Ветроэнергетическая установка (варианты)
Изобретение относится к области ветроэнергетики. Технический результат заключается в создании установки, в которой зазор между статором и ротором сохраняется независимо от прогиба вала турбины, а также в уменьшении воздействия сил на редуктор установки, уменьшающих срок его службы. Ветроэнергетическая установка с ветротурбиной имеет вал, который совместно с валом генератора, который может быть продолжением вала турбины, соединен с ротором электрогенератора. Вал турбины опирается на два корпуса подшипников с подшипниками, установленными на основании, расположенном на верху башни. Вал генератора выполнен за одно целое с изгибающимся валом турбины или жестко с ним соединен. Статор и ротор опираются на вал генератора, обеспечивая генератору возможность следовать за движением изгиба вала турбины, причем статор блокирован от вращения посредством невращаемой муфты, которая по существу не передает изгибающего момента или осевого усилия, противодействующего изгибанию вала турбины под действием изгибающего момента, действующего на вал турбины со стороны ее ступицы, а подшипники выполнены с обеспечением возможности изгибания вала турбины. Рассматривается вариант исполнения ветроэнергетической установки 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.
Настоящее изобретение относится к ветроэнергетической установке в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.
Предшествующий уровень техники и его недостатки
Основной технической задачей при разработке и конструировании ветроэнергетических установок является обеспечение надежной защиты конструкций от разрушающих деформаций, возникающих вследствие изгибающего момента, действующего на ступицу турбины со стороны лопастей турбины. Это частично относится к деформациям, которые могут влиять на воздушный зазор между ротором и статором, когда вал турбины соединен с электрогенератором без промежуточного редуктора, а в конструкциях, в которых между валом турбины и генератором расположен редуктор, к деформациям, создающим напряжение в зубчатых колесах редуктора и сокращающим срок его службы.
Известно использование ветротурбины, приводящей в действие генератор, расположенный на верху мачты или башни. Одним из технических решений является соединение ступицы ветротурбины непосредственно с ротором. В свою очередь ротор опирается на основание, которое прикреплено к верху башни и на которое опирается также статор, при этом какое-либо согласование перемещений ротора и статора отсутствует. Опыт показывает, что подобная конструкция не обеспечивает необходимое регулирование воздушного зазора между ротором и статором, когда на валу турбины возникает напряжение от изгибающего момента, передаваемого со стороны ступицы ветротурбины. Кроме того, генератор не может быть подготовлен к работе до выполнения монтажных работ. Другое решение предложено в патентной публикации Германии № 4402184 А1, где ступица ветротурбины соединена непосредственно с ротором генератора без какого-либо соединительного редуктора и где ротор и статор соединены двумя подшипниками, обеспечивающими скоординированное движение. Это решение позволяет производить предварительную сборку генератора на заводе в виде законченного агрегата и проводить испытания до установки генератора на месте.
Расчеты показывают, что в случае, когда мощность и вес ветротурбины превышают некоторые определенные размеры, эта конструкция без чрезмерного увеличения размеров несущего основания не обеспечивает желательный постоянный воздушный зазор.
Также было предложено расположить генератор на стороне, противоположной ветротурбине относительно верха башни, и соединить ветротурбину с генератором поверх вала турбины между ступицей и ротором генератора посредством жесткого соединения или через муфту, не передающую изгибающего момента, и без промежуточного редуктора, причем вал турбины и генератор опираются в опорной конструкции на два или более подшипника, входящих в состав этой конструкции. Назначение этой конструкции состоит в уменьшении изгиба, действующего на часть вала, примыкающую к генератору, путем возвращения вала посредством радиальных сил реакции со стороны подшипников обратно в нейтральную позицию относительно изгиба вала без этой конструкции для обеспечения как можно меньшего воздушного зазора между ротором и статором. В этом техническом решении подшипники подвергаются действию значительных опорных сил, и, кроме того, при такой конструкции для размещения подшипника большего размера необходимо очень жесткое основание.
Цель изобретения
Целью данного изобретения является создание ветроэнегретической установки, в которой во время работы расстояние (воздушный зазор) между статором и ротором сохраняется независимо от прогиба вала турбины, обусловленного изгибающим моментом, действующим на ступицу ветротурбины в случаях, когда вал турбины соединен непосредственно с генератором. В вариантах выполнения, где между валом турбины и генератором расположен редуктор, данное изобретение направлено на ослабление воздействия на редуктор внезапных сил, способных уменьшить срок его службы по сравнению с нормой.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение может быть выполнено в виде различных вариантов и конструкций, которые могут быть адаптированы к ветротурбинам различных размеров и генераторам разных конструкций.
В соответствии с изобретением предложена ветроэнергетическая установка, приводимая в действие ветротурбиной, имеющей вал, который совместно с валом генератора, который может быть продолжением вала турбины, соединен с ротором электрогенератора, в которой ротор радиально окружен статором, а вал турбины опирается на два корпуса подшипников с подшипниками, установленными на основании, расположенном на верху башни с возможностью вращения относительно вертикальной оси, и имеется двигатель, предназначенный для осуществления указанного вращения, при этом вал генератора выполнен за одно целое с изгибающимся валом турбины или жестко с ним соединен на его свободном конце, статор и ротор опираются на вал генератора, обеспечивая генератору возможность следовать за движением изгиба вала турбины, и статор блокирован от вращения посредством невращаемой муфты, которая по существу не передает изгибающего момента или осевого усилия, противодействующего изгибанию вала турбины под действием изгибающего момента, действующего на вал турбины со стороны ее ступицы, а подшипники выполнены с обеспечением возможности изгибания вала турбины.
Это обеспечивает выгодное сочетание простоты конструкции с благоприятными свойствами предлагаемого расположения на оси, способствующее поддержанию воздушного зазора между ротором и статором генератора как можно меньшим и постоянным в процессе работы ветроэнергетической установки при одновременном отсутствии чрезмерного напряжения в подшипниках, обусловленного силами, создаваемыми изгибающим моментом, действующим на ступицу. Это позволяет передавать крутящий момент от вала турбины к ротору и далее от ротора через электрическое поле к статору и через невращаемую муфту к одному или двум корпусам подшипника или непосредственно на основание.
Генератор может быть расположен на противоположной ветротурбине стороне основания или между корпусами подшипников, а статор соединен с невращаемой муфтой, предназначенной для передачи крутящего момента по существу без передачи изгибающего момента, предпочтительно представляющей собой кольцеобразную тарелку, имеющую проходящую по окружности складку, и соединяющей статор с корпусом подшипника.
Невращаемая муфта может быть предназначена для передачи крутящего момента и демпфирования сил, возникающих при коротком замыкании в генераторе.
Статор может быть прикреплен к валу генератора к одному его концу или посредством двойного подшипника, а ротор прикреплен непосредственно к валу генератора или к его концу посредством тарелки.
В соответствии с одной формой выполнения статора он может с двух сторон поддерживаться боковыми элементами, которые поддерживают статор с предотвращением изгибания относительно вала генератора и вала турбины, соединенных с подшипниками, которые удерживаются на валу генератора.
В соответствии с другой формой выполнения статора он может с одной стороны поддерживается тарельчатым элементом, который поддерживает статор с предотвращением изгибания относительно вала генератора и вала турбины, соединенных с подшипниками, которые удерживаются на валу генератора.
Статор и основание могут быть соединены посредством пары передающих усилие элементов, расположенных радиально в стороне от вала генератора, предназначенных для передачи крутящего момента и выполненных, например, в виде упругих демпфирующих элементов, которые расположены между концами пары плеч, расположенных на статоре, и параллельной им балки, прикрепленной к основанию, и которые предназначены для передачи крутящего момента от статора к основанию без приложения изгибающего момента или осевого напряжения, которое может предотвратить изгибание вала турбины под действием изгибающего момента, действующего на этот вал со стороны ступицы, и для демпфирования сил, которые могут возникнуть при коротком замыкании в генераторе. Указанные подшипники могут быть сферическими.
Согласно другому варианту выполнения изобретения ветроэнергетическая установка с ветротурбиной соединена с электрогенератором посредством расположенного между ними редуктора, причем редуктор, основание генератора и генератор опираются на вал турбины, при этом редуктор, основание генератора и генератор установлены с возможностью свободного перемещения вместе с валом турбины во всех направлениях приложения силы, за исключением направления крутящего момента вала турбины, и с возможностью передачи крутящего момента совместно, независимо или группами от вала турбины главному основанию посредством невращаемой муфты, которая не препятствует движению указанных частей в других направлениях приложения силы.
Редуктор, основание генератора и генератор могут быть расположены в различных местах и направлениях относительно вала турбины.
В конструкциях, в которых между валом турбины и генератором расположен редуктор, изобретение позволяет непосредственно соединять входной вал редуктора с валом турбины, который удерживает редуктор, который, в свою очередь, удерживает основание генератора, поддерживающее генератор, а ротор генератора соединен с выходным валом редуктора при помощи жесткой или эластичной муфты. Передача крутящего момента от ротора к статору и далее на основание в этом случае осуществляется при помощи невращаемой муфты, которая ниже описана применительно к генератору с прямым приводом.
Примеры выполнения
Данное изобретение ниже описано со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает вертикальный разрез варианта выполнения изобретения, в котором предложена двухсторонняя установка статора на валу,
Фиг.2 изображает вертикальный разрез соответствующего варианта выполнения изобретения, в котором предложена односторонняя установка статора на валу,
Фиг.3 изображает вертикальный разрез третьего варианта выполнения изобретения, в котором предложена двухсторонняя установка статора, поддерживаемого валом,
Фиг.4 изображает вертикальный разрез еще одного варианта выполнения изобретения, в котором генератор расположен между двумя подшипниками,
Фиг.5 изображает вид в аксонометрии альтернативного варианта выполнения невращаемой муфты,
Фиг.6 изображает вид в аксонометрии альтернативного варианта выполнения, в котором редуктор соединен с валом турбины, генератор расположен на опоре, поддерживаемой удлиненной частью редуктора, а передача крутящего момента главному основанию обеспечивается при помощи соответствующей невращаемой муфты, и
Фиг.7 изображает вид в аксонометрии еще одного варианта выполнения, в котором редуктор соединен с валом турбины, генератор расположен на основании для генератора, поддерживаемом редуктором поверх вала турбины, а передача крутящего момента главному основанию обеспечивается при помощи соответствующей невращаемой муфты.
Изобретение, показанное на фиг.1, основано на непосредственном соединении вала турбины с генератором. Показан вертикальный разрез, проходящий по длине через подшипники вала, в соответствии с одним вариантом выполнения изобретения. На верху башни 1 прикреплен горизонтальный обод 2 зубчатого колеса, который используется для поворота расположенных выше частей ветроэнергетической установки, описываемой далее более подробно. Над ободом зубчатого колеса расположено жесткое основание 4, служащее опорой для вала. Основание 4 установлено с возможностью вращения относительно обода 2 вокруг вертикальной оси при помощи соответствующего подшипника. Вращение осуществляется двигателем 3, расположенным на стороне основания 4, с помощью проходящего вниз вала и зубчатого колеса 5, находящегося в зацеплении с ободом 2.
Основание 4 является опорой для двух корпусов подшипников, а именно для переднего корпуса 6, обращенного к турбине, и для заднего корпуса 7. Корпуса подшипников удерживают вал 8 турбины, который в свою очередь удерживает весь генератор 11. Каждый корпус подшипника, содержащий подшипник 9, 10, прикреплен к основанию 4 болтами 21.
Ротор генератора с обмотками 13, 14 ротора удерживается валом 22 генератора, который может быть продолжением вала 8 турбины. Корпус статора, соединяющий боковые элементы 17, опирается на подшипники 15, 16, которые расположены на валу 8 и которые обеспечивают как можно меньший постоянный воздушный зазор 18 между статором 19 и ротором 12 независимо от прогиба вала.
Крутящий момент от вала 8 турбины передается через электрическое поле на корпус статора и далее на основание через невращаемую муфту 20.
На фиг.6 и 7 представлен альтернативный вариант выполнения изобретения. Между валом 8 турбины и генератором 31, которые в основном соответствуют описанной выше конструкции, расположен редуктор. Этот редуктор 29, основание 30 генератора и генератор 31 выполнены с возможностью свободного следования за движением вала 8 турбины на участке между корпусом 7 подшипника и его соединением с редуктором 29, за исключением движения в направлении крутящего момента. Передачу крутящего момента от вала турбины через редуктор 29 на генератор 31 и главное основание 4 обеспечивает невращаемая муфта 33, которая ограничивает или полностью устраняет разрушающие силы, способные в противном случае привести к разрушающим деформациям в редукторе и генераторе. Невращаемая муфта 33 содержит кронштейн 34 в форме двух плеч, проходящих от главного основания 4 к генератору 31. Кронштейн 34 жестко прикреплен к главному основанию и свободным концом соединен с поперечиной 35. Далее, на свободном конце к концу кронштейна или поперечины 35 и к кронштейну 38 со стороны редуктора 29 присоединено коленчатое звено, имеющее два соединенных плеча 36, 37. Соответствующее симметрично расположенное коленчатое звено может быть установлено на противоположной стороне.
Работа
В основном работа этого устройства описана со ссылкой на фиг.1. Вес и силы, действующие на вал 8 и генератор 11, воспринимаются подшипниками 9, 10 и передаются основанию 4. Вал 8 турбины передает крутящий момент непосредственно на ротор 12 генератора. Корпус статора непосредственно удерживается на валу турбины. Подходящий размер вала вблизи генератора 11 обеспечивает достаточную жесткость, необходимую для поддержания в конечном счете постоянного небольшого воздушного зазора 18 между ротором 12 и статором 19. Невращаемая муфта 20, выполненная в форме кольцеобразной тарелки, имеющей центральную проходящую по окружности складку, увеличивает гибкость конструкции в осевом направлении, так что передача на основание 4 крутящего момента, действующего на корпус статора и обусловленного электрическим полем от ротора 12, осуществляется с минимальным изгибающим моментом.
Невращаемая муфта 20 сконструирована таким образом и имеет такой размер, что обеспечивается передача только крутящего момента от ветротурбины без прогиба вала 22 генератора, обусловленного крутящим моментом, действующим на ступицу ветротурбины.
Таким образом, корпус статора будет следовать за движениями ротора 12 и вала 22 генератора, а воздушный зазор 18 будет оставаться, в основном, постоянным.
Вся конструкция позволяет проводить испытания ветротурбины и генератора в виде единого блока до установки на месте эксплуатации, с обеспечением его подъема и монтажа на верху башни в виде готового к эксплуатации блока.
Модификации
На фиг.2 показан альтернативный вариант выполнения изобретения, аналогичные части которого имеют те же номера позиций, что и части на фиг.1, и в котором вал 22 генератора опирается на втулку 23, опирающуюся на два подшипника и являющуюся ступицей статора, содержащего тарельчатый элемент 32. Втулка 23 с помощью другого подшипника 24 поддерживает ротор 12. Вал 22 генератора на свободном конце имеет тарелку 25, прикрепленную к ротору 12 для передачи ему крутящего момента.
На фиг.3 показан еще один вариант выполнения изобретения, основанный на том же принципе. В этом случае корпус статора, содержащий тарельчатый элемент 32, и ступица опираются на вал 22 генератора посредством двойного подшипника, при этом тарельчатый элемент 32 с одной стороны переходит во фланец, на который опираются активные части статора.
На фиг.4, на которой обозначены те же номера позиций, что и на предшествующих фигурах чертежей, показан еще один вариант выполнения изобретения, который отличается от вариантов выполнения, показанных на фиг.1-3, тем, что генератор расположен между корпусами 6, 7 подшипников. Невращаемая муфта 20 прикреплена, соответственно, к корпусу 6, смежному с ветротурбиной.
В целом, невращаемая муфта 20 может быть прикреплена к любому корпусу подшипника или к основанию 4.
На фиг.5 показан еще один модифицированный вариант выполнения основания 4 и подшипниковых узлов 6, 7. В этом случае статор 19 снабжен парой радиальных плеч 26, проходящих горизонтально у основания 4. Основание 4 удерживает балку 27, расположенную параллельно паре плеч 26. На обоих концах указанные пара плеч и балка соединены с демпфирующим элементом 28, который может воспринимать крутящий момент, но не может воспринимать изгибающий момент и осевые усилия. Демпфирующие элементы 28 выполнены с возможностью восприятия возможной моментальной ударной нагрузки, возникающей, например, из-за короткого замыкания.
На фиг.6 и 7 проиллюстрировано применение изобретения, где между валом 8 турбины и генератором 31 расположен редуктор 29. Возможны другие варианты выполнения невращаемой муфты для передачи крутящего момента от вала турбины через редуктор 29 и генератор 31 при условии, что они предназначены для передачи минимальной силы между валом 8 турбины и этими элементами во всех направлениях, кроме направления крутящего момента.
1. Ветроэнергетическая установка с ветротурбиной, имеющей вал (8), который совместно с валом (22) генератора, который может быть продолжением вала турбины, соединен с ротором (12) электрогенератора (11), в которой
ротор (12) радиально окружен статором (19),
вал (8) турбины опирается на два корпуса (6, 7) подшипников с подшипниками (9, 10), установленными на основании (4), расположенном на верху башни (1) с возможностью вращения относительно вертикальной оси, при этом имеется двигатель (3), предназначенный для осуществления указанного вращения,
отличающаяся тем, что
вал (22) генератора выполнен за одно целое с изгибающимся валом (8) турбины или жестко с ним соединен на его свободном конце,
статор (19) и ротор (12) опираются на вал (22) генератора, обеспечивая генератору (11) возможность следовать за движением изгиба вала (8) турбины, и
статор (19) блокирован от вращения посредством невращаемой муфты (20), которая по существу не передает изгибающего момента или осевого усилия, противодействующего изгибанию вала (8) турбины под действием изгибающего момента, действующего на вал турбины со стороны ее ступицы, а подшипники (9, 10) выполнены с обеспечением возможности изгибания вала (8) турбины.
2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что генератор (11) расположен на противоположной ветротурбине стороне основания (4) или между корпусами (6, 7) подшипников, а статор соединен с невращаемой муфтой (20), предназначенной для передачи крутящего момента по существу без передачи изгибающего момента, предпочтительно представляющей собой кольцеобразную тарелку, имеющую проходящую по окружности складку, и соединяющей статор с корпусом подшипника.
3. Ветроэнергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что невращаемая муфта (20) предназначена для передачи крутящего момента и демпфирования сил, возникающих при коротком замыкании в генераторе.
4. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что статор (19) прикреплен к валу (22) генератора к одному его концу или посредством двойного подшипника, а ротор (12) прикреплен непосредственно к валу генератора или к его концу посредством тарелки.
5. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что статор (19) с двух сторон поддерживается боковыми элементами (17), которые поддерживают статор (19) с предотвращением изгибания относительно вала (22) генератора и вала турбины (8), соединенных с подшипниками (15, 16), которые удерживаются на валу генератора.
6. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что статор (19) с одной стороны поддерживается тарельчатым элементом (32), который поддерживает статор (19) с предотвращением изгибания относительно вала генератора (22) и вала турбины (8), соединенных с подшипниками (15, 16), которые удерживаются на валу генератора.
7. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что статор (19) и основание (4) соединены посредством пары передающих усилие элементов (28), расположенных радиально в стороне от вала (22) генератора, предназначенных для передачи крутящего момента и выполненных, например, в виде упругих демпфирующих элементов, которые расположены между концами пары плеч (26), расположенных на статоре, и параллельной им балки (27), прикрепленной к основанию (4), и которые предназначены для передачи крутящего момента от статора (19) к основанию (4) без приложения изгибающего момента или осевого напряжения, которое может предотвратить изгибание вала (8) турбины под действием изгибающего момента, действующего на этот вал со стороны ступицы, и для демпфирования сил, которые могут возникнуть при коротком замыкании в генераторе.
8. Ветроэнергетическая установка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что подшипники (9 и 10) являются сферическими.
9. Ветроэнергетическая установка с ветротурбиной, соединенной с электрогенератором (31) посредством расположенного между ними редуктора (29), при этом редуктор (29), основание (30) генератора и генератор (31) опираются на вал (8) турбины, отличающаяся тем, что редуктор (29), основание (30) генератора и генератор (31) установлены с возможностью свободного перемещения вместе с валом турбины во всех направлениях приложения силы, за исключением направления крутящего момента вала турбины, и с возможностью передачи крутящего момента совместно, независимо или группами от вала (8) турбины главному основанию (4) посредством невращаемой муфты (33), которая не препятствует движению указанных частей в других направлениях приложения силы.
10. Ветроэнергетическая установка по п.9, отличающаяся тем, что редуктор (29), основание (30) генератора и генератор (31) могут быть расположены в различных местах и направлениях относительно вала (8) турбины.
