La presente invención está dirigida a un método y un sistema para forjar un eje principal de un aerogenerador, y más específicamente a un método que permite fabricar el eje principal de un aerogenerador por medio de un proceso de extrusión inversa y al utillaje específico que se emplea en el proceso de forja.

Antecedentes de la invención

El sector de las energías renovables es en la actualidad uno de los que mayor interés despierta en la sociedad y se ha convertido en una de las áreas de la tecnología con un mayor desarrollo técnico y proyección de futuro. Del conjunto de las energías renovables, la energía eólica se ha desarrollado con especial intensidad en los últimos años gracias a su excelente rendimiento y versatilidad.

Normalmente los aerogeneradores instalados en los parques de energía eólica tienen tres álabes montados en un rotor que transmite la potencia generada en forma de par de torsión a un generador eléctrico mediante un eje principal o eje principal de transmisión.

El eje principal de transmisión no sólo se encuentra sometido a cargas de torsión a causa del par que transmite, también está sometido a cargas de flexión producidas por la función estructural del eje principal, lo que resulta en un estado de cargas combinadas de flexión y torsión. En este modo de tensión, la parte interior alrededor de la fibra neutra del eje no contribuye a soportar las cargas, por lo que puede ser eliminada de la pieza sin que el eje principal hueco resultante pierda prestaciones con respecto a un eje macizo.

Los ejes principales huecos se emplean en ciertas aplicaciones de otros campos técnicos, en donde los ejes son comparativamente más pequeños que los ejes principales para aerogeneradores, y por lo general se fabrican torneando o mandrilando el interior del eje principal.

Por otro lado, en los componentes mecánicos de grandes dimensiones los costes del propio material tienen un impacto mayor en el coste final de la pieza que los costes de mecanizado, lo que significa que emplear un proceso de mecanizado con pérdida de material para fabricar un eje principal de grandes dimensiones resulta un derroche de material para obtener una resistencia comparable a la de la pieza maciza.

Descripción de la invención

La presente invención propone una solución a los anteriores problemas mediante un método de forja y un sistema de forja para forjar el eje principal de un aerogenerador según se define en las reivindicaciones independientes.

En un primer aspecto inventivo, la invención proporciona un método de forja para forjar un eje principal hueco de aerogenerador por medio de un sistema de forja a partir de una pieza cilindrica con un extremo superior y un extremo inferior, en donde el método de forja comprende las etapas de: introducir la pieza en una matriz cilindrica del sistema de forja con el eje longitudinal de la pieza dispuesto substancialmente en vertical; alinear substancialmente el eje longitudinal de la pieza con el eje longitudinal de la matriz por medio de un centrador del sistema de forja; formar una cavidad en el extremo superior de la pieza por medio de un recalcador del sistema de forja; extruir la pieza aplicando presión en el fondo de la cavidad por medio de un punzón de extrusión del sistema de forja.

El presente método de forja permite la fabricación de un eje principal hueco de grandes dimensiones para un aerogenerador sin pérdida de material o con una pérdida mínima de material, lo que resulta en un eje principal ligero y resistente que para un valor dado de resistencia requiere menos material que otros ejes principales conocidos. La ligereza del eje principal es especialmente ventajosa para instalar la transmisión del aerogenerador en una góndola dispuesta a gran altura, con lo que también se puede reducir la solicitación de la torre del aerogenerador y el trabajo necesario para elevar el eje principal en comparación con el trabajo necesario para elevar un eje principal más pesado. Además, la fabricación del eje principal requiere mucho menos material, y produce menos residuos, tales como virutas, que no pueden ser aprovechados e incrementan el coste final de fabricación.

A lo largo del presente texto se debe entender que eje principal, eje principal hueco, eje de transmisión o simplemente eje, es el elemento mecánico que permite transmitir la potencia generada en el rotor del aerogenerador en forma de par de torsión al mecanismo de transmisión del aerogenerador o directamente al generador eléctrico; este elemento substancialmente alargado, además de transmitir el par del rotor, que produce cargas de torsión, también tiene una función estructural, por lo que además se encuentra sometido a esfuerzos de flexión. No se deben confundir los ejes principales, que son elementos físicos para transmitir potencia en un aerogenerador, con los ejes longitudinales, a los que se hace referencia en otras partes del presente documento, y que se refieren a los ejes geométricos longitudinales de ciertos elementos, como por ejemplo, el eje geométrico longitudinal de una matriz cilindrica.

El eje principal del aerogenerador se obtiene de la pieza obtenida por medio del método de forja a partir de una pieza cilindrica, preferiblemente una barra cilindrica; como consecuencia de aplicar el método de forja, la pieza sufre una transformación desde su estado inicial como pieza bruta, por ejemplo en forma de barra cilindrica, hasta el estado de pieza final, a la cual se le pueden aplicar transformaciones adicionales, por ejemplo tratamientos térmicos, para obtener el eje principal del aerogenerador; la condición de pieza cilindrica no se debe de interpretar de forma estricta, sino como una forma alargada con una sección aproximadamente circular, aunque en otras realizaciones también puede tener una sección poligonal. El material de la pieza es preferiblemente un metal o una aleación metálica, siendo especialmente preferible el acero.

Debido a la configuración o forma alargada de la pieza, ésta tiene dos extremos, que al disponerla en vertical, se denominan extremo superior y extremo inferior; el eje longitudinal pasa por ambos extremos, preferiblemente por el eje geométrico de simetría de la pieza. Con esta orientación vertical la pieza se introduce en una matriz con una parte superior abierta, una parte inferior cerrada y entre ellas un hueco cilindrico labrado que reproduce aproximadamente la forma deseada del eje principal en negativo. Por orientación vertical debe entenderse la dirección perpendicular al plano horizontal o plano del suelo.

El método de forja reivindicado comprende una etapa de extrusión inversa, que requiere aplicar presión mediante un punzón de extrusión para lograr un alargamiento de la pieza en la dirección de su eje longitudinal. Por ello es necesario alinear correctamente el eje longitudinal de la pieza con el eje longitudinal de la matriz cilindrica; esto se consigue desplazando la pieza hasta hacer coincidir los ejes longitudinales de la pieza y de la matriz mediante un elemento centrador, cuya función es empujar a la pieza hasta el eje longitudinal de la matriz y una vez allí servir de apoyo a la pieza; este elemento centrador en una realización particular tiene forma de horquilla y se desplaza entre una posición de alineamiento y una posición de repliegue. En otra realización, tras introducir la pieza verticalmente en la matriz, el centrador se desplaza hasta la posición de alineamiento empujando a pieza a la posición correcta por medio de la horquilla.

Una vez la pieza está en la posición correcta, un recalcador forma una cavidad aplicando presión sobre el extremo superior de la pieza; para ello, el recalcador comprende una punta o protuberancia que se clava sobre el extremo superior de la pieza. La cavidad formada no tiene por qué ser demasiado profunda, ya que su función es servir de guía para el punzón de extrusión.

Para lograr la extrusión de la pieza, se introduce la punta del punzón de extrusión en la cavidad de la pieza y se aplica presión en la dirección longitudinal de la pieza; sometido a presión, el material de la pieza no puede desplazarse ni expandirse por la parte inferior del hueco de la matriz y se deforma plásticamente por el único lugar en donde no está bloqueado el movimiento, es decir por la parte superior abierta de la matriz, de forma que se produce el alargamiento de la pieza en dirección longitudinal.

En una realización particular, el método comprende además la etapa de: formar una brida en el extremo superior de la pieza presionando el extremo superior de la pieza por medio de una maza de aplastado del sistema de forja.

Algunos ejes principales requieren una brida o reborde perimetral por motivos funcionales; para formar este elemento, la matriz comprende un rebaje perimetral en su parte superior que permite una expansión mayor del material, ventajosamente con la forma deseada de la brida; el extremo superior de la pieza se presiona por medio de una maza de aplastado, un útil que permite distribuir la presión sobre la superficie deseada; así, al presionar el extremo superior de la pieza, esta parte se deforma plásticamente y se expande hacia el único lugar disponible, es decir el espacio que queda en el rebaje perimetral de la matriz.

En una realización particular, el método comprende además la etapa de: recalcar la brida presionando el extremo superior de la pieza por medio del recalcador.

En algunos casos puede ser necesario aplicar una operación adicional de recalcado para obtener la forma final de la brida. Ventajosamente, esta operación se realiza por medio del recalcador, que a tal efecto comprende una superficie de revolución con el perfil deseado. De esta forma se pueden realizar con el mismo útil tanto la operación de terminar la formación de la brida como la de formar una cavidad.

En una realización particular, el método comprende además la etapa de: comprimir el extremo inferior de la pieza contra la matriz por medio de una maza de aplastado del sistema de forja.

La forma alargada de la pieza resulta particularmente inestable cuando se dispone en vertical, por lo que existe el riesgo de que una vez se alinea el eje longitudinal de la pieza con el eje longitudinal de la matriz, la pieza se desplace y pierda la posición correcta. Además, las operaciones de forja impiden que el centrador se mantenga en contacto con la pieza, por lo que para asegurarse de que la pieza se mantiene en su posición, el extremo inferior de la pieza se aplasta ligeramente contra el fondo de la matriz, para lograr su deformación e inmovilizar la pieza temporalmente.

En una realización particular, el método comprende además la etapa de: retirar la maza de aplastado.

Por retirar se debe entender a la acción de quitar un útil, por ejemplo la maza de aplastado, de la zona en la que se está trabajando; en el caso de la maza de aplastado, del recalcador y/o del punzón de extrusión, retirar el útil equivale a separarlo de la prensa; en el caso del centrador, simplemente separarlo de la zona para evitar que sufra daños o impida la operación de forja; análogamente, introducir un útil se debe entender como el proceso contrario, es decir, montarlo para que pueda realizar su función. La maza de aplastado está especialmente configurada para aplicar presión sobre una superficie amplia, pero no sirve para realizar las etapas de recalcado o extrusión; por ello es conveniente retirar la maza de aplastado antes de emplear otro útil.

En una realización particular, el método comprende además la etapa de: retirar el centrador.

Como se ha indicado, las operaciones de forja no permiten que el centrador esté en contacto con la pieza en su posición de alineamiento, por lo que es ventajoso retirar el centrador a su posición de repliegue.

En una realización particular, el método comprende además las etapas de: introducir el recalcador; retirar el recalcador.

Análogamente a la maza de aplastado, el recalcador es otro útil que se debe introducir o retirar del área de trabajo en función de la etapa del proceso que se está ejecutando.

En una realización particular, el método comprende además las etapas de: introducir el punzón de extrusión; retirar el punzón de extrusión.

Tras la etapa de extrusión, una vez que la pieza se ha extruido hasta las dimensiones deseadas, es necesario retirar el punzón de extrusión para poder extraer la pieza terminada del interior de la matriz.

En una realización particular, la cavidad se forma por medio de al menos un movimiento giratorio del recalcador.

El eje principal de aerogenerador es un elemento mecánico que en funcionamiento se encuentra en rotación por lo que la por motivos de equilibrio y limitación de vibraciones resulta conveniente que tenga una geometría de revolución según su eje longitudinal. En este sentido es especialmente ventajoso que para fabricar el eje principal el recalcador tenga un movimiento rotatorio en combinación con el movimiento longitudinal que posee al aplicar presión sobre la pieza. De este modo resulta también más sencillo practicar una cavidad en el extremo superior de la pieza.

En un segundo aspecto inventivo, la invención proporciona un sistema de forja para forjar un eje principal de aerogenerador por medio de un método de forja según cualquiera de las reivindicaciones anteriores a partir de una pieza cilindrica, en donde el sistema comprende: una matriz cilindrica; un centrador configurado para alinear el eje longitudinal de la pieza con el eje longitudinal de la matriz; un recalcador configurado al menos para formar una cavidad en el extremo superior de la pieza; un punzón de extrusión configurado para extruir la pieza.

De forma ventajosa, el sistema de forja comprende una matriz cilindrica cerrada en su parte inferior y abierta en su parte superior, formando un hueco cilindrico labrado que reproduce aproximadamente la forma del eje principal, y una pluralidad de útiles que se emplean para ejercer presión sobre la pieza, o en el caso del centrador para desplazar la pieza. Tanto los útiles como la matriz pueden estar unidos rígidamente a un armazón o estructura o pueden ser móviles e intercambiables en función de las características de cada eje principal que se desee fabricar. En una realización, el sistema de forja comprende elementos de un dispositivo de forja ya existente. En otra realización, uno o varios elementos del sistema de forja se obtienen adaptando elementos ya existentes. Ventajosamente, el sistema permite completar las etapas del método descrito de forma rápida y eficiente.

En una realización particular, el sistema comprende además una maza de aplastado configurada para formar una brida en la pieza.

Ventajosamente, la maza de aplastado es un útil que se emplea en el sistema de forja para realizar las operaciones descritas más arriba. En una realización, la maza de aplastado tiene una superficie de presión substancialmente más grande que la sección transversal de la pieza antes de que se someta al método de forja. En otra realización, la maza de aplastado tiene una superficie substancialmente roma y con una superficie comparable a la de la brida de la pieza.

En una realización particular, el sistema comprende además una prensa hidráulica configurada para aplicar presión sobre cualquiera de: la maza de aplastado, el recalcador, el punzón de extrusión. Ventajosamente, el trabajo de compresión de cualquiera de los útiles se realiza por medio de una prensa hidráulica que actúa sobre los útiles.

En una realización particular, el punzón de extrusión tiene libertad de movimiento en el plano horizontal. Ventajosamente, la libertad de movimiento del punzón de extrusión permite alinear con precisión su posición con respecto al eje de la pieza. De esta forma se puede evitar una distribución no homogénea de material en la etapa de extrusión, que potencialmente pueda generar fracturas en la pieza.

En una realización particular, el recalcador es giratorio. De forma ventajosa, además de la presión que realiza el recalcador, el movimiento giratorio permite formar una geometría de revolución en la brida de la pieza. De forma aún más ventajosa, el movimiento giratorio facilita la formación de la cavidad.

En una realización particular, el sistema comprende además un sistema de guiado del recalcador giratorio. El sistema de guiado permite mantener la alineación del recalcador respecto al eje longitudinal de la pieza y/o de la matriz. De esta forma, a pesar del movimiento del recalcador giratorio, es posible realizar la cavidad con gran precisión.

Estas y otras características y ventajas de la invención resultarán evidentes a partir de la descripción de las realizaciones preferidas, pero no exclusivas, que se ilustran a modo de ejemplo no limitativo en los dibujos que se acompañan.

Breve descripción de los dibujos

Figura 1 Esta figura muestra la etapa de alinear la pieza. Figura 2 Esta figura muestra la etapa de comprimir el extremo inferior de la pieza. Figuras 3a-3b Estas figuras muestran la etapa de formación de la brida y de retirar la maza de aplastado.

Figuras 4a-4c Estas figuras muestran las etapas de introducir el recalcador, formar la cavidad y recalcar la brida, y retirar el recalcador.

Figuras 5a-5b Estas figuras muestran las etapas de introducir el punzón de extrusión y de extruir la pieza.

Descripción detallada de un ejemplo de realización

En la siguiente descripción detallada se exponen numerosos detalles específicos en forma de ejemplos para proporcionar un entendimiento minucioso de las enseñanzas relevantes. Sin embargo, resultará evidente para los expertos en la materia que las presentes enseñanzas pueden llevarse a la práctica sin tales detalles.

En un ejemplo de realización, el sistema de forja (10) comprende una matriz (1), una prensa hidráulica (4) y una pluralidad de útiles. La prensa hidráulica (4) es una prensa Ryazan capaz de aplicar una presión equivalente de hasta trece mil toneladas, y los útiles comprenden una maza de aplastado (3), un recalcador (5), un punzón de extrusión (6) y un centrador (2).

La pieza (7) es inicialmente una barra de acero de un diámetro que es función de las dimensiones finales deseadas del eje principal. Antes de comenzar la operación de forja, la pieza (7) se calienta hasta una temperatura de entre 800 °C y 1300 °C para lograr un comportamiento plástico del acero. La matriz (1) está configurada como una pieza cilindrica hueca de un material más duro que la aleación de la pieza; la matriz (1) está abierta por su parte superior y cerrada por la parte inferior, y entre ellas se encuentra el hueco cilindrico labrado con un perfil que reproduce aproximadamente la forma del eje principal. Además, en la boca o parte superior de la matriz (1) se encuentra labrado un perfil que tiene una forma correspondiente a una brida (8).

En este ejemplo el centrador (2) está configurado como una horquilla que empuja la pieza (7) hacia la posición deseada. El centrador (2) se desplaza en paralelo al plano horizontal para no obstruir en las operaciones de forja.

La maza de aplastado (3) tiene una forma cónica con una base y un vértice, en donde la base es ensanchada y roma para distribuir la presión por una superficie mayor y poder formar la brida (8). El vértice se prolonga en forma de vástago cilindrico para que la prensa (4) pueda aplicar presión sobre la maza de aplastado (3).

El recalcador (5) tiene forma cilindrica con unos ensanchamientos troncocónicos en los extremos del cilindro. Por otro lado, el extremo del recalcador (5) que presiona sobre la pieza (7) tiene una punta o protuberancia que permite practicar una cavidad (9) en el extremo superior de la pieza (7). El recalcador (5) tiene además una guía que permite al recalcador (5) mantener una posición coaxial con el eje longitudinal de la matriz (1) mientras gira.

El punzón de extrusión (6) tiene una forma substancialmente alargada de una longitud mayor que la pieza (7), y con una punta estrecha pero roma, configurada para aplicar presión.

Para ejecutar el método de forja, una vez provisto de una pieza (7) caliente, se introduce verticalmente respecto al plano horizontal en el hueco de la matriz (1), hasta que el extremo inferior de la pieza (7) toque el fondo de la matriz (1). En esta posición, el extremo superior de la pieza (7) sobresale del borde superior de la matriz (1).

Si se aplicara presión con la prensa (4) sobre la pieza (7) sin alinear se podría producir una distribución desigual de material en la pieza (7), con deformaciones o discontinuidades del material inaceptables. Por eso es importante alinear con la mayor precisión posible el eje geométrico longitudinal de la pieza (7) con el eje geométrico longitudinal de la matriz (1). La Figura 1 muestra cómo se puede lograr la alineación por medio del centrador (2), que se mueve en paralelo al plano horizontal y empuja a pieza (7) hasta la posición deseada.

En la Figura 2 se muestra cómo, con la pieza (7) en la posición correcta, sin retirar el centrador (2), se introduce la maza de aplastado (3) entre la prensa y el extremo superior de la pieza (7), y la prensa (4) aplica presión de forma que comprime el extremo inferior de la pieza (7) unos milímetros, produce una deformación e impide temporalmente que la pieza (7) se desalinee. A continuación, se retira el centrador (2).

La Figura 3a muestra cómo se forma la brida (8) en el extremo superior de la pieza (7) presionando con la prensa (4) hasta que el borde del extremo superior de la pieza (7) alcanza el nivel del borde superior de la matriz (1). En la Figura 3b se muestra cómo se retira la maza de aplastado (3).

La Figura 4a muestra la introducción del recalcador (5) giratorio con la punta orientada hacia el extremo superior de la pieza (7); la Figura 4b muestra cómo la punta del recalcador (5) forma una cavidad (9) en la pieza (7), al tiempo que recalca la brida (8). A continuación, se retira el recalcador (5), como muestra la Figura 4c.

La Figura 5a muestra la introducción del punzón de extrusión (6) en la cavidad (9) de la pieza (7); en la Figura 5b se puede ver cómo se aplica presión con la prensa (4) hidráulica para lograr la extrusión de la pieza (7), y como la pieza (7) se estira por efecto de la presión, aumentando su longitud; esto se puede apreciar en la separación que existe entre el borde de la matriz (1) y la brida (8) de la pieza (7).

Una vez se ha obtenido una pieza (7) de una longitud y diámetro apropiados, el punzón de extrusión (6) se retira, y la pieza (7) se puede extraer de la matriz (1). Para ello se levanta la pieza (7) con ayuda de un expulsor, y la pieza (7) se apoya en vertical sobre un soporte específico que impide que sufra deformaciones.