adyacente 15 o 16 se forman integralmente con el cojinete de pala principal 21 y el cojinete de pala auxiliar 22. El conjunto de rotor de la turbina eolica se puede formar de componentes compuestos unidos o pueden incluir algunos componentes no compuestos. Por tanto, este rotor se puede considerar como un equivalente compuesto de un bastidor espacial.

La Figura 7 ilustra parte de la estructura de rotor y estator del generador que se puede utilizar en cualquiera de las realizaciones pero que, a modo de ejemplo, se refiere al rotor mostrado en la Figura 2. El rotor 9 del generador comprende primer y segundo yugos anulares 23, que forman una parte estructural principal del rotor del generador. Los yugos 23 proporcionan tambien una trayectoria de flujo magnetico y, por lo tanto, deben tener un espesor suficiente para este fin y ser de un material ferromagnetico adecuado. Los yugos 23 se fijan a los extremos radialmente exteriores de los miembros 15 y 16.

En esta realizacion, los imanes permanentes 25 se fijan al rotor 9. En particular, cada uno de los imanes permanentes 25 tiene una forma similar a un sector y se fija a una placa de montaje ferromagnetica 24. Las placas de montaje 24 se fijan de forma desmontable a los yugos 23, por ejemplo por medio de pernos 26, a fin de permitir que los imanes se monten en y desmonten de los yugos 23.

El estator 10 comprende una pluralidad de bobinas 19, por ejemplo "encapsuladas" en una resina epoxi con el fin de mantener la forma y la estructura de las bobinas contra las fuerzas que actuan dentro del generador y sin la necesidad de nucleos o formadores. Las bobinas 19 se disponen en el espacio de aire magnetico definido entre imanes opuestos 25 en el primer y segundo yugos 23. El campo magnetico en el espacio de aire es sustancialmente uniforme, de modo que el rendimiento del generador es tolerante de la posicion axial de las bobinas 19 en relacion con los imanes 25. Los imanes de cada par opuesto que definen el espacio de aire tienen polos magneticos opuestos uno frente al otro. Ademas, los polos magneticos de los imanes permanentes en los yugos alternan circunferencialmente (o angularmente alrededor del eje 4). Cada una de las bobinas 19 genera, por lo tanto, una corriente alterna y las bobinas pueden estar interconectados de acuerdo con cualquier tecnica adecuada, por ejemplo conocida, con el fin de proporcionar la salida de potencia deseada.

Se toma ventaja de la necesidad de que la trayectoria de flujo magnetico detras de los imanes generalmente planos tenga que tener un cierto espesor minirno para un rendimiento optimo del generador. Gran parte de este espesor se

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proporciona por los yugos 23, que por lo tanto son relativamente fuertes y forman parte de la estructura de rotor del generador para la transmision del par. El uso de placas de montaje separadas 24 para el montaje de los imanes 25 es conveniente para la fabricacion del rotor 9 del generador y para su mantenimiento, tal como la eliminacion y sustitucion de los imanes danados.

La division del rotor 9 del generador en yugos anulares continuos 23, que se pueden soldar y/o mecanizarse antes del montaje de los imanes, y una pluralidad de segmentos discretos en forma de placas 24 que llevan los imanes 25 permite que los imanes se monten durante el montaje del rotor en grupos o segmentos mas pequenos. Esto es de nuevo conveniente para el montaje y para la retirada, durante su uso, para reemplazar los imanes danados o para cualquier otro fin. Una disposicion de este tipo permite que las placas de montaje 24 y los imanes 25 se instalen radialmente desde fuera de la estructura de rotor del generador sin interferir con los devanados de extremo de las bobinas 19 que, como se muestra en la Figura 7, tienden a ser mas anchos que las partes de las bobinas que pasan a traves del espacio de aire magnetico. El estator 10 con las bobinas 19 se forma como una pluralidad de elementos generalmente en forma de sector que se instala tambien radialmente durante el montaje del rotor de la turbina. Cada elemento de estator se instala de forma simultanea con los imanes adyacentes 25 en sus placas de montaje 24 con el fin de dar cabida a todos los componentes en el reborde del generador. Esto permite que la estructura de reborde principal del generador formada por los yugos anulares 23 sea continua.

La Figura 8 ilustra una turbina eolica que difiere de la mostrada en la Figura 1 en que la conexion 20 se encuentra en la forma de un enlace en lugar de una cola extendida de la montura de pala. Ademas, el cojinete de paso se encuentra radialmente mas cerca del arbol 2. Ademas, la conexion 21 con pasadores se sustituye por una conexion diferente de cualquier tipo adecuado.

Se debe apreciar que las palas 7 no tienen que tener un paso variable, y que las palas 7 tampoco se tienen que formar por separado de las disposiciones de montaje 8 de las palas.

En las disposiciones de paso variable, las palas de la turbina eolica se controlan colectiva o individualmente con el fin de cambiar su angulo con respecto al viento aparente y, por tanto, controlar la velocidad del rotor. Aunque estas disposiciones funcionan bien, requieren que las palas se monten de forma giratoria alrededor de sus ejes longitudinales o "de paso". Accionadores, tales como motores electricos, son obligados a variar el paso de las palas y disposiciones de control son necesarias para controlar el paso de las palas. Esto se suma al coste y la complejidad de tales turbinas eolicas y puede anadirse a la exigencia de mantenimiento.

La turbina eolica puede tener una disposicion de control de velocidad regulado por parada. En el caso del control o regulacion de parada, las palas no pueden girar alrededor de su eje de paso, pero se fijan al concentrador con su torsion distribuida para operar a la velocidad de giro optima cercana a la velocidad de flujo entrante (relacion de velocidad de la punta). A relaciones de velocidad superiores a la optima, el angulo de ataque se reduce y el par producido se reduce. A relaciones de velocidad por debajo de la optima, el angulo de ataque se incrementa, haciendo que la pala se pare, lo que reduce la elevacion de production del par, y aumenta la resistencia. Parte de este mecanismo de regulacion puede depender de la capacidad de controlar la velocidad de giro del rotor, ya sea por el suministro del par reactivo del generador o por sistemas de frenado mecanicos o aereos. Por ello, se puede proporcionar segun sea necesario o deseable.

[Un resultado del enfoque de control de parada podria ser que las cargas mas altas se imponen en el sistema de rotor y turbina en comparacion con una turbina contralada por paso. Sin embargo, la simplicidad del sistema y una mayor fiabilidad del sistema de regulacion de parada hacen que sea economicamente atractivo en muchas aplicaciones.

En algunas realizaciones, las palas 7 se pueden formar integralmente con las disposiciones de montaje 8 de las palas, por ejemplo, utilizando materiales compuestos mencionados anteriormente. Tambien es posible que todas las palas del rotor, incluyendo todas las palas 7, se formen integralmente, por ejemplo, si todo el rotor se forma de componentes de material compuesto como se ha mencionado anteriormente.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

REIVINDICACIONES

1. Una turbina eolica que comprende: un arbol;

una pluralidad de disposiciones de pala, cada una de las cuales puede girar alrededor del arbol y tiene una pala;

al menos primera y segunda disposiciones de cojinete axialmente separadas a lo largo del arbol; y

un generador de accionamiento directo que comprende un estator, que se fija giratoriamente al arbol, y un rotor del

generador que tiene un reborde conectado a la primera y a la segunda disposiciones de cojinete,

cada una de la primera y la segunda disposiciones de cojinete transmite fuerzas radiales del rotor del generador al

arbol

y cada una de la primera y la segunda disposiciones de cojinete esta conectada a un punto en o adyacente al reborde con el fin de transmitir el par generado por la disposicion de palas directamente al reborde, caracterizada por el hecho de que cada una de la primera y la segunda disposiciones de cojinete es de momento rigido y transmite momentos de flexion al arbol y

cada una de las disposiciones de pala tiene primera y segunda patas que se ahorcajan en el generador.
2. Una turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que el estator esta dispuesto entre la primera y la segunda disposiciones de cojinete.
3. Una turbina eolica de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en la que cada pala esta conectada al resto de la disposicion de pala por un cojinete de paso.
4. Una turbina eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el reborde esta conectado a la primera y la segunda disposiciones de cojinete por una pluralidad de pares de tercera y cuarta patas, respectivamente, estando la tercera y la cuarta patas de cada par dispuestas en un plano que contiene o que es paralelo al eje del arbol.
5. Una turbina eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que cada una de las disposiciones de pala esta conectada al punto por un enlace que es flexible y/o pivota con la disposicion de pala y/o el punto.
6. Una turbina eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que cada una de la primera y la segunda disposiciones de cojinete transmite momentos de flexion al arbol.
7. Una turbina eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la primera y la segunda patas estan conectadas a la primera y la segunda disposiciones de cojinete, respectivamente.
8. Una turbina eolica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, manteniendo el rotor del generador al menos parcialmente las relaciones angulares de las disposiciones de pala y estando separado de las disposiciones de pala, estando cada disposicion de pala dispuesta para comunicar sustancialmente de manera exclusiva al rotor del generador el par de la disposicion de pala que actua sobre el eje.
9. Una turbina eolica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que las disposiciones de pala tienen palas que no estan soportadas en sus extremos radialmente exteriores.
10. Una turbina eolica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que la disposicion de cojinete, o cada una de ellas, comprende una pluralidad de cojinetes con elementos rodantes o planos cuyos aros exteriores estan conectados rigidamente a una tuberia.
11. Una turbina eolica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que dichas disposiciones de palas y palas forman un rotor de palas que es independiente de dicho rotor del generador.
12. Una turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 11, en la que dicho rotor del generador se encuentra dentro de dicho rotor de palas.
13. Una turbina eolica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que cada pala tiene un centro de fuerza para todas las componentes de fuerza que actuan en paralelo a dicho eje, y dichas primera y segunda patas se extienden en lineas que intersecan sustancialmente entre si en o adyacentes a dicho centro de fuerza.
14. Una turbina eolica de acuerdo con cualquier reivindicacion anterior, en la que dichas primera y segunda patas tienen extremos radialmente exteriores que estan conectados entre si en una parte exterior de la disposicion de pala que proporciona un montaje para dicha pala.
15. Una turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 14, en la que dicho montaje de dicha pala permite que la pala pueda pivotar alrededor de su eje longitudinal a fin de permitir el control del paso de la pala.