ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2019 года по МПК F03D80/70 F03D15/20 F03D9/25 F16C17/02 F16C17/04 F16C17/10 F16C33/18 

Настоящее изобретение относится к ветроэнергетической установке, с одной или несколькими роторными лопастями, ступицей ротора, на которой установлена одна или несколько роторных лопастей, и генератором для генерирования электрической энергии, причем генератор содержит статор генератора и закрепленный без проворачивания на ступице ротора якорь генератора, имеющий возможность вращения вокруг оси, причем ступица ротора и якорь генератора соединены без проворачивания.

Ветроэнергетические установки вышеуказанного типа являются общеизвестными. Они используются для того, чтобы преобразовывать вращательное движение ступицы ротора, которое возникает в результате воздействия на роторные лопасти ветром, в электрическую энергию.

При этом основная подшипниковая опора ступицы ротора и генератора приобретает важное значение. Основная подшипниковая опора из-за вращательного движения и ветровой нагрузки подвергается осевым и радиальным нагрузкам. На протяжении многих лет различные концепции подшипников получили признание на практике или не были признаны. Совсем недавно, например, возрастающую популярность получило применение основной подшипниковой опоры только с одним подшипниковым сегментом, причем в подшипниковый сегмент вставляются одна или несколько моментных подшипниковых опор. Хотя не подлежит сомнению преимущество моментной подшипниковой опоры как решение с высокой нагрузочной способностью для восприятия осевых сил, радиальных сил и для восприятия опрокидывающих моментов, все еще существует потребность определить альтернативные концепции подшипников, которые, в частности, требуют хороший компромисс между долговечностью, затратами на техническое обслуживание, поведением акустического демпфирования и рентабельностью.

Исходя из этих предпосылок, в основе настоящего изобретения лежала задача усовершенствования ветроэнергетической установки таким образом, чтобы вышеуказанные преимущества достигались в максимально возможной степени. В частности, в основе изобретения лежала задача обеспечения ветроэнергетической установки, в которой концепция основного подшипника усовершенствуется в отношении вышеуказанных свойств.

Изобретение решает лежащую в его основе задачу в ветроэнергетической установке вышеуказанного типа тем, что ветроэнергетическая установка выполнена в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения. В частности, в соответствующей изобретению ветроэнергетической установке первый подшипниковый сегмент содержит первый радиальный подшипник скольжения и первый упорный (осевой) подшипник скольжения, а второй подшипниковый сегмент содержит второй радиальный подшипник скольжения и второй упорный подшипник скольжения. Изобретение использует тот факт, что, по сравнению с подшипниковыми опорами только с одним подшипниковым сегментом, достигается лучшее распределение сил. В частности, в качестве преимущества было обнаружено, что распределение осевых сил на оба подшипниковых сегмента, каждый из которых имеет свой специальный упорный подшипник, способствует меньшему износу подшипников. По сравнению с обычными подшипниковыми опорами, такими как моментные подшипники или фиксированные-плавающие подшипниковые опоры, дополнительным преимуществом является то, что опрокидывающие моменты, в частности в форме моментов тангажа и рыскания, которые воздействуют на ротор, могут лучше поддерживаться обоими подшипниками при разбиении на осевые и радиальные силовые компоненты. Как правило, решение с двумя подшипниками является менее чувствительным к моментам рыскания ротора, по сравнению с моментным подшипником.

Предпочтительным развитием изобретения является то, что первый и второй радиальные подшипники имеют, соответственно, накладку скольжения, причем накладки скольжения первого и второго радиального подшипника скольжения расположены на общем первом кольце подшипника, которое предпочтительно представляет собой внутреннее кольцо. Радиальные подшипники предпочтительно расположены на отдельных выступах с одинаковыми или разными диаметрами на внутреннем кольце.

В другой предпочтительной форме выполнения ветроэнергетическая установка содержит гондолу с жестко установленной машинной рамой, и первое кольцо подшипника жестко соединено с машинной рамой. По сравнению с традиционным выполнением с цапфой оси, на которой должны монтироваться, соответственно, в двух подшипниковых сегментах специальные роликовые подшипники или подшипники скольжения с собственными кольцами подшипников, эта форма выполнения представляет собой существенное конструктивное упрощение в том, что первое кольцо подшипника непосредственно несет на себе накладки скольжения как для первого подшипникового сегмента, так и для второго подшипникового сегмента.

Кроме того, предпочтительно, первый и второй упорный подшипник имеют соответствующий подшипник скольжения, причем предпочтительно накладки скольжения обращены друг к другу, и причем накладка скольжения первого упорного подшипника скольжения расположена на фланце первого кольца подшипника. За счет расположения накладки скольжения первого упорного подшипника на фланце, при помощи крепления фланца на первом кольце подшипника, обеспечивается очень простая юстировка осевого зазора подшипника, например, путем применения распорных шайб между фланцем и кольцом.

В первом предпочтительном альтернативном варианте накладка скольжения второго упорного подшипника скольжения размещена на машинной раме. Альтернативно этому, предпочтительно, фланец является первым фланцем, а первое кольцо подшипника имеет второй фланец, расположенный противоположно в направлении оси, причем накладка скольжения второго упорного подшипника скольжения размещена на втором фланце.

Ветроэнергетическая установка в соответствии с изобретением предпочтительно содержит второе кольцо подшипника, которое предпочтительно представляет собой внешнее кольцо, и которое без проворачивания соединено с якорем генератора. В предпочтительном варианте осуществления второе кольцо подшипника имеет в первом подшипниковом сегменте продолжающийся радиально внутрь первый краевой выступ (бортик), а во втором подшипниковом сегменте - продолжающийся радиально внутрь второй бортик, причем первый бортик взаимодействует с первым упорным подшипником и первым радиальным подшипником, и причем второй бортик взаимодействует со вторым упорным подшипником и вторым радиальным подшипником. Бортик предпочтительно по меньшей мере на отдельных участках выполнен как окружной кольцевой фланец, который выступает внутрь от второго опорного кольца.

В предпочтительном варианте осуществления первый бортик имеет радиально ориентированный первый поверхностный сегмент, который проходит с возможностью скольжения по накладке скольжения первого радиального подшипника, и аксиально ориентированный второй поверхностный сегмент, который проходит с возможностью скольжения по накладке скольжения первого упорного подшипника.

Кроме того, предпочтительно, второй бортик имеет радиально ориентированный первый поверхностный сегмент, который проходит с возможностью скольжения по накладке скольжения второго радиального подшипника, и аксиально ориентированный второй поверхностный сегмент, который проходит с возможностью скольжения по накладке скольжения второго упорного подшипника.

Более предпочтительно, первый и/или второй бортик, в частности поверхностные сегменты первого и/или второго бортика, полностью или частично состоят из металлического материала. Предпочтительным образом, шероховатость поверхностных сегментов на первом и/или втором бортиках выполнена с шероховатостью поверхности R_а, равной 1,0 мкм или менее, предпочтительно 0,8 мкм или менее. Шероховатость поверхности может устанавливаться хорошо известным способом, например, согласно DIN EN ISO 4287:2010.

В качестве металлического материала предпочтительно применяется латунь, латунный сплав, белый металл, например свинец, олово, сурьма, висмут, медь, медный сплав, особенно медно-свинцовый литейный сплав, бронзовый литейный сплав особенно свинцовистая бронза, свинцовисто-бронзовый литейный сплав, свинцово-оловянный литейный сплав, алюминий, алюминиевый сплав, особенно алюминий-оловянный литейный сплав, алюминий-цинковый литейный сплав, сталь, стальной сплав, спеченный металл или комбинация из нескольких вышеупомянутых металлических материалов.

В качестве альтернативы чисто металлическому материалу, предпочтительно применяется металл-композитный материал, например, металлокерамический композитный материал (металлокерамика) или металлопластиковый композитный материал.

В качестве альтернативы, предпочтительно для поверхностей скольжения применяется, в частности, неметаллический материал, такой как, например, спеченная керамика (которая в качестве составной части может иметь, например, оксиды металлов), высокопроизводительный пластик, такой как термопластичный высокопроизводительный полимер, особенно аморфный термопластичный высокопроизводительный полимер, такой как полиамид-имид (PAI), при необходимости, с графитовой и/или PTFE-добавкой.

Радиальный подшипник скольжения и/или осевой подшипник скольжения соответствующей изобретению основной подшипниковой опоры предпочтительно выполнены как гидродинамические подшипники скольжения.

Накладки скольжения предпочтительно выполнены, соответственно, частично или полностью из волокнистого композитного материала. Кроме того, предпочтительно, на одной, нескольких или всех поверхностях скольжения нанесено некоторое число слоев скольжения из соответствующего одного из следующих материалов:

- политетрафторэтилена,

- вспененного политетрафторэтилена,

- сульфида молибдена,

- графита,

- графена или комбинации из нескольких этих материалов.

Если неметаллические материалы применяются для поверхностей скольжения, предпочтительно некоторое число слоев скольжения выполняется из напыленного металлического материала.

Кроме того, предпочтительно, волокнистый композитный материал содержит волокнистый материал, выбранный из группы, состоящей из углеродных волокон, стекловолокон, стальных волокон, бамбуковых волокон или комбинации из нескольких этих материалов.

Материал матрицы армированного стекловолокном волоконного композитного материала предпочтительно представляет собой полимерный материал, например, термопластичный или термореактивный материал, особенно эпоксидную смолу.

Изобретение будет описано более подробно ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее:

Фиг. 1 - схематичное пространственное представление ветроэнергетической установки в соответствии с настоящим изобретением,

Фиг. 2 - схематичный вид в поперечном сечении к гондоле ветроэнергетической установки в соответствии с фиг. 1

Фиг. 1 показывает схематичное представление ветроэнергетической установки в соответствии с настоящим изобретением. Ветроэнергетическая установка 100 содержит мачту 102 и гондолу 104 на мачте 102. На гондоле 104 предусмотрен аэродинамический ротор 106 с тремя роторными лопастями 108 и вращателем 110. Ротор 106 при работе ветроэнергетической установки 100 приводится ветром во вращательное движение и, таким образом, вращает ротор или якорь генератора (см. фиг. 2), который соединен непосредственно или опосредованно с ротором 106. Генератор, который предпочтительно представляет собой медленно вращающийся синхронный генератор, расположен в гондоле 104 и генерирует электрическую энергию. Углы наклона роторных лопастей 108 предпочтительно могут быть изменены с помощью двигателей наклона на корнях роторных лопастей для соответствующих роторных лопастей 108. Ротор 106 и роторные лопасти 108 установлены с возможностью вращения вокруг оси вращения при помощи основной подшипниковой опоры 1, которая показана более подробно на фиг. 2.

Основная подшипниковая опора 1, показанная на фиг. 2, имеет первый подшипниковый сегмент 3a и разнесенный относительно него в направлении оси А второй подшипниковый сегмент 3b. Основная подшипниковая опора 1 имеет в первом подшипниковом сегменте 3а, первый радиальный подшипник 5а и первый упорный подшипник 7а, которые соответственно выполнены как подшипники скольжения, предпочтительно как гидродинамические подшипники скольжения. Во втором подшипниковом сегменте 3b, основная подшипниковая опора имеет второй радиальный подшипник 5b и второй упорный подшипник 7b, которые также предпочтительно выполнены, соответственно, как подшипники скольжения, предпочтительно как гидродинамические подшипники скольжения.

Первый и второй радиальные подшипники 5а, 5b имеют, соответственно, накладки 9 скольжения, которые закреплены или выполнены на первом кольце 11 подшипника. Накладки 9 скольжения предпочтительно частично из полностью выполнены из армированного волокном композитного материала, например, армированного стекловолокном пластика (GFK) и предпочтительно имеют некоторое число уменьшающих трение поверхностных слоев 13. Упорные подшипники 7а, 7b предпочтительно также имеют накладки 9 скольжения, которые изготовлены полностью или частично из армированного волокном композитного материала и имеют некоторое число поверхностных слоев 13 для уменьшения трения.

Первый упорный подшипник 7а предпочтительно расположен или выполнен на первом фланце 15, который реверсивно разъемно соединен с первым кольцом подшипника. Особенно предпочтительным образом для регулировки осевого зазора подшипниковой опоры 1, распорный элемент 17 размещен между первым фланцем 15 и первым кольцом 11 подшипника.

Второй упорный подшипник предпочтительно расположен или выполнен на втором фланце 19. Второй фланец 19 опционально выполнен на первом кольце 11 подшипника или машинной раме 136 или прикреплен к ней.

Основная подшипниковая опора 1 содержит, в дополнение к первому кольцу 11 подшипника, второе кольцо 21 подшипника, предпочтительно выполненное как внешнее кольцо. Второе кольцо подшипника 21, с одной стороны, соединено без проворачивания с ротором 106, а с другой стороны, соединено без проворачивания с ротором 134 генератора 130.

Второе кольцо 21 подшипника имеет в первом подшипниковом сегменте 3а первый проходящий радиально внутрь бортик 23а, который взаимодействует с первым радиальным подшипником 5а и первым упорным подшипником 7а основной подшипниковой опоры 1. На первом бортике 23a выполнен радиально ориентированный поверхностный сегмент 25а, который взаимодействует с накладкой 9 скольжения первого радиального подшипника 5а для формирования подшипника скольжения. Кроме того, на первом бортике 23а выполнен второй поверхностный сегмент 25b, который ориентирован аксиально и образует подшипник скольжения с накладкой 7а скольжения первого упорного подшипника 7а.

Аналогично, второе кольцо 21 подшипника имеет второй проходящий радиально внутрь бортик 23b, который находится во втором подшипниковом сегменте 3b. Второй бортик 23b имеет первый поверхностный сегмент 27а, который радиально ориентирован и образует подшипник скольжения с накладкой 9 скольжения второго радиального подшипника 5b. Кроме того, второй бортик 23b имеет второй аксиально ориентированный поверхностный сегмент 27b, который образует подшипник скольжения с накладкой 9 скольжения второго упорного подшипника 7b.

Поверхностные сегменты 25а, b и 27а, b предпочтительно выполнены из металлического материала и имеют шероховатость поверхности R_а, равную 1,0 мкм или менее, предпочтительно 0,8 мкм или менее.

В предпочтительных вариантах осуществления, в поверхностных сегментах 25а, b и 27а, b могут быть вставлены металлические вставки в бортики 23а, b, которые могут заменяться после достижения предопределенного предельного износа.

Накладки 9 скольжения подшипников скольжения 5а, b, 7а, b выполнены предпочтительно в форме сегментированных накладок скольжения и соединены, соответственно, реверсивно разъемным образом с позиционирующими их телами 11, 15, 19, чтобы иметь возможность замены при достижении предопределенного предельного износа.

Изобретение относится к ветроэнергетической установке (100). Ветроэнергетическая установка (100) с одной или несколькими роторными лопастями (108), ступицей (106) ротора, на которой установлена одна или несколько роторных лопастей, и генератором (130) для генерации электрической энергии, причем генератор содержит статор (132) генератора и соединенный без проворачивания со ступицей ротора якорь (134) генератора, имеющий возможность вращения вокруг оси (А), причем ступица ротора и якорь генератора имеют общую основную подшипниковую опору (1), которая разделена на два подшипниковых сегмента (3a, 3b), разнесенные друг от друга в направлении оси. Первый подшипниковый сегмент (3a) содержит первый радиальный подшипник скольжения (5а) и первый упорный подшипник скольжения (7а), а второй подшипниковый сегмент (3b) содержит второй радиальный подшипник скольжения (5b) и второй упорный подшипник скольжения (7b). Изобретение направлено на снижение износа подшипников. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ветроэнергетическая установка (100), содержащая

одну или несколько роторных лопастей (108), ступицу (106) ротора, на которой установлены указанные одна или несколько роторных лопастей, и

генератор (130) для генерации электрической энергии, причем генератор содержит статор (132) генератора и соединенный без проворачивания со ступицей ротора якорь (134) генератора, имеющий возможность вращения вокруг оси (А),

причем ступица ротора и якорь генератора имеют общую основную подшипниковую опору (1), которая разделена на два подшипниковых сегмента (3a, 3b), расположенные на расстоянии друг от друга в направлении оси (А),

отличающаяся тем, что первый подшипниковый сегмент (3a) содержит первый радиальный подшипник скольжения (5а) и первый упорный подшипник скольжения (7а), а второй подшипниковый сегмент (3b) содержит второй радиальный подшипник скольжения (5b) и второй упорный подшипник скольжения (7b).

2. Ветроэнергетическая установка по п. 1,

причем первый и второй радиальные подшипники (5а, b) имеют, соответственно, накладку скольжения (9), причем накладки скольжения первого и второго радиального подшипника скольжения расположены на общем первом кольце (11) подшипника, которое предпочтительно представляет собой внутреннее кольцо.

3. Ветроэнергетическая установка по п. 2,

причем ветроэнергетическая установка содержит гондолу (104) с жестко установленной машинной рамой (136), причем первое кольцо (11) подшипника жестко соединено с машинной рамой (136).

4. Ветроэнергетическая установка по одному из предыдущих пунктов,

причем первый и второй упорные подшипники (7а, b) имеют, соответственно, накладку скольжения (9), причем накладки скольжения предпочтительно обращены друг к другу, при этом накладка скольжения (9) первого упорного подшипника скольжения (7а) размещена на фланце (15) первого кольца (11) подшипника.

5. Ветроэнергетическая установка по п. 4,

причем накладка скольжения (9) второго упорного подшипника скольжения (7b) размещена на машинной раме (136).

6. Ветроэнергетическая установка по п. 4,

причем фланец (15) является первым фланцем, а первое кольцо (11) подшипника имеет второй фланец (19), расположенный противоположно в направлении оси (А), причем накладка скольжения (9) второго упорного подшипника скольжения (7) размещена на втором фланце (19).

7. Ветроэнергетическая установка по одному из предыдущих пунктов,

причем основная подшипниковая опора (1) содержит второе кольцо (21) подшипника, которое предпочтительно представляет собой внешнее кольцо, и которое без проворачивания соединено с якорем (132) генератора.

8. Ветроэнергетическая установка по п. 7,

причем второе кольцо (21) подшипника имеет в первом подшипниковом сегменте (3а) продолжающийся радиально внутрь первый бортик (23а), а во втором подшипниковом сегменте (3b) - продолжающийся радиально внутрь второй бортик (23b), причем первый бортик (23а) взаимодействует с первым упорным подшипником (7а) и первым радиальным подшипником (5а), а второй бортик (23b) взаимодействует со вторым упорным подшипником (7b) и вторым радиальным подшипником (5b).

9. Ветроэнергетическая установка по п. 8,

причем первый бортик (23а) имеет радиально ориентированный первый поверхностный сегмент (25а), который проходит с возможностью скольжения по накладке скольжения первого радиального подшипника (5b), и аксиально ориентированный второй поверхностный сегмент (27b), который проходит с возможностью скольжения по накладке скольжения первого упорного подшипника (7b).

10. Ветроэнергетическая установка по п. 8 или 9,

причем второй бортик имеет радиально ориентированный первый поверхностный сегмент (27а), который проходит с возможностью скольжения по накладке скольжения второго радиального подшипника (5b), и аксиально ориентированный второй поверхностный сегмент (27b), который проходит с возможностью скольжения по накладке скольжения второго упорного подшипника (7b).

11. Ветроэнергетическая установка по одному из предыдущих пунктов,

причем радиальные подшипники скольжения и/или упорные подшипники скольжения выполнены как гидродинамические подшипники скольжения.

12. Ветроэнергетическая установка по одному из пп. 2-11,

причем накладки скольжения (9) выполнены, соответственно, частично или полностью из волокнистого композитного материала.

13. Ветроэнергетическая установка по п. 12,

причем на одной, нескольких или всех накладках скольжения нанесено некоторое число слоев скольжения из соответствующего одного из следующих материалов:

- политетрафторэтилена,

- вспененного политетрафторэтилена,

- сульфида молибдена,

- графита,

- графена,

- напыленного металлического материала

или комбинации из нескольких этих материалов.

14. Ветроэнергетическая установка по одному из пп. 12 или 13, причем волокнистый композитный материал содержит волокнистый материал, выбранный из группы, состоящей из:

- углеродных волокон,

- стекловолокон,

- стальных волокон,

- бамбуковых волокон или

комбинации из нескольких этих материалов.