ПОВОРОТНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, РОТОРНАЯ ЛОПАСТЬ И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
ROTARY JOINT OF WIND-DRIVEN POWER PLANT, ROTOR BLADE AND WIND-DRIVEN POWER PLANT

Настоящее изобретение относится к поворотному соединению ветроэнергетической установки, в частности, к лопастному подшипниковому или азимутальному поворотному соединению. Кроме того, изобретение относится к роторной лопасти ветроэнергетической установки и ветроэнергетической установке.
Ветроэнергетические установки общеизвестны. Они содержат на различных функциональных позициях поворотные соединения, чтобы иметь возможность поворачивать, например, в азимутальном подшипнике гондолу по отношению к мачте ветроэнергетической установки, или чтобы иметь возможность устанавливать азимутальный угол роторной лопасти по ветру относительно ступицы ротора с помощью привода наклона. Для этого соответствующие компоненты ветроэнергетической установки с помощью поворотных соединений установлены в опорах с возможностью взаимного поворота. Согласно уровню техники, ввиду высоких нагрузок, обычно прибегают к подшипникам качения, которые в качестве однорядного или многорядного узла подшипника или комбинации осевых и радиальных подшипников, состоят, соответственно, из конических или моментных подшипников. Несмотря на в целом удовлетворительные механические характеристики этих типов подшипников, подшипники качения требуют определенного габарита и имеют в большинстве своем сравнительно высокие веса, так что в отношении известных ветроэнергетических установок, их поворотных соединений и имеющих поворотные соединения компонентов, таких как гондолы или роторные лопасти ветроэнергетических установок, существует потребность в усовершенствовании с точки зрения размера и веса.
Поворотное соединение понимается в соответствии с изобретением как любая опора с возможностью вращения двух частей относительно друг друга, включающая в себя, но не исключительно состоящая из опорного подшипника, неподвижного плавающего подшипника, моментного подшипника и т.д. Исходя из этих предпосылок, в основе изобретения лежит задача по возможности усовершенствовать поворотное соединение ветроэнергетических установок вышеописанного типа в отношении выявленных проблем. В частности, в основе изобретения лежит задача усовершенствовать вышеописанное поворотное соединение ветроэнергетической установки с точки зрения его веса и конструктивного пространства, при этом как можно меньше оказывая влияние на нагрузочную способность.
Изобретение решает лежащую в его основе задачу тем, что в нем предложено поворотное соединение ветроэнергетической установки согласно пункту 1 формулы изобретения. Поворотное соединение ветроэнергетической установки, которое, в частности, представляет собой лопастное подшипниковое или азимутальное поворотное соединение, выполнено как узел подшипник скольжения, с внутренним кольцом с некоторым числом первых поверхностей скольжения, внешним кольцом с некоторым числом вторых поверхностей скольжения, которые соответственно соотнесены с одной из первых поверхностей скольжения в качестве компонентов скольжения, причем подшипник скольжения выполнен как подшипник скольжения сухого хода. Изобретение следует подходу, что узел подшипника скольжения допускает гораздо меньшее конструктивное пространство и гораздо более экономичную по весу конструкцию, чем обычная Wels-опора. Неожиданным образом было обнаружено, что узлы подшипники скольжения сухого хода хорошо пригодны для поворотных соединений ветроэнергетических установок, в частности, как лопастное подшипниковое или азимутальное поворотное соединение.
а
Предпочтительным образом изобретение дополнительно усовершенствовано тем, что в одном из колец, предпочтительно внутреннем кольце, одна или несколько из всех поверхностей скольжения выполнены в виде металлических поверхностей скольжения. Металлическая поверхность для этой цели предпочтительно имеет шероховатость R, менее 1,0 мкм, предпочтительно 0,8 мкм или менее.
В качестве металлического материала предпочтительно применяется латунь, латунный сплав, белый металл, например, свинец, олово, сурьма, висмут, медь, медный сплав, в частности, медно-свинцово-литейный сплав, бронзо-литейный сплав, в частности, свинцовистая бронза, свинцовисто-бронзо-литейный сплав, свинцово-олово-литейный сплав, алюминий, алюминиевый сплав, в частности, алюминий-олово-литейный сплав, алюминий-цинково-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 композит (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, в частности, аморфный термопластичный высокопроизводительный полимер, такой как полиамид-имид (PAI), при необходимости, с графитовой и/или PTFE-добавкой. Кроме того, предпочтительно в соответствующем другом кольце, предпочтительно внешнем кольце, одна, несколько или все из числа поверхностей скольжения выполнены частично или полностью из волокнистого композитного материала. Поверхность скольжения из волокнистого композитного материала или с волокнистым композитным материалом обладает неожиданно хорошей способностью сухого хода и, следовательно, неожиданно хорошей износостойкостью. Кроме того, достигается высокая переносимость ударов и толчков, наряду с низкой чувствительностью к краевым нагрузкам. На основе хороших характеристик сухого хода, можно отказаться от применения смазочных средств, таких как жир или масло. Узел подшипника скольжения, ввиду применения волокнистого композитного материала, обладает высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред и демонстрирует улучшенные показатели демпфирования колебаний по сравнению с чисто металлическими поворотными соединениями. Особенно снижение колебаний становится все более важным аспектом при конструировании ветроэнергетических установок, так как в глобальном масштабе приобретают значение все более жесткие стандарты на шумовые излучения.
Поверхности скольжения, в частности, поверхности скольжения того кольца, поверхности скольжения которого образованы частично или полностью из волокнистого композитного материала, предпочтительно выполнены сегментированными, так что может осуществляться более простое и оперативное техническое обслуживание поворотного соединения в гондоле.
В предпочтительном варианте осуществления соответствующего изобретению поворотного соединения на одной, нескольких или всех поверхностях скольжения нанесено некоторое число слоев скольжения из соответствующего одного из следующих материалов: политетрафторэтилена, вспененного политетрафторэтилена, дисульфида молибдена, графита, графена или комбинации из нескольких из этих материалов. Если неметаллические материалы применяются для поверхностей скольжения, предпочтительно некоторое число слоев скольжения выполняется из напыленного металлического материала.
Если в контексте настоящего изобретения речь идет о «некотором числе», то здесь под этим понимается число 1 и целое кратное. В качестве волокнистого материала для волокнистого композитного материала в предпочтительных формах выполнения применяется материал, выбранный из группы, состоящей из углеродных волокон, стекловолокон, стальных волокон, бамбуковых волокон, или комбинация из нескольких этих материалов.
Предпочтительно, волокнистый композитный материал имеется в переплетенной форме и встроен в материал матрицы, причем материал матрицы, в частности, представляет собой термопластичный или термоотверждаемый материал, в частности, эпоксидную смолу.
Внутреннее кольцо и внешнее кольцо имеют в особенно предпочтительной форме выполнения поворотного соединения, соответственно, радиальную поверхность подшипника и две осевые поверхности подшипника. Радиальные поверхности подшипника внешнего и внутреннего кольца ориентированы друг к другу с образованием радиального подшипника, то время как соответствующая одна осевая поверхность подшипника внутреннего кольца ориентирована к соответствующей осевой поверхности внешнего кольца с образованием осевого подшипника.
В еще одной особенно предпочтительной форме выполнения, кольцо, имеющее основное покрытие из волокнистого композитного материала, предпочтительно внешнее кольцо, выполнено из двух или более частей, причем на первой части образована радиальная поверхность скольжения и первая осевая поверхность скольжения, а на второй части или одной или нескольких дополнительных частях образована вторая осевая или одна или несколько дополнительных поверхностей скольжения. Предпочтительно, тогда вторая часть или одна или несколько дополнительных частей выполнены как состоящий из одной или нескольких частей фланцевый шкив, причем первая и вторая части или одна или несколько дополнительных частей могут связываться друг с другом на соответствующих друг другу торцевых сторонах, предпочтительно реверсивно разъемным образом. В качестве реверсивно разъемных соединений на практике зарекомендовали себя, например, винтовые соединения. Для привинчивания, предпочтительно одна из частей, такая как первая часть, имеет металлические вставки для позиционирования винтовой резьбы, так что волокнистый композитный материал не повреждается острыми краями витков резьбы.
В предпочтительной форме выполнения изобретения, внутреннее кольцо и внешнее кольцо имеют, соответственно, одну или несколько взаимно соответствующих установленных поверхностей подшипника, предпочтительно установленных в противоположных направлениях поверхностей подшипника.
Изобретение было описано выше в отношении первого аспекта, касающегося отдельно поворотного соединения. Изобретение демонстрирует свои преимущества, в частности, также с роторной лопастью ветроэнергетической установки. В соответствии с изобретением предложена роторная лопасть ветроэнергетической установки, которая посредством поворотного соединения может соединяться со ступицей ветроэнергетической установки, причем поворотное соединение выполнено в соответствии с вышеописанной предпочтительной формой выполнения. Что касается технического результата и преимуществ, в этом отношении можно сослаться на приведенные выше сведения.
Особенно предпочтительной является роторная лопасть, в которой внешнее кольцо поворотного соединения имеет одну, несколько или все из числа поверхностей скольжения из волокнистого композитного материала и выполнено из двух частей, при этом на первой части образована радиальная поверхность скольжения и первая поверхность скольжения, а на второй части теле образована вторая осевая поверхность скольжения, причем первая часть выполнена за одно целое на роторной лопасти. Это предпочтительно достигается тем, что первая часть и с ней первая осевая поверхность скольжения и радиальная поверхность скольжения выполняются на роторной лопасти во время ее изготовления. В частности, когда роторная лопасть также состоит из волокнистого композитного материала, соответствующие волокнистые маты для первой части внешнего кольца предпочтительно выполняются совместно и встраиваются совместно с волокнистыми матами роторной лопасти в материал матрицы, так что создается «монолитно» действующая общая структура, на которой образованы поверхности скольжения первой части внешнего кольца.
В предпочтительных формах выполнения изобретения, поворотное соединение является азимутальным подшипником. Предпочтительно, азимутальный подшипник выполнен в сегментированной форме, причем отдельные поверхности скольжения образованы в форме отдельных сегментов. Особенно предпочтительно сегменты выполнены из волокнистого композитного материала с покрытием, такого как армированный стекловолокном пластик. Эти сегменты предпочтительно установлены на металлическом кольце, а ответная деталь выполнена как металлическое кольцо подшипника или как поверхность подшипника на металлическом фланце головки мачты, так что сегменты скользят на кольце подшипника, например, во время отслеживания направления ветра. Альтернативно, предпочтительно, сегменты установлены на металлическом кольце или непосредственно на фланце головки мачты, а металлическое кольцо подшипника установлено на машинной опоре и скользит на сегментах.
Кроме того, изобретение относится к ветроэнергетической установке, как указано выше. Изобретение решает лежащую в его основе задачу в такой ветроэнергетической установке тем, что в нем предложена ветроэнергетическая установка, имеющая мачту, на которой установлена гондола при помощи первого поворотного соединения, причем на гондоле предусмотрена ступица ротора с одной или несколькими роторными лопастями, которые закреплены на ступице ротора для привода генератора, причем роторные лопасти, в частности, при помощи привода наклона, могут регулироваться по своему углу установки и при помощи поворотного соединения установлены на ступице ротора. В частности, предлагается, что поворотное соединение выполнено в соответствии с одной из предпочтительных форм выполнения, описанных выше. Особенно предпочтительно в такой ветроэнергетической установке одна или несколько роторных лопастей выполнены в соответствии с одной из предпочтительных форм выполнения, описанных выше.
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. 2а - схематичный детальный вид ветроэнергетической установки согласно фиг. 1,
Фиг. 2b - другой детальный вид представления согласно фиг. 2а,
Фиг. 3 - другой схематичный детальный вид ветроэнергетической установки согласно фиг. 1, и
Фиг. 4 - альтернативный вариант осуществления по отношению к форме выполнения согласно фиг. 3.
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. Аэродинамический ротор 106 при работе ветроэнергетической установки 100 приводится ветром во вращательное движение и, таким образом, также вращает ротор или якорь генератора, который соединен непосредственно или опосредованно с аэродинамическим ротором 106. Генератор предпочтительно представляет собой медленно вращающийся синхронный генератор. Генератор расположен в гондоле 104 и генерирует электрическую энергию. Углы наклона роторных лопастей 108 могут быть изменены с помощью двигателей наклона на корнях роторных лопастей соответствующих роторных лопастей 108. Для установки роторных лопастей 108 относительно предусмотренной на гондоле 104 ступицы ротора предусмотрено поворотное соединение 1.
Поворотное соединение 1 с его функциональными и структурными деталями подробно показано на фиг. 2а, b.
Поворотное соединение 1 содержит внутреннее кольцо 3 и внешнее кольцо 5. В настоящем примере выполнения внутреннее кольцо 3 неподвижно размещено на гондоле 104, а внешнее кольцо 5 - на роторной лопасти 108. Опционально, внешнее кольцо 5 предоставляется как отдельный компонент и закрепляется на роторной лопасти 108 на соответствующей торцевой стороне, см. разделительную линию 7. В соответствии с другим предпочтительным вариантом, внешнее кольцо 5 выполняется из двух частей. Первая часть 5а внешнего кольца 5 изготавливается за одно целое на роторной лопасти 108, особенно предпочтительно уже во время изготовления роторной лопасти 108.
Вторая часть 5b выполняется в виде фланцевого шкива, опционально сегментированного, и разъемно прикрепляется к первой части 5а внешнего кольца 5. Между частями 5а, b внешнего кольца 5 определяется кольцевой зазор, в котором устанавливается фланцевый выступ 9 внутреннего кольца 3.
На фланцевом выступе 9 внутреннего кольца 3 образованы первая и вторая осевая поверхность скольжения 11а, b, а также расположенная между первыми обеими осевыми поверхностями скольжения 11а, b третья поверхность скольжения 11с, которая является радиальной поверхностью скольжения.
Соответственно противоположно, внешнее кольцо 5 имеет первую и вторую осевую поверхность скольжения 13а, b, а также радиальную поверхность скольжения 13c, которые с соответствующими противолежащими поверхностями скольжения 11а, b, с образуют узел подшипника скольжения. В соответствии с изобретением, подшипник скольжения поворотного соединения 1 представляет собой подшипник сухого хода. Под этим понимается, в частности, что никакое смазочное средство, например, жир или масло, не предусмотрено в зазоре скольжения.
Соответствующий изобретению узел подшипника скольжения сухого хода проявляет свое преимущество особенно при небольших амплитудах качания и низких скоростях вращения. В этом диапазоне движения свойства сухого хода и, следовательно, износостойкость поворотного соединения 1 являются неожиданно хорошими.
а
а
Внешнее кольцо предпочтительно выполнено полностью или частично из волокнистого композитного материала, такого как армированный стекловолокном пластик. В качестве пластика, особенно предпочтительной является термоотверждаемая эпоксидная смола. На поверхности упомянутых поверхностей скольжения 13а, b, с и/или на поверхностях упомянутых поверхностей скольжения 11а, b, с предпочтительно нанесены один или несколько слоев материала, снижающего адгезию, например (вспененный) политетрафторэтилен ((е)PTFE). Внутреннее кольцо 3, предпочтительно по меньшей мере в зоне фланцевого выступа 9, но предпочтительно полностью изготовлено из металлического материала. Шероховатость поверхности предпочтительно составляет менее 1,9 мкм R, особенно предпочтительно менее 0,8 мкм R.
Концепция соответствующего изобретению поворотного соединения была проиллюстрирована на приложенных фиг. 2а, b на основе поворотного соединения для подшипника наклона роторной лопасти 108 на гондоле 104. Но данную концепцию также можно реализовать в соответствии с изобретением в поворотном соединении в форме азимутального подшипника между мачтой 102 и гондолой 104. Также при такой (не показана) мачте, одно из колец подшипника предпочтительно выполнено из металлического материала, в то время как соответствующее другое кольцо подшипника выполнено как кольцо из одной или нескольких частей, состоящее частично или полностью из волокнистого композитного материала. В этой связи делается ссылка на приведенное выше описание фигур и предпочтительных форм выполнения в полном объеме.
Со ссылкой на вышеописанные фиг. 1 и 2а, b изобретение было прежде всего описано со ссылкой на подшипник лопасти. Как упоминалось выше, однако, данное изобретение относится также к другим поворотным соединениям, таким как азимутальные подшипники, показанные на фиг. 3 и 4. На фиг. 3 показан фрагмент гондолы 104 ветроэнергетической установки 100 (фиг. 1). Ветроэнергетическая установка 100 имеет машинную опору 112 гондоле 104. На машинной опоре 112 выполнен приводной двигатель 113 для регулирования угловой ориентации гондолы 104 по отношению к мачте 102. Приводной двигатель имеет приводную шестерню 115, которая находится в зацеплении с зубчатым венцом 15 и поворотным соединением 1'. Зубчатый венец 15 образован на кольце 3' подшипника, которое предпочтительно выполнено как внутреннее кольцо. Первое кольцо 3' подшипника предпочтительно частично или полностью изготовлено из металлического материала или из одного из описанных выше предпочтительных материалов. Первое кольцо 3' подшипника имеет три поверхности скольжения 11' а, b, с.
Поворотное соединение 1' дополнительно содержит второе кольцо 5' подшипника. В отличие от кольца 5 подшипника в соответствии с фиг. 2а, b, второе кольцо 5' подшипника по отношению к его базовой структуре выполнено из металлического материала и имеет две осевые поверхности скольжения 13'а, с и радиальную поверхность скольжения 13b', которые предпочтительно состоят из армированного волокном пластика и опционально имеют один или несколько слоев материала, снижающего адгезию. В качестве альтернативы или дополнительно, также на участки поверхности упомянутых поверхностей скольжения 11'а, b, с нанесены один или несколько слоев материала, снижающего адгезию, в соответствии с описанными выше предпочтительными формами выполнения. Поверхности скольжения 11'а, b, с и 13'а, b, с образуют, соответственно, друг с другом подшипники скольжения.
Фиг. 4 показывает несколько видоизмененное альтернативное выполнение азимутального подшипника в качестве поворотного соединения 1ʺ. Поворотное соединение 1ʺ служит как поворотное соединение 1' согласно фиг. 3 для поворота машинной опоры 112 или гондолы 104 относительно мачты 102 ветроэнергетической установки 100 (фиг. 1). В отличие от формы выполнения согласно фиг. 3, в первое кольцо 3ʺ подшипника, которое предпочтительно представляет собой внутреннее кольцо подшипника, имеет не три, а только две поверхности скольжения 11ʺа, b, которые не являются ориентированными строго радиально или аксиально, а соответственно устанавливаются. В зависимости от того, показывает ли изображенная конфигурация первое кольцо 3ʺ подшипника как внутреннее или внешнее кольцо, показанная компоновка подшипника скольжения была бы Х или О-подшипником.
Поворотное соединение 1ʺ, показанное на фиг. 4, имеет, в дополнение к первому кольцу 3ʺ, второе кольцо 5ʺ подшипника, на котором соответственно первому кольцу 3ʺ подшипника расположены две поверхности скольжения 13ʺа, b. Предпочтительно, второе кольцо 5ʺ подшипника выполнено из металлического материала, в то время как поверхности скольжения 13ʺа, b предпочтительно выполнены в форме сегментированных элементов из волокнистого композитного материала, такого как армированный стекловолокном пластик. Для свойств поверхности и покрытия предпочтительно применяется то же самое, что и для вышеописанных примеров выполнения и предпочтительных форм выполнения.
На фиг. 3 и 4 идентичным образом показан тормоз 117 двигателя, который используется известным способом для того, чтобы тормозить или останавливать движение поворота гондолы 104 относительно мачты 102.
Как пример выполнения согласно фиг. 3, так и пример выполнения согласно фиг. 4 может показывать поворотное соединение 1', 1ʺ, расположенное внутри по отношению к мачте 102, или поворотное соединение 1', 1ʺ, расположенное снаружи по отношению к мачте 102. Терминология внутреннего или внешнего кольца тогда меняется местами, соответственно.