VOLANTE TENSOR EN UNA SISTEMA DE ROTOR PARA TURBINAS DE VIENTO Y AGUA ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Campo de la Invención La invención se refiere a un sistema de rotor para una turbina de flujo de fluido que comprende un núcleo instalado sobre un eje y una pluralidad de aspas de rotor. Técnica Anterior En una turbina de viento típica de eje horizontal, se instala un nácela sobre una torre vertical alta. La nácela aloja mecanismos que transmiten energía, equipo eléctrico y soporta un sistema de rotor en un extremo. Los sistemas de rotor para turbinas de viento de eje horizontal comúnmente incluyen una o más aspas unidas a un núcleo de rotor sobre un eje. El flujo de viento gira el rotor el cual gira el eje en la nácela. El eje gira engranajes que transmiten el torque a los generadores eléctricos. La nácela típicamente gira alrededor de la torre vertical para tomar ventaja del viento que fluye desde cualquier dirección. El girar alrededor de este eje vertical en respuesta a los cambios en la dirección del viento se conoce como oscilación o respuesta del oscilación y el eje vertical se refiere como el eje de oscilación. A medida que el viento se mueve a lo largo de las aspas con suficiente velocidad el sistema de rotor gira y la turbina de viento convierte la energía del
viento en energía eléctrica a través de los generadores. Las salidas eléctricas de los generadores se conectan a una red eléctrica . Los sistemas de rotor convencionales tienden a moverse en respuesta a los cambios en la dirección del viento durante la operación al oscilar a una posición del oscilación apropiada con relación a una nueva dirección del viento, en lugar de rastrear tales cambios en una manera estable. Los cambios en la dirección del viento o las ráfagas de viento gira del sistema de rotor de las turbinas de viento típicas lejos de una posición de oscilación apropiada y el sistema entonces oscila a una posición con relación a la dirección promedio del viento cuando se disipa el viento transitorio. Los movimientos de oscilación inestables dan como resultado una vibración y tensión no deseadas en el sistema de rotor. La fatiga del aspa y del núcleo de rotor y la falla última del aspa y el núcleo de rotor en donde se encuentran el aspa y el núcleo de rotor se relaciona directamente con el número de movimientos de oscilación y la velocidad en la que ocurren. Los cambios rápidos en el oscilación incrementan de manera dramática las fuerzas que actúan en contra la inercia rotacional de todo el sistema de rotor, aumentando los momentos de flexión en la raíz del aspa en donde se encuentran y se unen al núcleo de rotor. La vibración y la tensión causa fatiga en el núcleo de rotor y la raíz del aspa
disminuyendo por lo tanto la vida útil del equipo y reduciendo la seguridad de funcionamiento. Una forma hemisférica, es decir, que tiene una forma que se aproxima a la mitad de una esfera delimitada por un gran círculo, es la geometría ideal para un componente altamente cargado tal como el núcleo de una turbina de viento o agua. Por esta razón, los núcleos hemisféricos son de uso común. Sin embargo, la forma hemisférica se compromete por la introducción de orificios igualmente espaciados para acomodar cada una de las varias raíces de aspa. Ya que estos orificios retiran algo de la resistencia estructural del núcleo, el material restante del núcleo se vuelve más altamente tenso. El tamaño, peso y costo del núcleo se determinan por la proporción de los orificios de aspa al diámetro hemisférico. Los momentos de flexión del aspa deflectan la forma hemisférica, concentrando la tensión en el material restante entre los orificios de aspa. A medida que se incrementa el tamaño del rotor de la turbina de viento en el rango del tamaño de multi-megavatio, la longitud del aspa impone requerimientos estructurales en el extremo de la raíz del aspa que agrega peso lo cual a su vez impone aún mayores reguerimientos estructurales, que al final limitan las posibilidades de aumentar la escala del aspa. Por lo tanto es deseable limitar la longitud del
aspa a materiales y diseños que proporcionen margenes estructurales fiables pero que aumenten el diámetro del rotor, para proporcionar una mayor área de arrastre de rotor que da como resultado una mayor captura de la energía del viento. También es deseable proporcionar una geometría de núcleo de rotor que tenga una estructura fiable mientras que incremente el área de arrastre del rotor. SUMARIO DE LA INVENCIÓN De acuerdo con los principios de esta invención un sistema de rotor para una turbina de flujo de fluido comprende un núcleo instalado sobre un e e y una pluralidad de aspas de rotor y se caracteriza por una volante tensor, comprendiendo el volante tensor una estructura de corona instalada al núcleo mediante una pluralidad de rayos de rueda, uniéndose las aspas de rotor a la estructura de corona del volante tensor. En una modalidad preferida las aspas de rotor se instalan al núcleo y comprenden una sección interior entre el núcleo y la estructura de corona y una sección exterior fuera de la estructura de corona. Preferentemente, no solo la sección exterior comprende aspas, sino también la sección exterior comprende superficies aerodinámicas, tales como aspas o laminas, para utilizar la energía de viento en el área circunscrita por la estructura de corona. En una
modalidad preferida también los rayos de rueda comprenden superficies aerodinámicas, tales como aspas o láminas para utilizar la energía del viento adicional. La invención tiene la ventaja de limitar la longitud del aspa a materiales y diseños que proporcionan márgenes estructurales fiables pero que incrementan el área de arrastre del rotor (diámetro del rotor) al reemplazar un diseño de núcleo convencional con una disposición de núcleo de volante tensor con aspas unidas a la corona del volante tensor. Al mismo tiempo que se logra el incremento en el área de arrastre con aspas de una longitud, lo cual cumple requerimientos estructurales adecuados, lo hace al costo de no utilizar la energía del viento en el área del rotor circunscrita por el núcleo del volante tensor. La energía perdida puede, sin embargo capturarse al aplicar superficies aerodinámicas, tales como aspas o laminas, a los rayos de rueda del volante tensor o mediante aspas que comprenden una sección de aspa exterior unida a la corona del volante tensor y una sección de aspa interna entre la corona y el núcleo. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista frontal de un sistema de rotor y torre de horquilla superior en los cuales se incorpora la invención del solicitante; La Figura 2 es una vista lateral de un sistema de
rotor mostrado en la Figura 1 que tiene trenes de accionamiento dobles; La Figura 3 es una vista lateral de un sistema de rotor mostrado en la Figura 1 que tiene un solo tren de accionamiento; La Figura 4 es una vista en sección transversal del núcleo de rueda y el aspa instalada en la corona de rueda; La Figura 5 es una vista en sección parcial de núcleo de rueda con laminas o aspas instaladas en los rayos de rueda; La Figura 6 es una ilustración de la captura de energía en red aproximada lograda por el rotor al extender el área de arrastre mediante el uso de un núcleo de volante tensor . La Figura 7 es una vista esquemática en perspectiva del sistema de rotor que muestra en más detalle el volante tensor; La Figura 8 muestra en más detalle el aspa instalada al volante tensor y al núcleo; La Figura 9 muestra el aspa interna instalada en el núcleo; La Figura 10 muestra el aspa exterior instalada a la estructura de corona del volante tensor; y La Figura 11 muestra en más detalle la instalación del volante tensor al núcleo y el núcleo a la torre.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Refiriéndose a la Figura 1, gue es una vista frontal de un sistema de rotor y torre de horguilla superior 1 en la cual se incorpora la invención del solicitante. El dispositivo generador de energía de viento incluye un generador eléctrico alojado en una nácela 2 de la turbina, que se instala por una sección de horquilla superior, 132, a una base de oscilación 102 en la parte superior de una estructura de torre alta 104 anclada a tierra 105. La base de oscilación 102 de la turbina gira libremente en el plano horizontal de tal manera que tiende a permanecer en la trayectoria de la corriente de viento prevaleciente. La turbina tiene una instalación de núcleo 106 del volante tensor que comprende un volante tensor instalado sobre un núcleo 8. El volante tensor consiste de una estructura de corona 3 soportada por rayos de rueda siete unidos al núcleo 8. La estructura de corona 3 (mostrada en más detalle en las Figuras 4 y 5) comprende una corona interna 112 (a la cual se unen los rayos de rueda 7) y una corona exterior 107. Las aspas principales 108 se unen a la corona exterior 107. Las aspas 108 giran en respuesta a la corriente del viento. Cada raíz de aspa 122, 124, 126, 128, 130 se instalan a la corona exterior 107 del volante tensor. Cada una de las aspas 108 puede tener una sección de extensión de aspa que es variable en longitud para proporcionar un rotor de diámetro variable y
pueda engranarse para cambiar el paso. La nácela 2 aloja mecanismos que transmiten energía, equipo eléctrico y un eje que soporta el rotor. El sistema de rotor mostrado en la Figura 1 tiene cinco aspas 108 unidas a la corona exterior 107 de la instalación de núcleo 106 del volante tensor, el cual gira un eje en la nácela 2. El eje gira engranes que transmiten torque a los generadores eléctricos. La nácela 2 gira alrededor de un eje vertical para tomar ventaja del viento que fluye desde cualquier dirección. El giro alrededor de este eje vertical en respuesta a los cambios en la dirección del viento se conoce como oscilación o respuesta de oscilación y el eje vertical se refiere como el eje de oscilación. A medida que se mueve el viento pasan las aspas 108 con suficiente velocidad, el sistema de rotor gira y la turbina de viento convierte la energía del viento en energía eléctrica a través de los generadores. Se conectan salidas eléctricas de los generadores a una red eléctrica. El diámetro del rotor puede controlarse para extender el rotor completamente a una baja velocidad de flujo y retraer el rotor a medida que la velocidad de flujo se incrementa de tal manera que las cargas suministradas por o ejercidas sobre el rotor no excedan los límites establecidos. La turbina se mantiene por la estructura de la torre en la trayectoria de la corriente de viento de tal manera que la
turbina se mantiene en su lugar horizontalmente en alineamiento con la corriente de viento. El generador eléctrico se acciona por la turbina para producir electricidad y se conectan a cables que llevan energía interconectados con otras unidades y/o a una red eléctrica. Refiriéndose a la Figura 2, la cual es una vista lateral del sistema de rotor mostrado en la Figura 1. En esta modalidad, la base de oscilación 102 soporta una torre de horquilla superior que tiene dos secciones 132, 134 en cuya parte superior se encuentran unidos dos nácelas 136, 138. Refiriéndose a la Figura 3, la cual es una vista lateral de un sistema de rotor alternativo que soporta únicamente una nácela 142. En esta modalidad, la base de oscilación 102 soporta una sección de torre única 140 en cuya parte superior se encuentra unido la nácela 142. Refiriéndose a la Figura 4, la cual es una vista en sección transversal de la instalación de núcleo 106 del volante tensor que ilustra como se encuentra instalada la raíz de aspa 130 en la corona exterior 107 de la rueda utilizando un punto apoyo 131 de aspa. Refiriéndose a la Figura 5, la cual es una vista en sección parcial del núcleo de rueda con laminas o aspas instaladas en los rayos del rueda 7. Se muestra un aspa o lámina 150 unida al rayo de rueda 7 entre la corona interior
112 y el núcleo 8, el cual se une al eje principal de la nácela 2. El resultado en esta disposición híbrida es que se captura de otra manera por el aspa o lámina 150 la energía perdida del viento en el área circunscrita por la corona 3 del volante tensor. Debe entenderse por los expertos en la materia gue las aspas principales 108 pueden extenderse parcial o totalmente hacia el área circunscrita por la corona 3 del volante tensor para capturar la energía perdida del viento en el área circunscrita por la corona del volante tensor. Si se extienden totalmente las aspas principales 108 hacia el área circunscrita por la corona del volante tensor pueden unirse de una manera convencional a un núcleo 8 dimensionado apropiadamente. Si es necesario, las aspas principales 108 pueden ahusarse en esta área a fin de acomodar los rayos de rueda 7. Las aspas o láminas también pueden emplearse en los rayos de rueda 7 para llenar las áreas restantes que quedaron vacías al extenderse las aspas principales. En los diseños híbridos descritos, la tensión en el núcleo 8 será mucho menor que en un rotor convencional, permitiendo el uso de aspas 108 mucho más largas. Esto se debe a que el diseño de la estructura del volante tensor de acuerdo con la presente invención libera la tensión en el núcleo 8. También deberá entenderse que en la situación en donde las aspas 108 se extienden hacia el área circunscrita
por la corona del volante tensor, puede retenerse el control de paso para las aspas principales 108 y las aspas/láminas instaladas en los rayos de rueda en el núcleo 8 como es convencional . Refiriéndose a la figura 6, la cual ilustra la captura de energía en red aproximada lograda por el rotor al extender el área de arrastre utilizando un núcleo de volante tensor . Las Figuras 7 - 11 muestran en más detalle el sistema de rotor que comprende el volante tensor. La figura 7 muestra la instalación de núcleo 106 del volante tensor instalada a una nácela 2 que se soporta por la torre 1. La instalación de núcleo 106 del volante tensor comprende una estructura de corona 3 soportada por una pluralidad de rayos de rueda 7 unidos al núcleo 8. Las aspas principales 108 se instalan al núcleo 108 y se unen a la estructura de corona 3 del volante tensor. Las aspas 108 se unen a la estructura de corona del volante tensor a través de mecanismos articulados que se muestran en mas detalle en la Figura 10. La sección interna 4 de las aspas 108 entre la estructura de corona 3 y el núcleo 8 comprende una superficie aerodinámica, en donde un eje de aspa interno 10 (mostrado en la Figura 8) proporciona soporte estructural a la superficie aerodinámica y proporciona soporte estructural parcial a la masa total del rotor al permitir gue el rotor se soporte tanto por los rayos
de rueda de la mitad inferior - gue actúan en tensión - y por los ejes de aspa de la mitad superior gue actúan en compresión a medida gue ocurre la rotación. El volante tensor proporciona adicionalmente soporte estructural axial (corrección) entre las aspas para reducir las cargas cíclicas debido a los efectos de la gravedad sobre las aspas en cada revolución lo cual tensa particularmente la sección de raíz del aspa. De manera gue la estructura de volante tensor permite un mayor diámetro de rotor en comparación a las estructuras de aspa/rotor convencionales no soportadas. Las secciones exteriores 5 de las aspas 108 incluyen la superficie aerodinámica fuera de la estructura de corona 3 del volante tensor. Tanto la sección de aspa interior 4 como la sección de aspa exterior 5 son superficies aerodinámicas instaladas en un larguero o viga estructural común 10 que se extiende desde el núcleo 8 hasta cerca de la punta del aspa. El anillo de tensión proporciona soporte estructural a las aspas para las cargas de ráfagas (viento de frente) , cargas de corrección (efecto de la gravedad sobre las aspas) y cargas de ráfagas negativas (el extraño evento en donde el cambio rápido del viento impacta el rotor por detrás) . Las aspas 108 mostradas en la Figura 7 pueden tener una sección exterior retráctil. Además, las aspas 108 pueden operar con un control de paso de aspa independiente (IBPC).
Los rotores grandes se benefician del IPBC debido a la diferencia usual en la velocidad del viento desde la parte superior hacia la parte inferior del rotor. Los rayos de rueda 7 que se extienden desde posiciones axiales diferentes del núcleo 8 a la estructura de corona 3 del volante tensor sirven para: a) proporcionar soporte estructural a las aspas 108 para las cargas de ráfagas del viento, b) proteger la estructura de corona 3 del soplo a medida que las aspas en el plano de rotación se flexionan (el modo de corrección) al mantener un arco estructural rígido entre las aspas, y c) transmitir el torque de las aspas/corona al núcleo 8. El núcleo o pivote 8 soporta el rotor y transmite el torque del rotor al tren de accionamiento y al sistema generador . Los rayos de rueda 7 comprenden rayos de rueda posteriores 11 y rayos de rueda delanteros 12 (ver Figura 8) . Los rayos de rueda posteriores 11 resisten cargas en la dirección delantera y transmiten cargas de torsión desde las aspas 108 y la corona 3 al eje conductor (núcleo) del pivote de la caja de engranes que se conecta a los generadores. Los rayos de rueda delanteros 12 soportan el volante tensor y las aspas para resistir las cargas de ráfagas de los vientos.
Estos rayos de rueda 12 también se unen al extremo delantero del pivote (o núcleo) en una posición localizada tangencialmente en el pivote. Esto permite que la rotación de la corona se transmita a través de la tensión de los rayos de rueda 12 a una fuerza rotacional en el pivote. Como ya se mencionó, las aspas 108 se soportan por una instalación de aspa exterior 9 y una instalación de aspa interior 13. La instalación de aspa exterior 9 es un mecanismo articulado que une el aspa a la estructura de corona 3 y proporciona: a) el paso del aspa 108 desde una posición en bandolera hacia el rango total de las posiciones de operación
(ángulos de ataque), b) soporte estructural para el aspa 108 para permitir mayores diámetros de rotor de lo que es posible con aspas unidas únicamente al núcleo 8 en la raíz de aspa, y c) permitir que la masa del rotor se soporte (junto con los rayos de rueda en tensión) al transmitir la carga de los ejes de aspa 10. La sección interior de aspa 4 comprende un eje interior de aspa 10 el cual es un miembro estructural que puede ser un viga o un larguero o alguna combinación de los mismos a medida que se extiende desde el núcleo 8 o pivote hacia el segmento exterior 5 del aspa 108. El eje 10 proporciona soporte estructural para las superficies de aspa aerodinámicas y las cargas encontradas por las aspas y el
rotor. El eje 10 y las aspas 108, 4, 5 pueden girarse a lo largo del eje del aspa para proporcionar la paso aerodinámico del aspa 108. Las instalaciones interiores de aspa 13 soportan el aspa 108 en cargas gue de flexión y axiales y se combinan con los e es de aspa 10 y la instalación de aspa exterior 9 y los rayos de rueda 7 para soportar la masa del rotor. Un accionador de paso de aspa 14 se instala en el pivote (o núcleo 8) y sirve para girar las aspas en el paso, a medida que se accionan por el motor de paso de aspa 15. La Figura 10 muestra en mas detalle la instalación exterior de aspa 9. En su extremo exterior la sección interior de aspa 4 comprende un empalme de larguero 20 que es el acoplamiento de la viga estructural que conecta las secciones de aspa interior y exterior 4, 5. La estructura de corona 3 del volante tensor comprende una instalación de punto de apoyo 19 y un punto de apoyo 18. La sección interna 4 y la sección exterior 5 comprenden cada una un desfase 17 para recibir un eje 16 para unir la sección interior 4 y la sección exterior 5 del aspa con la estructura de corona 3 La Figura 11 muestra en más detalle la instalación de rueda. Una punto de apoyo principal delantero 21 y un punto de apoyo principal posterior 22 soportan el e e principal de tren de accionamiento que se conecta al pivote de rotor y transfiere las cargas del momento y de ráfagas del
rotor a la base 25 de la máquina y el torque del rotor a través de la caja de engranes a los generadores 23. En la Figura 8 se muestra de manera esquemática un fuselado aerodinámico 24 para los rayos de rueda 7 que se proporciona para reducir el arrastre de los rayos de rueda 7. La invención se ha mostrado y descrito con referencia a una turbina de viento instalada sobre una torre con base en tierra, los expertos en la técnica comprenderán que la invención también es aplicable a turbinas submarinas en donde la turbina se ata bajo el agua y las aspas giran por la fuerza de la corriente de agua. Aunque se ha mostrado y descrito particularmente la invención con referencia a las modalidades preferidas en la misma, debe entenderse por los expertos en la materia que lo anterior y otros cambios en forma y detalle pueden hacerse en la misma sin apartarse del alcance de la invención.