ПРЯМОПРИВОДНОЙ ГЕНЕРАТОР ИЛИ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ВЕТРО- ИЛИ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ИЛИ СУДНА И СПОСОБ СБОРКИ ТАКОЙ УСТАНОВКИ
DIRECT-DRIVE GENERATOR OR ENGINE FOR WIND- OR HYDROPOWER PLANT OR VESSEL, AND ASSEMBLY METHOD OF SUCH PLANT

Область техники
Настоящее изобретение относится к ветроэнергетической установке с прямым приводом генератора и с ротором турбины, установленным на статоре, а также к способу сборки ротора генератора и генератора в целом.
Изобретение относится также к кольцевой ступице ротора, выполненной с большим диаметром и имеющей закрытый профиль, стойкий в отношении кручения. К указанной ступице прикреплены лопасти ротора. Ступица ротора снабжена также обладающим магнитной стабильностью подшипником, который воспринимает осевые нагрузки. Изобретение может быть использовано как для генерирования энергии, так и в качестве пропульсивной системы для транспортного средства в воздушной или водной среде.
Уровень техники
Разработка ветроэнергетических установок (далее - ветроустановок) или ветровых турбин для генерирования энергии, предпочтительно в форме электроэнергии, стабильно развивалась в направлении создания крупных установок. К настоящему времени спроектированы и построены ветроустановки с выходной мощностью около 5 МВт и с диаметром ротора более 115-125 м. С учетом сложности транспортировки столь крупных установок по земле ветроустановки с мощностью 5 МВт и более разрабатываются, в основном, для размещения на оффшорных станциях. Принципы построения подобных ветроустановок с горизонтальной осью, по существу, такие же, что и установок меньшего размера. В них используется ротор, обычно имеющий три лопасти, закрепленные на центральной ступице с валом, установленным в шарикоподшипнике, рассчитанном на тяжелый режим работы. Размеры ступицы должны быть такими, чтобы она выдерживала значительные изгибающие моменты, обусловленные как действием ветра (ветровой нагрузкой) на каждую из лопастей по направлению ветра, так и весом каждой лопасти в плоскости, по существу, перпендикулярной направлению ветра, с постоянно изменяющимся направлением в зависимости от того, движется ли данная лопасть в ходе своего вращения вверх или вниз. Если в данный момент каждая лопасть испытывает различную ветровую нагрузку, будет возникать момент, стремящийся повернуть ступицу вокруг оси, перпендикулярной продольной оси вала. В предельных случаях этот момент может стать очень большим, так что размеры вала также должны выбираться такими, чтобы выдерживать данный момент. Центральная ступица и вал, кроме того, передают момент вращения ротора (непосредственно или через зубчатую передачу) генератору.
Первоначальная стоимость обслуживания оффшорных ветроустановок выше, чем наземных. Перерыв в производстве энергии вследствие какой-либо неисправности в оффшорных условиях также во многих случаях имеет более серьезные последствия, поскольку погодные условия часто препятствуют высадке на ветроустановках для проведения требуемых ремонтов. Кроме того, на больших удалениях от берега сила ветра, как правило, значительно выше, чем на земле.
Если представляется желательным использовать как можно больше этой повышенной ветровой энергии путем увеличения номинальной скорости, при которой происходит увод лопастей из-под ветра, ветроустановка будет подвергаться повышенным усталостным нагрузкам по сравнению с ее расположением в более спокойных ветровых условиях.
Крупные ветроустановки или ветротубины имеют то преимущество, что могут уменьшить ожидаемые затраты на обслуживание и "однократные затраты" (например на системы управления) в расчете на 1 кВтч выработанной энергии. Их недостатком является увеличение массы и материалоемкости на единицу вырабатываемой энергии для очень крупных установок. Оптимальная в экономическом отношении мощность наземных ветроустановок на современном уровне технологии оценивается многими специалистами, как составляющая 1-3 МВт.
Увеличение массы и материалоемкости на единицу мощности с увеличением размеров ветроустановки объясняется тем, что масса увеличивается примерно пропорционально третьей степени линейного размера (пропорционально объему), тогда как ометаемая площадь для ротора (определяемая, как площадь круга, перекрываемая вращающимися лопастями ротора) и, следовательно, вырабатываемая энергия увеличиваются пропорционально только квадрату линейного размера. При этом подразумевается, что сравнение производится при том же местоположении, т.е. при одинаковой силе ветра в обоих случаях. Другими словами, если рассматривается увеличение размера ветроустановки при использовании той же самой технологии, масса в расчете на единицу выработанной энергии и, следовательно, в большой степени и расходы будут возрастать с увеличением линейного размера ветроустановки приблизительно линейно.
Т
Т
Кроме того, с увеличением диаметра ротора ветроустановки уменьшается угловая скорость вращения. Это объясняется тем, что оптимальная скорость конца лопасти задается как функция скорости ветра. Оптимальное отношение скорости конца лопасти и скорости ветра (далее именуемое отношением для конца лопасти) применительно к трехлопастным ветроустановкам обычно составляет около 6, причем оно зависит от отношения длина/ширина для лопастей. Следовательно, при одинаковой скорости ветра угловая скорость ротора для ветроустановок с большим диаметром ротора будет понижаться. Без учета потерь выходная мощность определяется произведением угловой скорости ротора и его вращающего момента: Р=М*ω, где Р - выходная мощность, М - вращающий момент и ω - угловая скорость.
Оценить увеличение вращающего момента, который должен передаваться ротором через приводную передачу на генератор (в частности на электрогенератор) в случае, когда мощность повышается за счет увеличения диаметра ротора, можно из следующих соотношений:
3
3
2
Р=Cp*ρ*v*А=Cp*ρ*v*D*π/4,
где Ср - константа, ρ - плотность жидкости или воздуха, v - скорость ветра, А - площадь ометаемой поверхности и D - диаметр ротора, и
ω=v*6/(D*π)*2*π=12*v/D,
где 6 - отношение для конца лопасти.
т
Подставляя выражения для Р и ω в формулу Р=М*ω, получаем:
х
2
2
3
М=Ср*ρ*v3*D*π*D/(4*12*v)=Cp*ρ*v*D*π/48, т.е.
т
3
М=k*D,
где k является константой для данной скорости ветра и плотности воздуха.
Таким образом, подобно весу ротора, вращающий момент, передаваемый ротором генератору через приводную передачу, увеличивается пропорционально третьей степени диаметра ротора, тогда как выходная мощность возрастает пропорционально только квадрату диаметра ротора. Это означает также, что передача (или коробка передач) в случае крупных ветроустановок испытывает непропорционально высокие нагрузки, так что использование прямого привода может рассматриваться как преимущество. Возникающая при этом проблема состоит в том, что, как отмечено выше, в случае ротора большого диаметра его угловая скорость мала, так что имеет место непропорционально большая материалоемкость генераторной части в случае ветроустановок с прямым приводом генератора при большом диаметре ротора. Кроме того, для ветроустановок, использующих прямой привод (прямоприводных ветроустановок), на современном уровне технологии трудно контролировать зазор между статором и ротором электрической части, причем этот зазор, с учетом смещений главного вала, обычно не должен превышать ±2 мм.
Описанные выше обстоятельства объясняют проблему, связанную с увеличением диаметра ротора ветроустановки с целью увеличения выходной мощности. Масса и, следовательно, в значительной степени затраты в расчете на 1 кВтч, вырабатываемый ветроустановкой мегаваттного класса, растут примерно пропорционально диаметру ротора, и это является доводом против строительства более крупных ветроустановок на современном уровне технологии. В дополнение, допуски на воздушный зазор между статором и ротором электрической части также представляют проблему для прямоприводных генераторов. Еще одна проблема связана с усталостными явлениями в лопастях и в конструкции башни вследствие переменной скорости ветра, особенно для плавучих установок. Перечисленные условия накладывают самые серьезные ограничения на строительство оффшорных ветроустановок с выходной мощностью, превышающей 3-5 МВт.
Среди публикаций, представляющих уровень техники в рассматриваемой области, можно упомянуть патент США №6285090, в котором описана прямоприводная ветротубина (без использования передачи), имеющая ступицу относительно большого диаметра, которая будет иметь значительную массу, чтобы выдерживать нагрузки, создаваемые лопастями ротора. Шарикоподшипник между неподвижной осью и вращающейся частью также является большим, причем он будет подвергаться значительному износу и требует смазки и обслуживания. В патенте США №6911741 рассматривается проблема, связанная с малыми допусками на зазор между статором и ротором электрической части.
В международной заявке WO 02/099950 А1 описана турбина с прямоприводным генератором, в котором статор и ротор построены по одинаковому принципу велосипедного колеса со спицами. Спицы одним своим концом закреплены на наружном кольце (ободе), а другим концом эксцентрично закреплены на ступице. Благодаря такой конструкции колесо выдерживает радиальные и, до некоторой степени, осевые нагрузки.
В DE 3638129 А1 рассмотрена ветроустановка, содержащая кольцевой генератор, роторное кольцо которого прикреплено к концу ветрового ротора турбины. Опорой для этого ротора турбины и роторного кольца генератора является магнитный подшипник.
В DE 1971869 А1 рассмотрена ветротубина с полой ступицей, разделенной на две L-образные части, одна из которых установлена на башне, тогда как лопасти турбины установлены на другой L-образной части, которая поддерживается первой L-образной частью через подшипник.
В данном описании "ротор турбины" используется в качестве термина, описывающего вращающуюся часть ветро- или гидроэнергетической установки, преобразующей энергию ветра или воды в механическую энергию, которая затем преобразуется генератором в электрическую энергию. Ротор генератора, в котором установлены магниты, именуется также электрическим ротором. Термин "ротор турбины" используется также применительно к ротору пропульсивной установки.
Под "активными частями" генератора понимаются части, участвующие в преобразовании энергии ветроустановкой.
Под "принципами неиспользования железа" в контексте изобретения понимаются принципы построения генераторов без применения ферромагнитных материалов, проводящих магнитные поля.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая разработкой настоящего изобретения, состоит в создании экономически эффективных интегрированных ротора и генератора для ветроустановок класса 5-15 МВт при значительном увеличении диаметра ротора и, соответственно, вырабатываемой энергии без увеличения массы лопастей и ступицы и без значительного повышения нагрузок на конструкцию, создаваемых моментом вращения в расчете на 1 кВтч вырабатываемой энергии.
Еще одна задача состоит в том, чтобы части, используемые для осуществления изобретения, были пригодны для использования также при выработке энергии гидроэлектрическими, приливными и/или пропульсивными системами судов (в которых ротор используется в качестве гребного винта или пропеллера).
Данные задачи решены группой изобретений, раскрытых в независимых пунктах прилагаемой формулы. Альтернативные варианты раскрыты в зависимых пунктах, относящихся к соответствующим независимым пунктам.
Данная группа изобретений обеспечивает следующие преимущества:
1) существенное увеличение ометаемой площади (и, следовательно, вырабатываемой энергии) без увеличения длины и массы лопастей ротора;
2) резкое увеличение диаметра ступицы при уменьшении ее массы;
3) небольшие усилия кручения (вокруг оси вращения) в ступице и валу благодаря большому диаметру ступицы;
4) прямой привод, означающий отсутствие механической передачи и одновременно повышение окружной скорости электрического ротора (магнитов) относительно статора, т.е. снижение массы активного материала генератора;
5) увеличенный допуск на воздушный зазор между статором и электрическим ротором, так что этот зазор больше не является критическим параметром;
6) прямое воздушное охлаждение без необходимости насосной системы, обеспечивающей циркуляцию хладагента;
7) отсутствие контакта между подвижными частями в главном подшипнике или генераторе в процессе работы, т.е. существенное снижение износа и потребности в обслуживании;
8) сокращение более чем на 50% общей массы ротора и генератора по сравнению с простым увеличением размеров известной ветротурбины для повышения ее мощности с 5 МВт до 10 МВт.
Согласно первому аспекту изобретения предлагается ротор турбины для ветро- или гидроэнергетической установки, использующей прямоприводной генератор для преобразования энергии ветра или потока воды в электрическую энергию. При этом данная установка содержит ротор турбины и статор, а ротор турбины содержит кольцевую ступицу, ось вращения которой совпадает с центральной осью статора. При этом ротор турбины содержит, по меньшей мере, одну лопасть ротора, закрепленную на кольцевой ступице.
Кольцевая ступица предпочтительно содержит ротор генератора (именуемый далее также электрическим ротором).
Ротор генератора желательно установить непосредственно на кольцевую ступицу.
Кольцевая ступица предпочтительно сконфигурирована в виде тора, имеющего в продольном сечении закрытый полый профиль или приблизительно круглую форму. Однако она может быть сконфигурирована в виде тора с продольным сечением в форме многоугольника.
Сечение кольцевой ступицы плоскостью, перпендикулярной оси вращения ротора ветротурбины, предпочтительно имеет форму кольца с наружной и внутренней сторонами в форме окружностей. Данное сечение альтернативно может иметь форму кольца с наружной и внутренней сторонами в форме многоугольников. Расстояние от оси вращения ротора турбины до наружной поверхности кольцевой ступицы, являющейся поверхностью вращения вокруг оси ротора турбины, составляет, по меньшей мере, 1/12 от радиуса ротора турбины, измеряемого от оси вращения ротора до конца лопасти.
В одном из вариантов кольцевая ступица поддерживается статором посредством магнитного подшипника. Этот магнитный подшипник может быть пассивным магнитным подшипником или электромагнитным подшипником, но также и обычным (механическим) подшипником.
В предпочтительном варианте кольцевая ступица посредством магнитного подшипника поддерживается статором в осевом направлении, чтобы обеспечить восприятие как изгибающих моментов (обусловленных различной скоростью ветра у каждой из лопастей ротора), так и осевых усилий. В радиальном направлении кольцевая ступица поддерживается посредством механического подшипника, воспринимающего радиальные нагрузки.
Чтобы выдерживать радиальные нагрузки, ротор ветротурбины может содержать, по меньшей мере, два стержня, работающих на растяжение или на сжатие и прикрепленных своими первыми концами к подшипнику, установленному на центральной оси статора, а своими вторыми концами - к кольцевой ступице. Указанные стержни могут лежать в одной плоскости.
Согласно предпочтительному варианту кратчайшее расстояние от оси вращения кольцевой ступицы до центра воспринимающей нагрузку зоны на поверхности магнитного подшипника меньше расстояния от оси вращения кольцевой ступицы до нейтральной оси продольного сечения кольцевой ступицы. Такое позиционирование магнитных подшипников означает, что смещения частей магнитного подшипника, находящихся на роторе, будут препятствовать одно другому вследствие эффектов изгиба и кручения в кольцевой ступице, обусловленных ветровой нагрузкой на ротор. Локальный изгиб кольцевой ступицы вокруг каждой лопасти локально смещает подшипник по направлению ветра, тогда как скручивание в сечении ступицы заставляет подшипник смещаться в направлении, противоположном направлению ветра. При идеальном положении подшипника (под углом α - см. фиг.8) осевые смещения магнитного подшипника, который связан с кольцевой ступицей, могут взаимно нейтрализоваться полностью или частично. При этом желательно, чтобы торцевые поверхности частей магнитного подшипника, по возможности, лежали точно в одной плоскости. Тем самым гарантируется, что между ними не будет возникать локального контакта вследствие отклонений размеров или положений ступицы от заданных размеров или положений.
В одном из вариантов жесткость кольцевой ступицы на изгиб с выходом из плоскости, перпендикулярной оси ее вращения, превышает жесткость статора на изгиб с выходом из указанной плоскости. В предпочтительном варианте жесткость кольцевой ступицы на изгиб с выходом из плоскости, перпендикулярной оси ее вращения, превышает, по меньшей мере, вдвое жесткость статора на изгиб с выходом из указанной плоскости.
В соответствии со вторым аспектом изобретения предлагается ветро- или гидроэнергетическая установка для преобразования энергии ветра или потока воды в электрическую энергию. Установка по изобретению содержит ротор турбины, выполненный согласно п.п.1-20 формулы изобретения. Данная гидроэнергетическая установка может использовать также приливную энергию или энергию реки.
В соответствии с третьим аспектом изобретения предлагается ротор турбины пропульсивной установки с прямым приводом от двигателя, предназначенной для преобразования электрической энергии в кинетическую. Установка по изобретению содержит ротор турбины и статор, причем ротор турбины содержит кольцевую ступицу, имеющую ось вращения, которая совпадает с центральной осью статора. При этом ротор турбины содержит, по меньшей мере, одну лопасть ротора, закрепленную на кольцевой ступице, имеющей закрытый полый профиль.
В соответствии с четвертым аспектом изобретения предлагается транспортное средство, содержащее пропульсивную установку, которая содержит ротор турбины согласно п.п.22-41 формулы изобретения.
В соответствии с пятым аспектом изобретения предлагается ветро- или гидроэнергетическая установка, содержащая прямоприводной генератор и предназначенная для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Установка по изобретению содержит статор и ротор турбины, который содержит электрический генератор (электрогенератор), причем электрогенератор или статор, или и электрический генератор, и статор снабжен (снабжены) элементами, вырабатывающими энергию. Ротор турбины поддерживается статором посредством магнитного подшипника, при этом электрические обмотки указанных элементов выполнены с сердечниками, не содержащими железа.
Ротор турбины предпочтительно содержит кольцевую ступицу, которая поддерживается статором посредством магнитного подшипника.
Электрический ротор генератора предпочтительно установлен непосредственно на кольцевой ступице.
Кольцевая ступица предпочтительно сконфигурирована как тор с круглым сечением, но она может быть также сконфигурирована как тор с сечением в форме многоугольника.
Сечение кольцевой ступицы плоскостью, перпендикулярной оси вращения ветротурбины, предпочтительно имеет форму кольца с наружной и внутренней сторонами в форме окружностей. Однако это сечение может иметь также форму кольца, но с наружной и внутренней сторонами в форме многоугольников.
Желательно, чтобы расстояние от оси вращения ротора турбины до наружной поверхности кольцевой ступицы составляло, по меньшей мере, 1/12 от радиуса ротора турбины, измеряемого от оси вращения ротора до конца лопасти.
В одном из вариантов кольцевая ступица поддерживается статором посредством магнитного подшипника. Этот магнитный подшипник может быть пассивным магнитным подшипником, электромагнитным подшипником, но также и обычным (механическим) подшипником.
В предпочтительном варианте кольцевая ступица поддерживается статором в осевом направлении посредством магнитного подшипника, чтобы обеспечить восприятие как изгибающих моментов, так и осевых усилий. В радиальном направлении кольцевая ступица поддерживается посредством механического подшипника, воспринимающего радиальные нагрузки.
Чтобы воспринимать радиальные нагрузки, ротор ветротурбины может содержать, по меньшей мере, два стержня, работающих на растяжение или на сжатие и прикрепленных своими первыми концами к подшипнику, установленному на центральной оси статора, а своими вторыми концами - к кольцевой ступице. Указанные стержни могут лежать в одной плоскости, так что радиальные нагрузки или изгибающие моменты не передаются на радиальный подшипник и его вал.
Согласно предпочтительному варианту кратчайшее расстояние от оси вращения кольцевой ступицы до центра воспринимающей нагрузку зоны на поверхности магнитного подшипника меньше расстояния от оси вращения кольцевой ступицы до нейтральной оси кручения продольного сечения кольцевой ступицы. Такое позиционирование магнитных подшипников означает, что смещения частей магнитного подшипника будут препятствовать одно другому вследствие эффектов изгиба и кручения в кольцевой ступице, обусловленных ветровой нагрузкой на ротор. Локальный изгиб кольцевой ступицы вокруг каждой лопасти локально смещает подшипник по направлению ветра, тогда как скручивание в сечении ступицы заставляет подшипник смещаться в направлении, противоположном направлению ветра. При идеальном положении подшипника (под углом α - см. фиг.8) осевые смещения магнитного подшипника, который связан с кольцевой ступицей, могут взаимно нейтрализоваться полностью или частично. При этом желательно, чтобы торцевые поверхности частей магнитного подшипника, по возможности, лежали точно в одной плоскости. Тем самым гарантируется, что между ними не будет возникать локального контакта вследствие отклонений размеров или положений ступицы от заданных размеров или положений.
В одном из вариантов жесткость кольцевой ступицы на изгиб с выходом из плоскости, перпендикулярной оси ее вращения, превышает жесткость статора на изгиб с выходом из указанной плоскости. В предпочтительном варианте жесткость кольцевой ступицы на изгиб с выходом из плоскости, перпендикулярной оси ее вращения, превышает, по меньшей мере, вдвое жесткость статора на изгиб с выходом из указанной плоскости. Это означает, что магнитный подшипник обладает локальной гибкостью, а статор может испытывать локальные смещения, если магниты в зоне магнитного подшипника сближаются друг с другом.
Согласно шестому аспекту изобретения предлагается способ сборки электрического ротора и статора со статорными обмотками в прямоприводном электрогенераторе ветро- или гидроэнергетической установки, которая содержит также ротор турбины. При этом ротор турбины содержит кольцевую ступицу и поддерживается статором посредством магнитного подшипника, установленного на статоре, а электрогенератор выполнен с возможностью установки на кольцевой ступице ротора турбины. Согласно изобретению в процессе сборки выполняются следующие операции:
- в контролируемых производственных условиях изготавливают секции электрического ротора и статора со статорными обмотками;
- в контролируемых производственных условиях производят сборку соответствующих секций электрического ротора и статора со статорными обмотками;
- собранные секции электрического ротора и статора со статорными обмотками устанавливают на ветроустановку в виде единого узла.
При этом по завершении сборки в производственных условиях соответствующих секций электрического ротора и статора со статорными обмотками перед их установкой в виде единого узла их транспортируют к месту расположения ветроустановки.
Собранные секции устанавливают на кольцевую ступицу ротора ветротурбины и на статорное кольцо статора. В процессе такой установки секции поочередно устанавливают на статорное кольцо, а затем на кольцевую ступицу или осуществляют сборку в обратном порядке.
После установки каждой индивидуальной секции предпочтительно осуществляют настройку ее положения в плоскости, так что поверхности окончательно собранного узла лежат точно или почти точно в одной плоскости. Тем самым обеспечивается возможность компенсации погрешностей изготовления кольцевой ступицы и статорного кольца, поверхности которых могут не находиться в одной плоскости и тем самым создавать проблемы для функционирования магнитного подшипника и электрогенератора.
т
т
Когда изобретение используется применительно к ветроустановке, она снабжается большой кольцевой ступицей. Диаметр кольцевой ступицы составляет порядка 10-20% диаметра ротора. Диаметр кольца, соответствующего поперечному сечению ступицы, соответствует диаметру лопастей ротора в зоне их крепления к ступице. При этом к ступице прикреплены одна или более таких лопастей. Поскольку лопасти ротора заканчиваются на большом расстоянии от оси вращения ротора турбины, изгибающие моменты, действующие на лопасти у зоны их прикрепления, существенно меньше, чем для ветроустановок, использующих традиционные ступицы с соответствующей областью ротора. Ступица, выполненная кольцевой, рассчитана на одновременное восприятие больших крутящих и изгибающих моментов. Это означает, что собственный вес лопастей передается на кольцевую ступицу в форме изгибающих моментов, тогда как изгибающий момент, возникающий у оснований лопастей под действием ветровых нагрузок, передается на кольцевую ступицу в форме крутящего момента. Вращающий момент М ротора, который обеспечивает выработку энергии, непосредственно воспринимается статором, без передачи через центральный вал. Таким образом, в контексте изобретения этот вал идентичен статору генератора, который состоит из короткого кольца с большим наружным диаметром, согласованным с наружным диаметром кольцевой ступицы. Данное кольцо непосредственно связано с корпусом двигателя (при использовании на судне) или с опорной (башенной) конструкцией ветроустановки. Это означает, что традиционно большие напряжения кручения М вала, вызываемые вращающим моментом ротора, существенно уменьшаются и реально не представляют проблемы.
Главный подшипник ветроустановки, который совпадает с подшипником электрогенератора, предпочтительно представляет собой стабильный магнитный подшипник, расположенный у наружной боковой поверхности ступицы.
Данный подшипник может являться упорным магнитным подшипником, установленным у наружной поверхности ступицы и скомбинированным с обычным радиальным подшипником. В таком случае магнитный подшипник будет установлен между кольцевой ступицей и статорным кольцом, воспринимая осевые нагрузки, тогда как радиальные нагрузки будут восприниматься системой стоек, установленных между кольцевой ступицей и механическим подшипником, расположенным на оси вращения и примыкающим к неподвижной части ветроустановки. Возможно также применение только магнитного подшипника, способного воспринимать как осевые, так и радиальные нагрузки благодаря использованию конфигурации Хальбаха (Halbach). В соответствии с теоремой Ирншоу невозможно построить стабильный в магнитном отношении подшипник, используя только постоянные магниты (если не применять сверхпроводимость при крайне низких температурах). Более подробно этот вопрос рассмотрен в патентах США №№6111332 и 5495221. Чтобы "обойти" теорему Ирншоу в отношении магнитной нестабильности, можно применить пассивный магнитный подшипник типа описанного в указанных патентах, т.е. использующий для поддерживания ступицы так называемую конфигурацию Хальбаха. Альтернативно, с целью обеспечения магнитной стабильности и демпфирования можно использовать активный электромагнитный подшипник с активным сервоуправлением. Для поддерживания ступицы может быть использовано и гибридное решение с применением как постоянных магнитов, так и активного электромагнитного подшипника с активным сервоуправлением.
Альтернативно, ступица может быть снабжена стабильным пассивным магнитным подшипником с постоянными магнитами в конфигурации Хальбаха или в эквивалентной конфигурации, функционирующим в качестве подшипника для ступицы и одновременно содержащим активные части прямоприводного генератора, т.е. магниты и проводники.
В обоих рассмотренных случаях электрические обмотки статора предпочтительно не содержат железных элементов (ферромагнитных сердечников), чтобы избежать в генераторе значительных сил магнитного притяжения. Статор генератора содержит как электрические обмотки для выработки электрической энергии, так и (в некоторых вариантах, при использовании только магнитных опор с применением конфигурации Хальбаха) электрические обмотки, являющиеся элементами магнитных подшипников.
Возможно также использование обмоток, одновременно выполняющих функцию выработки энергии и представляющих собой полностью или частично электрические обмотки, необходимые для формирования подшипника, обладающего магнитной стабильностью.
Как уже упоминалось, электрические обмотки статора предпочтительно не содержат железа. Однако они могут содержать железные элементы в тех зонах статора, в которых желательно обеспечить дополнительные силы магнитного притяжения. В описанных альтернативных вариантах стабильный пассивный подшипник состоит из мощных постоянных магнитов, установленных в специальном порядке (в конфигурации Хальбаха или в аналогичной конфигурации) на ступице или непосредственно на электрическом роторе, и из электрических проводников, размещенных на статоре. Когда магниты приводятся в движение, возникает ток, который отталкивает магниты в составе электрического ротора. Магниты размещены в электрическом роторе в 2 или 3 ряда таким образом, что система является стабильной в отношении внешних нагрузок как осевых, так и радиальных. При этом обеспечивается также механическая опора, которая поддерживает ротор до тех пор, пока он не достигнет достаточной скорости для того, чтобы магнитный подшипник стал активным. Такое выполнение необходимо также при применении электромагнитного подшипника в случаях перерывов в энергоснабжении или дефектов в системе сервоуправления. С целью усиления демпфирующих свойств описанного магнитного подшипника при закреплении магнитов на несущей конструкции может использоваться резина или другой материал с хорошими демпфирующими свойствами.
Чем ближе магниты расположены к электрическим проводникам, тем больше будут силы отталкивания. Располагая магниты в электрическом роторе согласно конфигурации Хальбаха, можно преодолеть ограничения, накладываемые теоремой Ирншоу на магнитную стабильность, и получить подшипник, обладающий магнитной стабильностью в осевом и радиальных направлениях. По сравнению с известными ветроустановками, применяющими железные сердечники в статорных обмотках, воздушный зазор в генераторе, применяющем принцип конфигурации Хальбаха и не использующем железо, может быть увеличен примерно от 2 мм до 20 мм. Таким образом, согласно изобретению становится возможным, применительно к конструктивным частям генератора в ветроустановке, одновременно снизить допуски на изготовление и на допустимый изгиб, представляющие серьезную проблему для уровня техники, особенно в случае генераторов ветроустановок больших диаметров.
В настоящее время коммерчески доступны сильные постоянные магниты, например на основе неодима, для которых магнитная сила может достигать 50 т на квадратный метр активной поверхности. Такие магниты способны обеспечить магнитные силы, требуемые для поддержания размерных параметров рассмотренных подшипников для ротора ветроустановки. При этом большой диаметр ступицы в контексте изобретения является достоинством, поскольку плечи сил, создающих соответствующие моменты, оказываются достаточно большими, чтобы противостоять различным нагрузкам на ротор, таким, например, как различное распределение ветровой нагрузки на различных лопастях.
Ступица с электрическим ротором, магнитным подшипником и статором может быть также снабжена охлаждающими ребрами для прямого охлаждения потоком воздуха, проходящим сквозь центральную часть ступицы в направлении, совпадающем с направлением ветра. Статорные обмотки без железных сердечников предпочтительно заглублены в статор, выполненный из композитного материала. Статор предпочтительно является перфорированным, чтобы вода, масло, воздух или иной подходящий хладагент могли циркулировать вокруг статорных обмоток. Естественная циркуляция воздуха через отверстия, предусмотренные для охлаждения, также может оказаться достаточной для охлаждения статора и/или магнитов (в случае их установки на электрическом роторе).
Генератор с магнитным подшипником может быть также построен по схеме, обратной по отношению к описанной выше. В этом случае магниты будут находиться в статоре, а электрические обмотки в роторе. В этом случае электроэнергия должна подаваться к остальной части ветроустановки через систему электрических колец и щеток.
Коаксиально со ступицей установлен (неизображенный) подшипник токосъемного кольца, через которое необходимая электроэнергия подается на ротор для питания двигателей, обеспечивающих наклон в продольной плоскости, а также габаритных огней и т.д. Кроме того, обеспечивается электрический контакт между ротором и гондолой/башней для отвода тока разряда в случае удара молнии. Подобный контакт может являться токосъемным кольцом или открытым контактом, коаксиальным с кольцевой ступицей и снабженным небольшим отверстием, через которое может проходить разряд (не изображен).
Краткое описание чертежей
Далее будет описан не вносящий каких-либо ограничений пример, соответствующий предпочтительному варианту изобретения, который иллюстрируется прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 показана ветроустановка с ротором ветротурбины, состоящим из лопастей ротора и ступицы. Ветроустановка смонтирована на башенной конструкции 7, которая может быть установлена на неподвижном фундаменте или на плавучей оффшорной установке.
На фиг.2 показан ротор ветротурбины с лопастями, установленными в подпятниках.
На фиг.3 части ветроустановки показаны на виде сбоку.
На фиг.4 части ветроустановки показаны в перспективном изображении.
На фиг.5 в перспективном изображении показан ротор, отделенный от статора.
На фиг.6 показан статор, разбитый на зоны согласно одному из альтернативных вариантов.
На фиг.7a-7d представлены четыре варианта продольного сечения (плоскостью, обозначенной стрелками А на фиг.6) комбинации стабильного подшипника и генератора.
На фиг.8 показаны скомбинированные упорный магнитный подшипник и радиальный механический подшипник.
На фиг.9 ветроустановка показана в частичном продольном сечении.
Фиг.10 схематично иллюстрирует разбиение узла генератора на секции для их последовательной сборки.
Фиг.11 иллюстрирует использование ветроустановки в качестве пропульсивной системы для воздушного или надводного судна.
На фиг.12 показана пропульсивная система, в которой ступица охватывает весь корпус судна или его часть.
Осуществление изобретения
На фиг.1-5 показана ветроустановка 1 с выходной мощностью 10-12 МВт, содержащая большую кольцевую ступицу 6, диаметр которой может составлять порядка 20 м. Толщина кольцевой ступицы 6 по диаметру может составлять около 2 м. Каждая из лопастей 3, 4, 5 ротора может иметь длину 60 м и быть установленной в одном из регулируемых подпятников 8, 9, 10 (см. фиг.2), которые выполнены с возможностью поворачивать лопасти вокруг их продольных осей при получении импульса от системы управления ориентацией (не изображена). Указанные подпятники установлены на кольцевой ступице 6 с взаимным угловым смещением на 120°. Кольцевая ступица 6 имеет закрытый полый профиль, образованный круглой полой трубой, причем диаметр ступицы составляет около 15% от диаметра ротора. Площадь поперечного сечения указанной трубы составляет примерно 70% площади поперечного сечения лопастей 3, 4, 5 в месте их крепления в подпятнике. Внутри ступицы помещен электрический ротор 11, установленный в заданное положение относительно статора 12. Статор 12 поддерживается стойками 13, имеющими высокую жесткость на изгиб и передающими усилия на остальную часть несущей конструкции через цилиндрическую трубу 14. Ротор и статор снабжены ребрами 16 охлаждения с естественной вентиляцией (см. фиг.4).
Несущая нагрузку часть кольцевой ступицы 6 представляет собой закрытый полый круглый профиль диаметром около 2 м, который выполнен с возможностью одновременно воспринимать большие крутящие и изгибающие моменты, создаваемые массой лопастей ротора и ветровой нагрузкой на них. Статор 12 опирается на стойки 13, которые имеют высокую жесткость на изгиб и передают нагрузки на остальную часть несущей конструкции через цилиндрическую трубу 14.
Каждый регулируемый подпятник связан с противоположной стороной кольцевой ступицы 6 через стержни 15, работающие на растяжение или сжатие. Все эти стержни связаны друг с другом через центральное скрепляющее кольцо (или скрепляющую пластину) 60 (см. фиг.8), которое (которая) опирается в радиальном направлении на цилиндрическую трубу 14. Стержни 15 расположены в одной плоскости, так что они не передают осевых нагрузок (в отличие от велосипедного колеса, спицы которого связаны с центральной ступицей в двух различных положениях с взаимным осевым смещением, чтобы обеспечить возможность передачи осевых нагрузок). Осевые усилия, создаваемые ротором под действием давления ветра на лопасти 3, 4 и 5, передаются непосредственно на статор 12 через установленный на оси между кольцевой ступицей 6 и статором 12 магнитный подшипник 39. Этот магнитный подшипник состоит из противоположно ориентированных постоянных магнитов, так что между их поверхностями возникают силы отталкивания. Подшипник предпочтительно выполнен способным воспринимать усилия, направленные в обоих осевых направлениях. Для получения данного свойства в подшипнике могут быть использованы четыре ряда магнитов. Альтернативно, в подшипнике могут быть применены электромагниты.
т
Вращающий момент М ротора турбины, обеспечивающий выработку энергии, воспринимается непосредственно статором 12 без его передачи через центральный вал. Таким образом, неподвижный вал представляет собой статор 12 генератора. Он состоит из короткого кольца, наружный диаметр которого согласован с наружным диаметром ступицы 6 и которое непосредственно связано с корпусом 25 двигателя (см. фиг.9) или с опорной конструкцией 7 ветроустановки через стойки 13. Демпфирование ротора 2 и ступицы 6 в плоскости ротора (под которой понимается плоскость, проходящая через наружные концы трех лопастей) осуществляется путем активной модуляции выходной мощности генератора посредством системы управления трансформатором мощности (на базе выпрямителя-инвертора, не изображена). Возможно использование этой системы вместе с аэродинамическим тормозом, обеспечивающим аэродинамическое демпфирование в плоскости ротора. При реализации изобретения могут использоваться элементы, известные из технологии генераторов, т.е. знакомые специалистам в данной отрасли, так что в их подробном описании нет необходимости. Такие элементы могут быть установлены с наклоном относительно статорных обмоток или магнитов. Альтернативно, расстояния между магнитами или статорными обмотками могут быть (если это признано целесообразным) выбраны нерегулярным образом, чтобы избежать их нежелательного взаимодействия.
Главный подшипник 39 является стабильным магнитным подшипником, состоящим из постоянных магнитов 61 (как это показано на фиг.8), которые расположены встречно по отношению друг к другу, чтобы создать силы взаимного отталкивания.
Хотя электрические обмотки статора предпочтительно выполнены без использования железа, в некоторых альтернативных вариантах они могут иметь железные сердечники в зонах 21, 22 (см. фиг.6). Если используется чисто магнитный подшипник (с конфигурацией Хальбаха) как в радиальном, так и в осевом направлениях, между электрическим ротором 11 и статором 12 может быть установлен также механический подшипник (не изображен), который служит опорой для ротора в осевом и радиальном направлениях до тех пор, пока ротор не достигнет скорости, достаточной для того, чтобы пассивный магнитный подшипник стал активным.
Постоянные магниты 23 и 61 закреплены на резиновом основании, чтобы обеспечить радиальное и осевое демпфирование в подшипнике, стабильном в магнитном отношении.
Фиг.8 иллюстрирует предпочтительный вариант, в сечении (плоскостью, отмеченной стрелками на фиг.6), комбинации подшипника, стабильного в магнитном отношении, и генератора, состоящей из электрогенератора 62, образованного кольцом статора 12 с электрическими обмотками 24 (в которых генерируется ток) без железных сердечников, и постоянными магнитами 23, установленными на роторе. Электрический ротор 11 с постоянными магнитами 23 закреплен непосредственно на кольцевой ступице 6, образуя ее часть.
На фиг.7а, 7b, 7с и 7d представлены альтернативные варианты (в сечении той же плоскостью - см. фиг.6) комбинации подшипника, стабильного в магнитном отношении, и генератора.
На фиг.8 и 9, на виде сбоку, показана ветроустановка с кольцевой ступицей 6, на которой установлен электрогенератор, электрический ротор 11 которого непосредственно закреплен на кольцевой ступице 6. В электрическом роторе выполнено кольцевое углубление, в которое введен статор 12. Это углубление может иметь U-образную форму и быть открыто вверх (фиг.8) или вниз (фиг.9). Чтобы увеличить площадь, доступную для магнитного поля, генератор и магнитный подшипник могут быть выполнены в форме нескольких смежных, взаимно смещенных в осевом направлении дисков, имеющих множество полостей, ориентированных в осевом направлении, и ассоциированных с дисками статорных колец. Электрический ротор 11 и статор 12 снабжены магнитами, которые совместно образуют магнитный подшипник, воспринимающий осевые нагрузки и изгибающие моменты, вызываемые ветровыми нагрузками. Электрический ротор 11 и статор 12 содержат также элементы, создающие ток, т.е. магниты и статорные обмотки. Возможно также исполнение с обмотками на электрическом роторе и с магнитами на статоре. Кольцевое углубление в электрическом роторе 11 и статор 12 могут иметь различные формы, например показанные на фиг.7a-7d и фиг.8.
Для восприятия радиальных усилий, особенно веса ротора турбины, имеются стержни 15, работающие на растяжение или сжатие. Они прикреплены одним концом к кольцевой ступице 6, а другим - к центральному скрепляющему кольцу (или к скрепляющей пластине) 60, которое (которая) опирается в радиальном направлении на цилиндрическую трубу 14.
На кольцевой ступице ротора турбины в регулируемых подпятниках установлены также лопасти 3, 4, 5.
На фиг.10 очень схематично показано, что электрический ротор 11 и статор 12 могут собираться в единый узел из предварительно собранных секций, которые сначала устанавливаются на кольцевую ступицу 6, а затем на стойки 13 статора или сначала на стойки 13 статора, а затем на кольцевую ступицу 6. На фиг.10 электрический ротор 11 и статор 12 представлены собранными в единый узел, тогда как в процессе изготовления электрический ротор 11 и статор 12 разделены на секции. Более конкретно, в представленном варианте электрический ротор 11 и статор 12 разделены (линиями 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78) на 8 секций. С учетом значительных магнитных сил, возникающих между магнитами подшипника в секциях 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 статора и соответствующими магнитами подшипника в секциях 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88 ротора, разбиение на секции является хорошим решением, облегчающим использование данных сил. После того как секции будут собраны и скреплены вместе посредством временных креплений для их транспортирования, они по отдельности доставляются к месту, где будет размещаться ветроустановка, и собираются на ступице 6 в единый узел.
Секционирование электрического ротора 11 и статора 12 позволяет также легче обеспечить планарность узла, состоящего из электрического ротора и статора в процессе его сборки на кольцевой ступице 6 и стойках 13 статора. По мере установки секций, например, сначала на кольцевую ступицу 6 положение новой секции будет отрегулировано с помощью прокладок или клиньев таким образом, чтобы она не выступала за плоскость, образованную ранее установленными секциями. Когда кольцевая ступица 6 и указанные секции будут собраны при сохранении идеальной или почти идеальной планарности, кольцевая ступица и секции, которые теперь образуют единый узел, устанавливаются на стойки 13 статора. При установке на указанные стойки 13 также должна обеспечиваться, за счет устранения смещений с помощью прокладок, идеальная или почти идеальная планарность. Таким образом, допуски на изготовление ступицы и стоек статора, имеющих большие размеры, не являются критическими. В результате в процессе функционирования ротор турбины будет вращаться относительно статора при существенно уменьшенной опасности возникновения физического контакта между статором и электрическим ротором.
Изобретение может быть использовано также в качестве пропульсивной системы воздушных и надводных судов любых типов. Ротор 2 турбины с кольцевой ступицей 6, регулируемыми подпятниками 8, 9, 10 и магнитным подшипником 39 в данном варианте изобретения будет функционировать, как пропеллер. В этом случае в размеры, прочность, градиент крутящего момента и другие параметры, с учетом известных решений такого назначения, следует внести соответствующие изменения. При этом генератор будет функционировать, как электродвигатель. Два примера установки пропульсивной системы на судне 37 для его перемещения посредством данной системы представлены на фиг.11 и 12. Применительно к судну 37, согласно одному из вариантов изобретения, может быть предусмотрена связь установки с другими частями корпуса объекта, который нужно перемещать. В другом (не изображенном) варианте пропульсивная система 40 устанавливается под рулем. Еще в одном варианте пропульсивная система 40 устанавливается с возможностью разворота относительно судна вокруг вертикальной оси для функционирования в качестве пропеллера, перестраиваемого по азимуту. Возможны и многие другие варианты установки пропеллера, известные из уровня техники. Количество лопастей у пропеллера может быть больше или меньше, чем в описанном предпочтительном варианте. При этом у судна 37 может иметься несколько пропеллеров.