ОПОРНОЕ УСТРОЙСТВО ПОВОРОТНОЙ ГОЛОВКИ ВЕТРОАГРЕГАТА Российский патент 1996 года по МПК F03D11/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в опорном устройстве поворотной головки ветроэнергетических установок.

Известно опорное устройство поворотной головки ветроаграгата, выполненное в виде подшипника качения, содержащего внутреннюю и наружные обоймы, взаимодействующие друг с другом через шарики.

Внутренняя неповоротная обойма прикреплена к башне ветроагрегата, а наружная обойма выполнена поворотной и жестко соединена с головкой ветроагрегата.

Известная конструкция опорного устройства компактна и позволяет обеспечить достаточную чувствительность головки ветроагерагата к изменениям вектора скорости ветра за счет того, что наружная обойма поворачивается относительно внутренней за счет качения шариков по беговым дорожкам, выполненным в этих обоймах.

Такой подшипник качения воспринимает осевые и радиальные нагрузки, обусловленные весом головки, силами лобового и бокового давления ветра на головку, а также моментами гидроскопического происхождения и от весовой неуравновешенности вращающихся элементов головки.

Жесткие требования к профилю беговых дорожек подшипников качения, форме, размерам и материалам элементов качения, потребность в специальном оборудовании усложняют изготовление такого подшипника и повышают его стоимость.

Недостаток конструкции заключается в том, что из-за отсутствия демпфирования колебаний нагрузок при быстроменяющихся скорости ветра и угловой скорости переориентации снижается устойчивость головки в потоке воздуха. Постоянные колебания головки относительно вертикальной оси, происходящие с малыми амплитудами, но с высокой частотой, становятся источником дополнительных гироскопических нагрузок.

Низкая стойкость шарикоподшипника к действию циклических и ударных нагрузок снижает его надежность при эксплуатации в режимах с постоянно изменяющимися ветровыми потоками. Опыты по заклиниванию головки показали, что при заклинивании гироскопические нагрузки снижаются почти в 3,5 раза. С этой точки зрения целесообразно использование в опорном устройстве демпферов для создания препятствий быстрому повороту головки.

Известно опорное устройство поворотной головки ветроагрегата, содержащее гидравлический демпфер в виде емкости с жидкостью и размещенным в ней рабочим элементом. Это устройство за счет наличия демпфера повышает устойчивость головки в потоке ветра. Однако его конструкция сложна в изготовлении и эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является опорное устройство поворотной головки ветроагрегата, содержащее наружную обойму, прикрепляемую к башне, и внутреннюю обойму, прикрепляемую к головке и выполненную в виде опорной трубы. Опорная труба установлена в наружной обойме-башне посредством двух разнесенных по высоте радиальных подшипников скольжения. Поворотная головка опирается на осевой подшипник скольжения верхнего расположения.

Осевой подшипник верхнего расположения воспринимает все осевые нагрузки, а радиальные подшипники скольжения воспринимают радиальные усилия и изгибающие моменты.

Известная конструкция обеспечивает устойчивость головки ветроагрегата в потоке. Однако она имеет следующие недостатки: разнесение на значительное расстояние радиальных подшипников скольжения, в которых установлена опорная труба, приводит к увеличению габаритных размеров опорного устройства и, как следствие, увеличению металлоемкости и эксплуатационных нагрузок.

Указанные недостатки устраняются тем, что известное устройство поворотной головки ветроагрегата, содержащее наружную и внутреннюю обоймы, осевой подшипник скольжения верхнего расположения и радиальный подшипник скольжения, снабжено дополнительно осевым подшипником скольжения нижнего расположения, на внутренней и наружной обоймах выполнены ответные выступ и паз, между боковыми поверхностями которых установлены радиальный и осевые подшипники скольжения, причем выступ выполнен на неповоротной внутренней обойме, а паз на поворотной наружной обойме, осевые и радиальный подшипники скольжения, выполненные из полимерного композиционного материала, свободно установлены между боковыми поверхностями выступа и паза, их поверхности скольжения покрыты антифрикционным материалом.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием дополнительного осевого подшипника скольжения нижнего расположения, выполнением на внутренней обойме выступа, а на наружной обойме паза, между боковыми поверхностями которых свободно установлены подшипники скольжения, а также тем, что разъемная наружная обойма выполнена подвижной, а внутренняя обойма неподвижной, подшипники выполнены из полимерного композиционного материала, а их поверхности скольжения покрыты антифрикционным материалом.

Наличие отличительных признаков является доказательством соответствия заявленного технического решения критерию "новизна".

Выполнение на внутренней и наружной обоймах ответных выступа и паза, между боковыми поверхностями которых установлены радиальный и осевые подшипники скольжения позволяет выполнить опорное устройство поворотной головки более компактным по сравнению с прототипом, сохраняя устойчивость головки ветроагрегата в потоке ветра. Это способствует снижению металлоемкости и эксплуатационных нагрузок. Выполнение выступа на неповоротной внутренней обойме и паза на поворотной наружной обойме, а также выполнение подшипников скольжения из полимерных композиционных материалов обеспечивают надежность конструкции. Свободная установка подшипников скольжения между боковыми поверхностями выступа и паза и покрытие поверхностей скольжения антифрикционным материалом обеспечивают достаточную чувствительность головки к изменениям вектора скорости ветра при сохранении устойчивости в потоке.

Таким образом, существенные отличительные признаки заявленного устройства, обеспечивая технический результат, находятся в причинноследственной связи с указанным результатом. Поэтому может быть сделан вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображен схематично ветроагрегат; на фиг.2 узел Iна фиг.1; на фиг.3 сечение А-А на фиг.2.

Опорное устройство 1 поворотной головки 2 ветроагрегата содержит две обоймы 3 и 4. Поворотная наружная обойма 3 прикреплена к головке 2 посредством болтов 5. Неповоротная обойма 4 прикреплена к башне 6 с помощью болтов 7. На обойме 4 выполнен выступ 8, который входит в ответный паз 9, выполненный в обойме 3. Между боковыми поверхностями выступа 8 и паза 9 установлены осевые подшипники 10 и 11 скольжения соответственно верхнего и нижнего расположения, а также радиальный подшипник 12 скольжения. Для обеспечения сборки и эксплуатации наружная обойма 3 выполнена разъемной, состоящей из двух частей 13 и 14, соединенных между собой винтами 15. Между частями 13 и 14 обоймы 3 установлены регулировочные прокладки 16. Для сохранения смазки на поверхностях трения, вводимой при периодическом обслуживании ветроагрегата с помощью масленок (на чертеже не показано), предусмотрено уплотнение 17. Поверхности скольжения подшипников покрыты антифрикционным материалом, а сами подшипники выполнены из полимерного композиционного материала.

На чертежах, приведенных в описании в качестве примера, показан лишь один из возможных вариантов конструкции опорного устройства поворотной головки ветроагрегата. Возможны и другие конкретные выполнения заявляемого устройства.

При работе ветроагрегата опорное устройство поворотной головки воспринимает основные нагрузки, вызываемые аэродинамическими силами, обусловленными воздействиями ветра на головку ветроагрегата; силами гироскопического происхождения, действующими в вертикальной плоскости, проходящей через ось колеса и ось поворота головки; центробежными силами, обусловленными массовой неуравновешен- ностью вращающихся элементов агрегата относительно горизонтальной оси, проходящей через ось поворота головки; массой головки.

Эти силы (за исключением массы головки) изменяются в зависимости от скорости ветра, частоты вращения ветроколеса и угловой скорости переориентации. Несбалансированность вращающихся элементов, порывы ветра, экранирование ветроколеса башней обуславливают высокий уровень вибрационных нагрузок.

Под воздействием ветра поворотная головка 2 вместе с обоймой 3 поворачивается относительно обоймы 4. При этом осевые нагрузки и моменты воспринимаются подшипниками 10 и 11 скольжения, а подшипник 12 скольжения воспринимает только радиальные нагрузки. Современные материалы, в частности намоточные полимерные композиционные, обеспечивают на основе высокопрочных и высокомодульных наполнителей прочность и износостойкость подшипников скольжения при эксплуатации ветроагрегата. Кроме того, опорное устройство поворотной головки на всех режимах работы должно обеспечивать достаточную чувствительность головки при ее самоориентации относительно вектора скорости потока воздуха, и в то же время головка должна быть устойчивой в потоке.

Выполнение требований по чувствительности находится в прямой зависимости от силы трения контактирующих поверхностей выступа 8 и паза 9 внутренней и наружной обойм. Контакт этих поверхностей осуществляется с помощью свободно установленных подшипников 10-12. Их поверхности скольжения для уменьшения силы трения покрыты антифрикционным материалом. Наряду с этим опорное устройство с использованием подшипников 10-12 скольжения обеспечивает достаточное демпфирование головки, чем и достигается ее устойчивость в потоке воздуха.

Разъемная наружная обойма, состоящая из частей 13 и 14, облегчает сборку и обеспечивает ремонтопригодность конструкции. Она позволяет заменять вышедшие из строя или изношенные элементы опорного устройства.

Расположение подшипников 10-12 скольжения между боковыми поверхностями выступа 8 и паза 9 обойм позволяет выполнить опорное устройство компактным, что способствует снижению металлоемкости и эксплуатационных нагрузок.

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: опорное устройство содержит внутреннюю неповоротную обойму с выступом и наружную поворотную обойму с ответным пазом. Между боковыми поверхностями выступа и паза установлены радиальный и два осевых подшипника скольжения. 6 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ОПОРНОЕ УСТРОЙСТВО ПОВОРОТНОЙ ГОЛОВКИ ВЕТРОАГРЕГАТА, содержащее наружную и внутреннюю обоймы , осевой подшипник скольжения верхнего расположения и радиальный подшипник скольжения, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительно осевым подшипником скольжения нижнего расположения, на внутренней и наружной обоймах выполнены ответные выступ и паз, между боковыми поверхностями которых установлены радиальный и осевые подшипники скольжения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренняя обойма выполнена неповоротной, а наружная - поворотной. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что выступ выполнен на внутренней обойме, а паз - на наружной. 4. Устройство по пп. 1 - 3, отличающееся тем, что осевые подшипники верхнего и нижнего расположения и радиальный подшипник свободно установлены между боковыми поверхностями выступа и паза внутренней и наружной обоймы. 5. Устройство по пп. 1 и 4, отличающееся тем, что осевые и радиальный подшипники скольжения выполнены из полимерного композиционного материала. 6. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что наружная обойма выполнена разъемной. 7. Устройство по пп. 1, 4 и 5, отличающееся тем, что поверхности скольжения подшипников покрыты антифрикционным материалом.