ES2344649T3 - Unidad de transmision por engranajes epicicloidales con satelites. - Google Patents
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Abstract
Una unidad de transmisión por engranajes de tipo planetario (40) que comprende un planeta (50), satélites (47, 48) una corona (49) y un portasatélites (41), dicho portasatélites (41) comprende un soporte del bogie satelital (43), el cual soporta y ubica pares de satélites espaciados circunferencialmente (47, 48), caracterizada porque cada uno de los mencionados engranajes central (50) y corona (49) es de tipo helicoidal doble y cada uno de los satélites (47, 48) de un par es del tipo helicoidal simple y de un ángulo de hélice opuesto al del otro engranaje satélite (48, 47) del par y donde cada uno de los satélites (47, 48) de un par está montado sobre un par de rodamientos de rodillos cónicos (45, 46).
Description
Unidad de transmisión por engranajes
epicicloidales con satélites.
La presente invención se refiere a una unidad de
transmisión por engranajes y, en particular, aunque no en forma
exclusiva, a una unidad de transmisión con engranajes de tipo
planetario. Puede aplicarse a una unidad de transmisión por
engranajes para una turbina eólica. Más en particular, la presente
invención se refiere a una unidad de transmisión por engranajes del
tipo planetario que comprende un planeta, satélites, una corona y
un portasatélites, dicho portasatélites comprende un soporte del
bogie que soporta pares de satélites espaciados
circunferencialmente. Un ejemplo de la mencionada unidad de
transmisión por engranajes del tipo planetario se conoce, por
ejemplo, de la patente
WO 02/14690.
WO 02/14690.
Hay una demanda continua de turbinas eólicas de
mayor tamaño especialmente para sitios offshore debido a la escasez
de sitios adecuados y el costo de las obras civiles. Al mismo
tiempo, los requerimientos para reducir el tamaño y el peso de las
máquinas y los componentes son cada vez más importantes. Por lo
general, un rotor de turbina eólica conduce el eje de baja
velocidad de una unidad de transmisión por engranajes, el cual
convierte par de torsión y velocidad del rotor al par de torsión y
velocidad de un generador eléctrico requeridos.
La integración de los componentes de una turbina
eólica es una forma de reducir el peso y hacer que el equipo de
propulsión sea más compacto, pero es importante que el diseño y
ejecución del equipo de propulsión eviten la interferencia mutua de
cargas externas e internas en los diferentes componentes. También es
importante que se logre realizar una construcción de forma
económica y que sea fiable, a pesar de los requerimientos de
densidad de gran potencia para muchas aplicaciones de turbina
eólica.
La presente invención se refiere en forma
particular pero no exclusiva al problema de proveer una unidad de
transmisión por engranajes mejorada del tipo epicíclico y, la cual,
por ejemplo, puede utilizarse en un montaje de turbina eólica.
De acuerdo a un aspecto de la presente
invención, una unidad de transmisión por engranajes del tipo
planetario consta de un planeta, satélites y una corona y un
portasatélites, dicho portasatélites comprende una soporte del
bogie satelital, la cual soporta y ubica pares de satélites
espaciados circunferencialmente, cada uno de los mencionados
planeta y corona siendo del tipo helicoidal doble y cada uno de los
satélites de un par siendo del tipo helicoidal simple y de un
ángulo de hélice opuesto al del otro satélite del par y cada
satélite de un par estando montado sobre un par de rodamientos de
rodillos cónicos.
Preferentemente, al menos uno, y más
preferentemente, los dos engranajes, planeta y corona son del tipo
helicoidal doble unitario, es decir, no dividido.
La unidad de engranaje puede constar de
satélites, los cuales pueden estar dispuestos en pares alineados
axialmente. Esto es, los satélites de un par pueden estar dispuestos
en forma coaxial.
Preferentemente, los rodamientos pueden soportar
los respectivos pares de satélites alineados, por lo general, los
dos satélites de cada par están posicionados en lados opuestos de el
soporte del bogie.
Como consecuencia del uso de una soporte del
bogie y satélites helicoidales simples dispuestos en pares, la
presente invención permite usar de la forma más ventajosa los
engranajes helicoidales sin la necesidad de utilizar coronas o
planetas divididos y encontrarse con las posibles limitaciones de
potencia relacionadas con los engranajes divididos. Además, resulta
ser un patrón de ruido más tranquilo que el que se relaciona con los
engranajes rectos convencionales.
Los rodamientos para cada posición de satélites
espaciados circunferencialmente pueden estar soportados sobre un
eje, el cual, cuando está en uso, puede autoajustarse en dicha
posición angular relativa al soporte del bogie.
Alternativamente, el mencionado eje puede estar
sustancialmente asegurado en forma rígida al soporte del bogie. El
soporte del bogie puede ser de una clase tal que, como consecuencia
de la deformación elástica, cumpla un grado suficiente para
permitir el autoajuste de la posición angular del eje relativa al
eje de rotación del engranaje corona, por ejemplo, en el caso de un
eje que esté sustancialmente asegurado en forma rígida al soporte
del bogie.
Cada engranaje satélite está montado en forma
giratoria sobre el eje mediante un par de rodamientos de rodillos
cónicos. Estos rodamientos de rodillos cónicos están preferentemente
dispuestos en una configuración en "O".
Cuando se considera en una dirección axial
paralela al eje de rotación del portasatélites, un rodamiento
principal que soporta en forma giratoria una corona respecto a un
portasatélites puede encontrarse en una posición sustancialmente
alineada en forma axial con la posición axial de por lo menos la
corona de la unidad de transmisión por engranajes.
En algunas realizaciones de la invención puede
preferirse que planeta, satélites y corona se encuentren en un plano
transversal (perpendicular al eje de rotación de dichas fuerzas de
rotación), el cual también contiene al mencionado rodamiento
principal.
El engranaje corona puede disponer ubicaciones
axial y radial para el rodamiento principal. El engranaje corona
puede tener una superficie radialmente externa de un perfil
escalonado para definir una parte saliente para la ubicación axial
de un anillo del rodamiento interno del rodamiento principal. El
anillo del rodamiento interno puede estar asegurado en forma axial y
no giratoria entre la mencionada parte saliente y una estructura de
soporte.
La corona puede estar provista de una corona de
refuerzo, y dicha corona de refuerzo puede extenderse en forma axial
y/o radial más allá de la superficie dentada de la corona. La corona
de refuerzo antes mencionada puede proveer una ubicación axial del
rodamiento principal.
El rodamiento principal puede constar de
rodamiento cónico de doble hilera, y dicho rodamiento cónico doble
puede consistir en una única corona externa de rodamiento. El
rodamiento cónico doble puede comprender rodillos dispuestos en una
configuración en O, es decir, una configuración en la cual los
rodillos de una hilera aumenten el diámetro en una dirección lejos
de los rodillos de la otra hilera del par.
En otro de sus aspectos, la invención presenta
una turbina eólica que comprende rotores, un generador y un equipo
de propulsión que consiste de una unidad de transmisión por
engranajes de un tipo de acuerdo a la presente invención. En dicho
equipo de propulsión la corona, por lo general, puede estar
soportada en forma no giratoria respecto a la estructura de
soporte.
Una parte de la unidad de transmisión por
engranajes, por ejemplo, una caja de la misma, puede estar dispuesta
para soportar un generador eléctrico.
A continuación se describirá la invención, sólo
a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos esquemáticos
adjuntos en los cuales:
- la figura 1 es una vista en alzado de una
turbina eólica;
- la figura 2 es una vista seccional de parte de
una unidad de transmisión por engranajes;
- la figura 3 muestra parte de la figura 2 más
detalladamente y la figura 4 muestra una característica particular
de la presente invención.
Una turbina eólica 10 (ver figura 1) comprende
una unidad de transmisión por engranajes 11 la cual actúa para
transmitir par de torsión desde los álabes del rotor 12 y un buje de
rotor 14 a un generador eléctrico 13, la unidad de transmisión por
engranajes comprende una unidad de engranajes epicíclica. La unidad
de transmisión por engranajes y el generador se encuentran alojados
y soportados por una góndola 15.
A continuación se describe más detalladamente la
unidad de transmisión por engranajes 11 haciendo referencia a las
figuras 2 y 3. La unidad de transmisión por engranajes 11 comprende
una unidad de engranajes epicíclica que tiene cuatro satélites
espaciados circunferencialmente 25, un planeta 27, un portasatélites
28 y una corona 24, la cual se encuentra montada en forma no
giratoria respecto a la estructura de la góndola 15. Cada uno de los
engranajes es del tipo recto.
La corona se conecta a un eje de salida (no
representado), el cual se conecta a una unidad de engranajes
adicional o directo al rotor del generador 13.
La superficie externa en forma radial 29 del
engranaje corona 24 provee la ubicación y soporte para el anillo
interno 30 de un rodamiento principal 23.
El anillo exterior 31 del rodamiento principal
tiene asegurado el buje del rotor 14 y además, tiene interpuesta
entre el buje del rotor y el anillo 31, la región exterior 22 del
portasatélites 28.
En una construcción propuesta anteriormente, el
portasatélites 28 de la figura 3 comprende cuatro topes que
soportan los rodamientos 26 espaciados en forma uniforme y
circunferencial para ubicar los rodamientos 32, los cuales soportan
en forma giratoria los cuatro satélites 25. El portasatélites 28
tiene una región anular 33 que se extiende en forma radial entre la
posición radial de los topes de los rodamientos 26 y la región
exterior 22 y está diseñado para ser relativamente rígido, en una
dirección circunferencial alrededor del eje Y, para transmitir par
de torsión entre la región 22 y los topes de los rodamientos 26,
pero para ser relativamente flexible alrededor de los ejes X y
Z.
De acuerdo con la presente invención el
portasatélites 28 es reemplazado por un portasatélites 41 (ver
figura 4) provisto, en la presente forma de realización, de tres
topes integrales y espaciados en forma uniforme y circunferencial
42, los cuales sostienen el soporte del bogie del satélite 43. El
soporte del bogie del satélite 43 brinda soporte a tres ejes
espaciados en forma uniforme y circunferencial 44, cada uno
dispuesto (según se observa en el plano de la figura 4) para
autoajustarse en posición angular sobre el soporte 43. Cada eje 44
brinda soporte, en lados opuestos del soporte 43, a un par de
rodamientos de rodillos cónicos 45, 46 alrededor de cada uno de los
cuales se monta en forma giratoria un par de satélites de hélice
simple 47, 48 para engranar con la corona 49 y el planeta 50. Cada
uno de los engranajes corona y planeta es del tipo de doble hélice.
Cada engranaje satélite de un par tiene un ángulo de hélice igual
pero opuesto al del otro engranaje satélite del par.
En la construcción anteriormente descrita el par
de torsión que actúa sobre el buje del rotor 14 bajo la acción de
los álabes del rotor 12 se transmite a los satélites 47, 48 a través
del portasatélites 41 montado en forma giratoria en la región
exterior al anillo exterior 31 del rodamiento 23. Los momentos
flectores y las fuerzas axiales en la dirección Y ejercidos por el
buje del rotor en esta construcción se transmiten directamente al
rodamiento 23. La flexibilidad de la región anular 33 del
portasatélites 28 ayuda sustancialmente a aislar estas fuerzas de
los satélites.
De esta manera, la presente invención, en su
aspecto más amplio, muestra que, al proveer pares de satélites
helicoidales simples en una soporte del bogie, se puede hacer uso de
los engranajes corona y planeta, los cuales no necesitan ser de una
construcción dividida.
La presente invención muestra en otro de sus
aspectos que los satélites pueden estar soportados, a través de los
rodamientos, sobre un eje flexible del tipo llamado flexpin, como el
descrito en la Patente de Invención GB 1.101.131 en el contexto de
un engranaje epicíclico de tipo simple. En este aspecto la presente
invención observa que ese beneficio especial se puede lograr
utilizando un eje del tipo flexpin en el contexto de una unidad de
engranaje epicíclico que tiene un bogie de satélite.
A continuación se analizará más detalladamente
una variación de la construcción de la figura 4 para utilizar un
flexpin como eje 44 del mismo.
La figura 5 muestra el diseño básico. El soporte
trasera 5, es decir, el soporte del bogie, pone en movimiento la
parte interna del eje satelital 1 el cual, a su vez, mueve la parte
externa o manga (4), el rodamiento del satélite 2 y el satélite 3.
A continuación se describe brevemente la función del flexpin en el
contexto de aplicación a un bogie haciendo referencia a la figura 6.
Una fuerza externa (por ejemplo, las fuerzas planetarias
tangenciales) hará que el eje interno 1 se tuerza como resultado del
momento flector F*y. El punto "A" está compensado por una
distancia "x" desde el punto de aplicación de la fuerza que
causa un momento F*x. Este momento flector en "A" actúa en la
dirección opuesta al primero y así hace que la manga exterior gire
en la dirección contraria al segundo momento.
La cantidad de compensación dependerá de las
distancias x e y así como también los diseños del eje interno y la
manga. El uso del flexpin es ventajoso para la distribución de
cargas en lados dentados (KH\beta) así como también intercambio
de carga entre los satélites en la célula planetaria (K_gamma). La
igualdad de cargas entre los satélites (K_gamma) será inversamente
proporcional a la rigidez de los ejes del satélite y, de esta
manera, se prefiere hacer que los ejes del satélite sean lo más
flexibles posible.
La cantidad de compensación podría ser igual en
ambos lados de el soporte del bogie central pero no tiene que
serlo. Particularmente, si la unidad de engranajes comprende un
planeta helicoidal puede ser ventajoso elegir diferentes cantidades
de compensación para que los satélites izquierdo y derecho sigan
mejor la deformación helicoidal del eje central bajo la carga.
(Debido a la torsión). Esto no sería posible en los diseños de
flexpin clásicos ya que sólo hay una hilera de satélites, pero es
posible en la aplicación de un bogie satelital.
Cuando se usan dientes helicoidales en una
célula planetaria, se crea un momento por medio de los componentes
axiales de las fuerzas normales de los dientes en los engranados de
la corona y el planeta, respectivamente (ver figura 7). Este efecto
no deseado causa que los satélites se tuerzan y que la cantidad de
oblicuidad sea inversamente proporcional a la rigidez del eje
satelital. Con un diseño de flexpin, el montaje del eje satelital
(eje interno y manga) es menos rígido que en los diseños
convencionales y, de esta manera, causará más oblicuidad satelital.
Esta es la razón por la que el flexpin generalmente se usa sólo con
engranaje recto. Una solución posible a este problema podría ser
hacer que el eje satelital (interno o combinación) fuera isotrópico
en lo que a rigidez se refiere. Las figuras 8 a 10 muestran un
sistema planetario que emplea dicho diseño. El eje interno se hace
de tal manera como para permitir la flexibilidad necesaria en la
dirección tangencial (ver figura 9) pero que sea tan rígido como
sea posible en un plano normal a la dirección tangencial (Figura
10). De esta forma, podría llegar a ser posible usar el flexpin en
combinación con los dientes helicoidales.
\vskip1.000000\baselineskip
- \bullet WO 0214690 A [0001]
- \bullet GB 1101131 A [0030]
Claims (12)
1. Una unidad de transmisión por engranajes de
tipo planetario (40) que comprende un planeta (50), satélites (47,
48) una corona (49) y un portasatélites (41), dicho portasatélites
(41) comprende un soporte del bogie satelital (43), el cual soporta
y ubica pares de satélites espaciados circunferencialmente (47, 48),
caracterizada porque cada uno de los mencionados engranajes
central (50) y corona (49) es de tipo helicoidal doble y cada uno
de los satélites (47, 48) de un par es del tipo helicoidal simple y
de un ángulo de hélice opuesto al del otro engranaje satélite (48,
47) del par y donde cada uno de los satélites (47, 48) de un par
está montado sobre un par de rodamientos de rodillos cónicos
(45, 46).
(45, 46).
2. Una unidad de transmisión por engranajes (40)
de acuerdo con la reivindicación 1, en la que dos satélites (47, 48)
de cada par están posicionados en lados opuestos del soporte
(43).
3. Una unidad de transmisión por engranajes (40)
de acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2, en la que el engranaje
central (50) es del tipo unitario.
4. Una unidad de transmisión por engranajes (40)
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que
la corona (49) es del tipo unitario.
5. Una unidad de transmisión por engranajes (40)
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, la
cual comprende un par de rodamientos de rodillos cónicos (45, 46)
dispuestos en una configuración en O.
6. Una unidad de transmisión por engranajes (40)
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la
que la posición de los rodamientos (45, 46) para cada engranaje
satélite espaciado circunferencialmente (47, 48) está soportada
sobre un eje (44) el cual, cuando está en uso, se autoajusta en la
mencionada posición angular relativa al soporte del bogie (43).
7. Una unidad de transmisión por engranajes (40)
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en la que
los rodamientos (45, 46) para al menos algunas posiciones de los
satélites espaciados circunferencialmente (47, 48) están soportadas
sobre un eje (44), el cual se encuentra sustancialmente asegurado en
forma rígida al soporte del bogie (43).
8. Una unidad de transmisión por engranajes (40)
de acuerdo con la reivindicación 7, en la que cada eje mencionado
(44) está sustancialmente asegurado en forma rígida al soporte del
bogie (43).
9. Una unidad de transmisión por engranajes (40)
de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en la que
el soporte del bogie (43) puede deformarse elásticamente para
permitir el autoajuste de la posición angular de cada eje (44)
respecto al eje de rotación de la corona (49).
10. Una unidad de transmisión por engranajes
(40) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en la que el rodamiento principal (23) comprende una superficie de
rodamiento de la corona interna (30) con un diámetro mayor al de la
superficie dentada de la corona (49).
11. Una unidad de transmisión por engranajes
(40) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en la que el portasatélites (41) provee una vía de transmisiones de
par de torsión que se extiende radialmente, la cual es rígida en
torsión pero cede relativamente en una dirección axial paralela al
eje alrededor del cual actúan las fuerzas rotacionales.
12. Una unidad de transmisión por engranajes
(40) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en la que los satélites (47, 48) están soportados con relación al
soporte del bogie (43) por medio de un eje flexible (44) del tipo
flexpin.
Applications Claiming Priority (2)
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