ВЕТРОВАЯ ТУРБИНА С КОМПОНЕНТАМИ, ВОСПРИНИМАЮЩИМИ НАГРУЗКУ
WIND-DRIVEN TURBINE WITH LOAD-CARRYING COMPONENTS

Патентная заявка относится к ветровой турбине с компактным приводным механизмом.
За последние десятилетия ветровые турбины значительно увеличились в размере, сегодня тенденция развивается в направлении все более компактных и легких конструкций. В них сплошь используются так называемые упорные подшипники, которые не только поглощают упорное и поперечное усилия от ротора, но также передают вращающие моменты на единственное пятно контакта. Использование таких подшипников позволяет создать значительно более компактные приводные механизмы по сравнению с моделями, в которых используется двойной подшипник ротора. Однако в большинстве известных турбин редукторы, а также генераторы, расположены после подшипника как отдельные компоненты на главном несущем элементе. Главный несущий элемент тогда имеет дополнительную функцию передачи вращающейся нагрузки от подшипника ротора к гондоле. Поскольку эти упорные подшипники имеют относительно большие диаметры и при этом для крепления болтами по всей окружности подшипника необходима плоская поверхность для тесного контакта, предпочтительно использовать литые главные несущие элементы. Тогда нагрузки необходимо прилагать от поверхности для крепления подшипника болтами через главный несущий элемент на гондолу без контакта конструкции главного несущего элемента с редуктором и генератором. Это ведет к необходимости создания литых конструкций, в которых требуются большие отверстия в области, обращенной в сторону от ротора, для установки редуктора. Эти открытые конструкции имеют существенные недостатки с точки зрения прочности и деформации, поскольку в результате компоненты испытывают большие дополнительные напряжения. Кроме того, эти конструкции состоят из слишком большого числа компонентов, поскольку функция этих компонентов не включает в себя передачу нагрузки. Поэтому целью разработки новых ветровых турбин должны быть более компактные, более легкие и более экономичные турбины.
В заявке WO 2005/033505 A1 раскрыта конструкция приводного механизма, который уже является очень компактным, имеет отдельный редуктор и генератор, в котором имеется большое отверстие для установки редуктора. Для крепления генератора необходима дополнительная опорная конструкция, а также кожух гондолы для защиты компонентов от погодных воздействий.
В заявке DE 10351524 A1 предлагается аналогичное компактное решение, в котором можно было расположить редуктор и втулку еще ближе друг к другу, при этом форма конструкции главного несущего элемента является неудачной, поскольку предполагает наличие высоких пиков напряжения и деформации. Здесь также требуется кожух гондолы.
В заявке WO 02/079644 A1 предлагается еще более компактное решение, где часть редуктора встраивается в подшипник ротора. Однако здесь также имеются дополнительный редуктор и отдельный генератор, для которого требуется дополнительная опорная конструкция. Кроме того, в литом главном несущем элементе имеется большое отверстие, что является серьезным недостатком с точки зрения конструкции.
В заявке DD 268741 A1 раскрыта аналогичная компактная конструкция гондолы, которую можно применить только в малых ветровых турбинах, поскольку такие турбины спроектированы как механизм, направленный по ветру и не оснащены устройством для отслеживания направления ветра и вертикальным тормозным устройством. Кроме того, преимуществом встраивания редуктора и генератора в корпус является чрезвычайная компактность конструкции, а его недостатком является трудоемкий ремонт, поскольку возможность доступа к компонентам в значительной степени ограничена.
Целью изобретения является создание приводного механизма, обеспечивающего создание очень компактной, легкой и поэтому экономичной конструкции и объединяющего основные компоненты, такие как подшипник ротора, редуктор, генератор и устройство для отслеживания направления ветра в линию передачи усилия от ротора на башню. Одновременно необходимо обеспечить, чтобы установка отдельных компонентов, в частности, редуктора и генератора, производилась независимо, и чтобы можно было выполнять их монтаж-демонтаж с целью ремонта по отдельности.
Согласно изобретению данная цель достигается за счет отличительных особенностей по п.1 формулы, в подпунктах формулы указаны предпочтительные осуществления изобретения.
Изобретение обеспечивает более полную интеграцию функциональных элементов, экономия достигается за счет компонентов.
В данном изобретении компоненты, такие как редуктор, генератор и устройство для отслеживания направления ветра установлены в отдельных корпусах, которые присоединены друг к другу болтами. Остальные корпуса спроектированы как опорная конструкция для передачи максимальной статической нагрузки и динамической нагрузки ротора. Также подшипник присоединен болтами к корпусу редуктора и передает нагрузки ротора на корпус редуктора. Корпус редуктора передает нагрузку на корпус генератора. Корпус генератора в свою очередь передает нагрузку на опору головного элемента, которая в свою очередь передает нагрузку через опору в виде горизонтального подшипника на башню. В результате применения такой конструкции корпуса компонентов выполняют двойную функцию - они работают в качестве элементов, передающих нагрузку, и элементов, предназначенных для монтажа отдельных частей компонентов. Такая конструкция обеспечивает малый вес механизма, а следовательно, его экономичность, кроме того, можно отказаться от кожуха гондолы, поскольку конструкция всех компонентов такова, что они могут подвергаться погодным воздействиям. По соображениям сборки, необходимо проектировать корпус редуктора и корпус генератора как два отдельных корпуса, однако он также может быть цельным.
Такое устройство является исключительно предпочтительным, если соединение втулки ротора, подшипник ротора, редуктор и генератор имеют приблизительно одинаковые размеры в отношении наружного диаметра. Такая конструкция ведет к особенно благоприятной передаче усилия без каких-либо больших отклонений нагрузки. Это ведет к ситуации, когда необходимо, чтобы редуктор представлял собой двухступенчатый планетарный редуктор с коаксиальным приводом и ведомыми осями, имеющим передаточное отношение 15:25. Генератор установлен после него и имеет номинальную частоту вращения приблизительно от 200 до 400 об/мин. Оба компонента установлены в общем или в двух отдельных корпусах, конструкция которых такова, что они могут передавать нагрузки от ротора к опоре головного элемента. Затем опора головного элемента передает нагрузку на башню, и, кроме того, на ней располагаются устройство для отслеживания направления ветра, состоящее из опоры в виде горизонтального подшипника и сервоприводов, вертикальные тормоза, система смазки редуктора и теплообменник для охлаждения редуктора и генератора.
Описание предпочтительного примера осуществления изобретения дано ниже со ссылкой на следующие чертежи:
на фиг.1 дан вид сбоку на втулку, подшипник ротора, корпус генератора и опору головного элемента, в разрезе показана только лопатка ротора; и
на фиг.2 дан вид, частично в разрезе, соответствующий фиг.1.
Ротор состоит из лопаток ротора 10 и втулки 12 ветровой турбины, он опирается на подшипник ротора 16, являющийся упорным подшипником, и передает усилия и моменты на компоненты, расположенные после него. Редуктор встроен в корпус редуктора 18. Генератор, расположенный дальше, установлен в корпусе генератора 20. Оба корпуса 18, 20 имеют приблизительно одинаковый диаметр и скреплены вместе болтами. Корпус генератора 20, в свою очередь, прикреплен болтами к опоре головного элемента 22, которая передает нагрузку через опору в виде горизонтального подшипника 42 на башню 14. В этих элементах размещены все необходимые узлы и компоненты. Дополнительный кожух гондолы для защиты от погодных воздействий и для размещения подузлов не требуется. Оба корпуса снабжены охлаждающими ребрами по внешней стороне для частичного отвода рассеянного тепла в атмосферу. Кроме того, оба корпуса, как и опора головного элемента, выполнены устойчивыми к атмосферным влияниям.
Втулка 12 соединена (Фиг.2) с помощью винтового соединения 52 с коронной шестерней 24 первой ступени редуктора. Эта коронная шестерня 24 впрессована во внутреннее кольцо подшипника ротора 16 и присоединена неразъемным образом. Наружное кольцо 30 подшипника ротора 16 неразъемным образом соединено винтовым соединением 54 с корпусом редуктора 18, а через него с корпусом генератора 20. Лабиринтовый сальник 50 уплотняет редуктор 32 в направлении изнутри наружу. Планетарные редукторы 56 первой ступени редуктора опираются на сферические подшипники скольжения 26. Эти подшипники скольжения 26 крепятся к корпусу редуктора 18 при помощи цапф подшипников 28. Планетарные редукторы 56 передают крутящий момент на основное зубчатое колесо 58. Спиральные зубья установлены по центру внутри основного зубчатого колеса и передают крутящий момент на промежуточный вал 60. Этот промежуточный вал 60, в свою очередь, вставлен в планетарный несущий элемент 62 второй планетарной ступени. Редуктор 32 аналогичным образом встроен в корпус редуктора 18 и приводит в движение основное зубчатое колесо при помощи передаточного вала 66. Этот передаточный вал 66 присоединен к фланцу привода генератора 68 в части крутящего момента при помощи спиральной зубчатой передачи. Генератор 34 спроектирован как синхронный генератор со статическим полем, который установлен в корпусе генератора 20 и снабжен кожухом с водяным охлаждением 36. Контур охлаждения работает от нагнетательного насоса, при этом выделяющаяся теплота отводится в атмосферу при помощи охладителя 48. Корпус генератора 20 соединен с опорой головного элемента 22 при помощи винтовых соединений 38. Опора головного элемента 22 состоит из сервоприводов 44 для устройств для отслеживания направления ветра, вертикальных тормозов 40, охладителей 48 для редуктора и генератора, масляного бака для редуктора 46 с фильтрами и циркуляционными насосами и циркуляционным насосом 64 для контура охлаждения генератора. Центральная труба 70 проходит по центру через две ступени редуктора и генератор и выполнена с возможностью поворота со скоростью ротора, в ней установлены линии подачи питания для регулировки лопаток ротора. Вращающийся передающий стык или токосъемное кольцо 72 передает необходимое электропитание от стационарной части опоры головного элемента 22 на вращающуюся втулку 12.