DK201600068A1 - Leje- og gearopsætning til en vindmølle - Google Patents

Abstract

Vindmøllers økonomiske effektivitet bedres ved opskalering mens vægt til styrke forholdet mindskes. Det gælder især rotorens store bærende rulleleje, gearet og generatoren. Løsninger herpå har været gearløse generatorer, som så bliver tunge da mængden af magnetisk materiale er omvendt proportionalt med omdrejningstallet; eller flere mindre generatorer tilpasset vinden på et distributionsgear som vist i (1), (2) og (3). Rotorens store rulleleje får forholdsvis stort lejeslør så kun de øverste eller eksklusivt nederste ruller bærer hele vægten af rotoren og derved skal dimensioneres forholdsvis store. Nærværende opfindelse fordeler lasterne til flere ruller og hurtigtløbende lettere generatorer. Den har rotoren fastgjort til yderringen, hver rulle lejret bærende til nacellen og inderringen fritløbende. Yder- og inderring er forholdsvis stivere end rullernes lejring til nacellen, således at de øverste ruller bøjer lidt ned under vægten af rotoren så noget af tyngdekraften overføres til inderringen og videre til de nederste forholdsvis stift lejrede ruller. En fortanding kan overføre drejningsmoment til alle ruller eller inderringen kan trykkes ud mod de mellemste ruller, eller de koniske ruller kan dynamisk presses ind mellem yder- og inderring med forholdsvis konstant indpresningskraft. Det er vist på figur 1 og 6 i 3D belysning og figur 2 og figur 3 i radialt snit. Herved kan disse forholdsvis små rullers aksler bruges som gearet kraftudtag i forholdet lejerdiameter til rullediameter. Omkostningerne ved den ekstra lejring af hver rulle opvejes af besparelsen af den sædvanlige centeraksel og gear. Også den øgede friktion af et forspændt slørløst leje opvejes af, at den sædvanlige udpressende kantfriktion på de store ruller mangler. Disse fordele er især vigtige for vindmøller hvor navakslen og gearet ellers er tunge komponenter højt oppe; og lejeslør giver uhensigtsmæssige vibrationer af de lange komponenter. Uden nav, gear og generator...

Description

LEJE- OG GEAROPSÆTNING TIL EN VINDMØLLE BAGGRUNDEN FOR OPFINDELSEN

Samtidig med vindmøllers opskalering til MW klasse er vægten af nacellen gået fra ca det dobbelte af rotoren til det 3-4 dobbelte. Fordi massekræfterne i tredje potens af vingelængden dominerer over vindkraften i anden potens heraf. De forholdsvis store komponenter i nacellen, der skal optage disse kræfter har også dårligere vægt i forhold til kraftudnyttelse. For eksempel vejer den store massive navaksel meget i tredje potens af dens radius mens kræfterne fortrinsvis optages i dens overflade i anden potens heraf. Samme forhold gør sig gældende for det store centrale indgangsgearhjul, der også fortrinsvis optager kræfter i sin periferi med spild af dets centrale masse til følge. Der er altså mulighed for at spare noget masse, som i kendt teknik blot er der, og ikke bruges til optagelse af kræfter ,og som med runde tal udgør en fjerdedel af nacelle vægten. Formålet med nærværende opfindelse er derfor at spare ca halvdelen af nævnte ikke kraftoptagende masse dvs omkring 10% af nacellens vægt. Et måske ikke så stort tal, men det kan have forholdsvis stor betydning for at flytte egenfrekvensen for tårn-nacelle op over exitationen fra vingerne.

KENDT TEKNIK

Gearløse vindmøller med mangepolet generator på den store navaksel er kendt teknik. Kompleksiteten med mange poler og en stor tung mængde magnetisk materiale er nødvendig for at kompensere for det lave omdrejningstal; men vægten og kompleksiteten af centralgearet spares.

RESUME AF OPFINDELSEN

Leje- og gearingsenheden i følge opfindelsen sparer også den centrale navaksel idet kraftudtaget fra det eneste tilbageværende lejes enkelte ruller giver det, der svarer til første trins gearing. Her er det naturligt at sætte mange forholdsvis små seriefremstillede generatorer på hver rulles aksel, hvorved man opnår de mange poler forholdsvis billigt. Er lejerne 6 og 7 på tegningerne 1 til 6 for rulleakslen fast forankret på maskinkabinen skal de øverste kunne bære hele vingerotorens vægt fastgjort til yderringen 2. Ellers kan en frit modsatroterende inderring som vist på figur 6 overføre det halve af vægten til de nederste ruller, når rullerne er lejret med en mindre fjederstivhed i forhold til maskinkabinen end inderringens stivhed. Alternativt kan en fast monteret inderring bære hele rotorvægten så lejerne 6 og 7 på mellemringen på figur 1 kun skal modstå den sædvanlige udpressende friktion fra de koniske ruller. En ulempe er dog at strømmen så må overføres via slipringe, fordi lejets mellemringe roterer med halv hastighed og gearingen bliver også halvdelen af førnævnte alternativer.

Problemet med uens overførelse af kraft fra rotorvægt og friktionskraft til ruller under de øverste kan endvidere mindskes ved at deres fjedrende vandring i aksial retning presser dem mere ind i mellemrummet mellem inder- og yderring i positioner under den øverste. Og mindskes endnu mere hvis det er en aktiv vandring styret af aktuatorer. Udgiften til disse opvejes af længere lejelevetid fra mere ensartet belastning, mindre lejeslør og højere ydelse grundet den lavere lejefriktion, der dynamisk kan sænkes ved de hyppigere lave vindhastigheder, hvor også kravene til lejets optagelse af vindens tværkræfter er mindre. Under disse forhold bliver friktionen mindst hvis de nederste ruller ikke presses ind i mellem ringene og derved heller ikke får overført friktionskraft til de nederste generatorer eller motorer, så de bedst kraftoverføringsmæssigt kobles af. At de øverste ruller presses mest sammen og derved roterer hurtigst med størst friktionskraft passer nogenlunde med vanlig variabel elektrisk karakteristik.

Vindens skiftende kræfter kan optages ved at have modstående par af ruller, der klemmer ind mod inder- yderringsmidte fra hver sin side..

En udførelsesform har generatorer monteret på de enkelte rullers aksler udenfor mellemringene som vist på figur 3, således at denne leje- og gearingsenhed erstatter den sædvanlige navaksel med tilhørende lejer, centralt gear og generator i vindmøller. For en 7 MW mølle kræver dette et 0 15 m vingerotorleje for, at alene friktionen mod rullerne er nok til at overføre det samlede moment. En anden udførelsesform har rullernes yderste koniske ende forsynet med tænder svarende til planetgearhjul så friktionen ikke er en begrænsende faktor, hvorved lejediameteren kan komme ned på 8 m. En tredje udførelsesform vist på figur 3 har endnu et planetgeartrin efter dette, og permanentmagnet generatorerne anbragt forskudt for hinanden vist figur 5 hvorved rotorlejediameteren kan komme ned på 5m. Som vist i bilag 2 medfører de mindre ruller dog at friktionstabet stiger fra ca 8% for det store 0 15m leje til henholdsvis 9% og 10% for de mindre.

Fortandingen kan også være alene på de enkelte ruller med tandhjul mellem rullerne til at overføre effekten til en central generator vist på figur 6. Når vinden øges opnås den nødvendige øgede friktionskraft ved at yderringen presses op mod rullernes tilstrækkelig lille konusvinkel, som beregnet i bilag 2 og tandhjulenes tænder kan blive successivt bredere op mod det centrale 11, så belastning bliver ens og vægt mindst.

En fjerde udførelsesform har motorer monteret på de enkelte rullers aksler udenfor mellemringene med fjeder- eller aktuatorforspændte lejer, således at denne leje- og gearingsenhed erstatter krøjekrans eller vingedrejekrans med tilhørende motorer og bremser i vindmøller.

KORT BESKRIVELSE AF TEGNINGERNE

FIG. 1 viser leje og gear enhed i 3D perspektiv.

FIG. 2 er et snit af 1 som viser rullerne og deres lejring i detalje.

FIG. 3 udvider fig. 2 med endnu et geartrin og generator.

FIG. 4 er en endnu mere detaljeret rotationssymmetrisk visning af fig. 3 FIG. 5 viser tæt pakning af gear og generator enhederne forskudt for hinanden. FIG. 6 viser ruller og gear støttet af en fritløbende inderring.

DETALJERET BESKRIVELSE AF DE FORETRUKNE UDFØRELSER

TEGNINGENS figur 1 viser leje-gear-generator konstruktionen i 3D belysning. 1 og 2 er inder- henholdsvis yderringen hvor 1 for en 7MW mølle har afstanden to en halv meter til lejets centerakse i vindretningen. 4 er mellemringen hvortil rullerne 5 er fastgjort med lejerne 6 og 7.

Figur 2 er det tilsvarende radiale snit gennem A-A, hvor også en del af den bærende forbindelse 3 mellem de to modstående mellemringsdele 4 er vist bag den viste rulle 5.

På figur 3 er forbindelsen 3 udformet som en central mellemringssamler hvortil mellemringsakslerne 4 for de modstående rulle-gear-generatorenheder 20 er stift fastgjort.

Figur 4 viser et rotationssymmetrisk snit gennem to modstående rulle-gear-gene-ratorenheder 20 gennem deres symmetriakse 19 med benævnelse at deres komponenter. Aksialrullelejet 7 leverer det nødvendige modtryk til den koniske rulle 5, der inderst hviler på et andet rulleleje 6. Uden på denne videreførte rulle med samme skravering kan planetgearhjulet 8 dreje sig lidt i forhold til 5. Planetgearhjulet 8 er i indgreb med tænder på yderringen 2 og evt også inderrin-gen 1 (der i så fald svarer til et solhjul) og har samme koniske tand indgrebscirkel som den koniske rulle 5. Ved ideel fabrikationsnøjagtighed ville der ikke være behov for den løse meget langsomt roterende pasning mellem 5 og 8‘s akselekstension fordi de ville rotere med samme hastighed.

Tænderne er egentlig kun nødvendige for en 7MW mølle når inderringens diameter, som her er under 15 meter, som ellers muliggør overførsel af det samlede moment med en traktionsolie med friktionskoefficient på 0,1 vist i bilag 1.

Fra planethjulet 8 udgår en eller flere aksler 9 for det næste geartrins planethjul 10 som er i indgreb med fortandingen på yderringen 16 og solhjulet 11. Dette er lejret i et nåleleje 13 lige under planethjulet og et kugleleje 12 i den anden ende. Fastmonteret på solhjulet 11 er generatorrotoren 14, mens statoren 15 er fastgjort til yderskærmen 16, hvis ene ende er stift fastgjort til rulleakslen 4 mens den anden er støttet radielt med et leje 17 mod solhjulsakslen 11.

Yderskærmen 16, der evt. roterer med halv hastighed af yderringen 2 i forhold til både yder- og inderring slutter op mod disse med fx en labyrinttætning 18, som muliggør et oliebad omkring planethjulene 10 og 8. Et yderligere oliereservoir kan etableres i yderringen 2 eller bag lejerne 7 og 12.

I den udformning, hvor yderskærm med stator roterer i.f.t inderringen, er det nødvendigt at overføre effekten herfra v.h.a. slipringe. Man kan dog nøjes med slipringe på den ene side af vingerotorlejet ved at føre strømmen fra den anden sides generatorer gennem de hule rulleaksler 4.

Hver af de for en 7 MW mølle 72 hund red kilowatts rulle-, gear- og generatorenheder 20 kan fabrikeres og samles som selvstændige enheder. Disse enheder monteres mellem frithængende yder- 2 og inderring 1 ved at deres rulleholderaksel 4 fastspændes mellemringsholderen 3 fra begge sider. Derved kan et foruddefineret lejeslør etableres og eventuelt genetableres ved efterspænding efter lejeslitage. Den ekstra slitage fra kanterne om hulproppen til indsættelse af ruller i konventionelle store krøjelejer undgås, såvel som slitagen fra konventionelle rulleenders friktion mod yder- eller inderringens indpressende kant.

Figur 5 viser i snittet B-B af figur 1, hvordan en kortere udførelse af rulle-, gear- og generatorenheden 21 kan monteres i indsnævringen af yderskærmen 16 for 20 med mindre afstand mellem disse og dermed mere kompakt udførelse til følge.

For at få plads til 36 generatorer for en 7 MW mølle på den ene side af et 0 5m vingerotorleje er det nødvendigt at lave denne indsnævring af yderskærmen mellem tallene 16 og 17 så hver anden generator sidder tættere på vingerotorlejet og passer ind i dette hak.

Figur 6 viser hvordan en fritløbende inderring 1 overfører kræfterne fra yderringen 2 på de øverste ruller 5a til de nederste 8a. Inderringen støtter kun de ruller som øget vind fra højre øger kraften på, og de er lejret roterbart i forhold til nacellen i lejer på begge sider af inderringen i positionerne 6 og 7. Der er kun bærende ruller på øverste henholdsvis nederste fjerdedel og de overfører omdrejningskraften til hinanden via påsat tandhjul 9 til mellemliggende tandhjul 10 til det centrale øverste henholdsvis nederste tandhul 11. De to sidste kan så overføre den opgea-rede omdrejningskraft via to lodrette aksler 12 til et centralt vinkelgear 13 på en central generator 14. De for lejet styrende ruller er ikke vist, men er monteret ligesom rullerne 5 på figur 1 i fire jævnt fordelte positioner på højre indre koniske flade af yderringen 15.

Claims (10)

1. KRAV 1: Leje- og gearopsætning til en vindmølle bestående af en yderring påmonteret rotoren og et antal ruller forbundet til generator eller motor kendetegnet ved at de rullende elementer er roterbart fastgjort til nacellen og bærer yderringen KRAV
2. 2: Leje- og gearopsætning til en vindmølle i følge krav 1 kendetegnet ved at de øverste ruller er monteret indeni yderringen, mens de nederste er monteret uden på og således bærer noget af yderring med rotor udefra. KRAV
3. 3: Leje- og gearopsætning til en vindmølle ifølge krav 1 eller 2 kendetegnet ved at de rullende elementer er støttet af en inderring inde fra. KRAV
4. 4: Leje- og gearopsætning til en vindmølle ifølge krav 1, 2 eller 3 kendetegnet ved at de rullende elementer er fastgjort til nacellen med varierende stivhed. KRAV
5. 5: Leje- og gearopsætning til en vindmølle bestående af en yderring påmonteret rotoren og et antal ruller forbundet til generator eller motor kendetegnet ved at de rullende elementer er roterbart fastgjort til en fælles mellemring for alle rullerne, der roterer med halv omdrejningshastighed af yderringen om en inderring fastgjort til nacellen. KRAV
6. 6: Leje- og gearopsætning til en vindmølle ifølge krav 5 kendetegnet ved at de rullende elementer er fastgjort via en aktuator, der flytter rullerne i deres rotationsakses retning ind mod yderringens centerplan. KRAV
7. 7: Leje- og gearopsætning til en vindmølle ifølge krav 1, 2 eller 3 kendetegnet ved at flere rullende elementer er forbundet til samme generator eller motor og vindens usymmetriske moment optages af et andet leje på yderringens symmetriakse. KRAV
8. 8: Leje- og gearopsætning til en vindmølle ifølge krav 1,2, 3 eller 4 kendetegnet ved at flere rullende elementer er forbundet til samme generator eller motor og vindens bøjende momenter optages af andre vinklede rullende elementer mod yderringen. KRAV
9. 9: Leje- og gearopsætning til en vindmølle i følge krav 1 eller 5 kendetegnet ved at generator eller motor er monteret forskudt på successive ruller som vist figur 5. KRAV
10. 10: Leje- og gearopsætning til en vindmølle i følge krav 1 eller 5 kendetegnet ved at første trins gearhjul for et enkelt rullende element er lejret bevægeligt i forhold til akslen for det rullende element.