FI118860B - Laite tuulivoimalan roottorin lavan lapakulman säätämiseksi - Google Patents

Description

118860

LAITE TUULIVOIMALAN ROOTTORIN LAVAN LAPAKULMAN SÄÄTÄMISEKSI

KEKSINNÖN ALA

5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty laite tuulivoimalan roottorin lavan lapakulman säätämiseksi.

KEKSINNÖN TAUSTA

10 Tuulivoimalan roottorin lapojen lapakulmia säädetään vallitsevien tuuliolosuhteiden edellyttämällä tavalla roottorin pyörimisnopeuden tai roottoriin liitetyn generaattorin antaman tehon säätämiseksi. Yleensä lavan tyvessä, esimerkiksi lavan laakeroinnin 15 yhteydessä, on lavan pituussuuntaisen kiertoakselin kanssa yhdenkeskinen hammaskehä ja siihen on kytketty kosketukseen hammaspyörä, jota pyöritetään sähkömoottorilla halutun lapakulman saavuttamiseksi. Sähkömoottorissa on magneettijarru, jolla lapakulma pidetään 20 paikallaan halutussa arvossa.

Yleensä hammaskehän hammasluku on 100-200 ja : hammasrattaan hammasluku 10-20. Osakuormitusalueilla • · · ; eli yleisimmin esiintyvillä tuulen voimakkuusalueilla • · · lapojen lapakulmat ajetaan optimiasentoon, jossa ne 25 voidaan pitää päiväkausia, kunnes tuuli joko tyyntyy, • · . jolloin kone sammutetaan, tai tuulen yltyessä lapakul- • · · *".* mia joudutaan säätämään.

• · *···' Ongelmana tunnetussa tekniikassa, että lapa- kulmien ollessa paikalleen lukittuna niihin kohdistuu • · : 30 tuulen vaikutuksesta vääntäviä voimia, jotka pyrkivät muuttamaan lapakulmia. Nämä kaikki voimat kohdistuvat yhteen hampaaseen hammaskehällä sekä hammasrattaassa • · , eli niihin hampaisiin, jotka sillä säätöhetkellä sat- , tuvat olemaan kohdakkain ja kiinni toisissaan. Vaihte- 35 levät voimat hiertävät hampaita toisiaan vasten voiden ·:··· aiheuttaa niihin vakavia vaurioita jo muutamassa päi- 2 118860 vässä. Tätä epäkohtaa kutsutaan tuulivoima-alalla "ensimmäisen hampaan ongelmaksi".

Tätä ongelmaa on tunnetussa tekniikassa pyritty vähentämään ruiskuttamalla voiteluainetta ham-5 maskosketukseen. Toinen tunnettu tapa on ajaa lapakul-mia säännöllisesti esimerkiksi kerran tunnissa edestakaisin ja samalla voidella kyseiset kontaktipinnat niiden ollessa erillään toisistaan. Kolmantena keinona tunnetaan huollon aikana 2-4 kertaa vuodessa tehtävä 10 lavan kääntö kerran ympäri, minkä jälkeen hammasrattaan ja hammaskehän samat hampaat eivät enää ole jatkuvasti kosketuksissa toisiinsa. Tämä myös vähentää hampaiden kulumisriskiä.

Edellä kuvatuilla menetelmillä on pystytty 15 vähentämään hampaiden kulumista, mutta niillä ei kuitenkaan pystytä kokonaan estämään tätä ongelmaa. Näin aika ajoin tuulivoimaloissa on uusittava kalliita hammasrattaita ja hammaskehiä.

20 KEKSINNÖN TARKOITUS

Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat.

• · * '·ί·* Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda ·,·.· esiin ratkaisu, jonka avulla hammaskehän ja hammasrat- *:**: 25 taan kuluminen saadaan loppumaan kokonaan ja näin ne *:*·· saadaan kestämään tuulivoimalan koko käyttöikä eli • niiden käyttöiäksi saadaan sama kuin roottorin käyt-··· · .**·. töikä.

• · ··«

: 30 KEKSINNÖN YHTEENVETO

• · · ·*· * ί *: Keksinnön mukaiselle laitteelle tuulivoimalan *·· | . roottorin lavan lapakulman säätämiseksi on tunnus- • · , omaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnön mukaiseen laitteeseen tuulivoimalan 35 roottorin lavan lapakulman säätämiseksi kuuluu lapaan ·;·** tukeutuva hammaskehä sekä roottorin keskiöön tukeutuva 3 118860 hammaspyörä voimalaitteineen hammaskehän ja sen mukana lavan lapakulman kääntämiseksi. Keksinnön mukaisesti hammaskehän ja hammaspyörän väliin kuuluu hammaskehän ja hammaspyörän materiaaleja heikomman kulutuskestä-5 vyyden omaavaa materiaalia oleva voimanvälityselin, joka on järjestetty estämään suora kontakti hammaskehän ja hammaspyörän välillä. Näin keksinnön mukaisesti kovaa materiaalia olevat hammaskehä ja hammaspyörä eivät ole suorassa kontaktissa toisiinsa, vaan niiden 10 välissä on aina kulutuskestävyydeltään heikompaa materiaalia, joka puristuu hammaskehän ja hammaspyörän väliin. Tällä tavoin kalliit ja vaikeasti vaihdettavat hammaskehä ja hammaspyörä eivät kulu, vaan hankauksesta johtuva kuluminen kohdistuu käytännöllisesti katso-15 en kokonaan pehmeämpään voimanvälityselimeen, joka on helposti ja suhteellisen edullisesti korvattavissa uudella normaali huoltojen yhteydessä.

Eräässä keksinnön sovelluksessa voimanvälityselin on ketju, hihna tai vastaava pitkänomainen 20 elin, joka on järjestetty kulkemaan hammaskehän ja hammaspyörän välissä niin, että se on samanaikaisessa kosketuksessa molempien hammaspintojen kanssa. Näin ham-maskehä ja hammaspyörä koskettavat, tukeutuvat, pai- ; nautuvat tai puristuvat voimanvälityselintä päin vas- • · · 25 takkaisilta puolilta samanaikaisesti.

....· Eräässä keksinnön sovelluksessa voimanväli- • f . tyselin on nivelketju, kuten tappiketju tai rullaketju, • · · **!,* jolloin hammaskehän ja hammaspyörän hampaat ovat koh- * · *···* dakkain toisiaan vasten nivelketjun tapin tai rullan 30 ollessa samanaikaisesti kosketuksessa sekä hammaskehän • · J.: : hampaaseen että hammaspyörän hampaaseen. Nivelketjun ·«· Ι,,,ϊ tappi tai rulla on tällöin hammaskehän ja hammaspyörän välissä ollessaan puoliksi hammaskehän kahden hampaan • · . välissä ja puoliksi hammaspyörän kahden hampaan välis- • m , 35 sä. Näin hammaspyörän hampaan vetäessä nivelketjua ϊ,ϊ,ϊ eteenpäin nivelketjun tappi tai rulla osuu hammaskehän *:··; hampaaseen kääntäen hammaskehää.

4 118860

Toisessa keksinnön sovelluksessa voimanväli-tyselin on joustava hihna tai nauha, joka on järjestetty lomittain osuvien hammaskehän ja hammaspyörän hampaiden väliin estämään niiden suora kontakti toisiinsa.

5 Nauha on edullisesti joustavaa materiaalia, kuten sopivaa muovia, jonka puristuskestävyys ja vetolujuus ovat riittäviä. Lisäksi edullisesti hihnan tai nauhan pinta-kitka on alhainen niin, että mahdollisimman vähän hankaa sitä vasten puristuvia hampaita.

10 On mahdollista, että joustava hihna tai nauha on suora ja riittävän pitkä kaista, joka on sopivasti tuettu pysymään hammaskehän ja hammaspyörän välissä. Edullisesti kuitenkin se on päättymätön lenkki, joka sallii lavan vapaamman kääntämisen jopa useita kertoja 15 ympäri.

Eräässä sovelluksessa kimmoisa hihna on tasainen ja sileä ja vasta puristuessaan hammaskehän ja hammasrattaan hampaiden väliin se muotoutuu hampaiden pintojen mukaisiksi. Puristuksen loputtua se taas suoris-20 tuu. Toisessa sovelluksessa kimmoisa ja taipuisa kaista on jo valmiiksi muotoiltu aaltomaisesti polveilevaksi vastaten hampaiden pintojen muotoa.

:j*; Vaikka on mahdollista, että voimanvälityselin : ·*· on koko ajan kiinni hammaspyörässä tai hammas kehällä,

Ml 25 on kuitenkin edullisempi sovellus sellainen, jossa voimanvälityselimen pituus on olennaisesti pienempi • · . . kuin hammaskehän pituus ja olennaisesti suurempi kuin “*.* hammasrattaan kehäpituus. Tällöin voimanvälityselin on • *···* kontaktissa hammaskehään ja hammasrattaaseen olennai- 30 sesti vain voimanvälitystilanteessa. Muun ajan se kul- • · · kee erillään molemmista hampaista ja siihen voidaan

IM

vaikka kohdistaa sopivia huoltotoimenpiteitä.

,t|t· Täten voimanvälityselimen yhteyteen voi kuu- • · , lua voitelujärjestely voimanvälityselimen voitelemi- 35 seksi. Eräässä sovelluksessa voitelujärjestely on voi-ϊ^ϊ telulaite, joka on järjestetty voitelemaan voimanväli- ·:·· tyselintä sen liikkuessa. Voimanvälityselin voi esi- 5 118860 merkiksi kulkea voiteluharjojen, voitelusuihkun tai voitelukammion läpi. Tällöin edullisesti voitelulaite on mahdollisimman lähellä sitä kohtaa missä voimanvä-lityselin puristuu hampaiden väliin. Näin pientenkin 5 liikkeiden aikana voiteluaine saadaan ulottumaan myös hampaisiin. Samoin on mahdollista, että tämän rasitukselle alttiina olevan ensimmäisen hampaan viereinen toinen hammas voidellaan aika ajoin runsaalla rasva-määrällä, jolloin lyhyt edestakainen hammastuksen sää-10 töliike aiheuttaa voiteluaineen leviämisen myös ensimmäisen hampaan alueelle.

Toisessa sovelluksessa voitelujärjestelyn muodostaa voimanvälityselimeen järjestetty voiteluaine, joka voimanvälityselimen puristuessa hammaspinto-15 jen väliin vapautuu voidellen pintoja. Voimanväli-tyselin on jopa mahdollista tehdä sopivasta muovimateriaalista, joka osittain koostuu tai johon on sisällytetty sopivaa voiteluainetta, joka sitä käytettäessä vapautuu voidellen kosketuspintoja.

20 Eräässä keksinnön sovelluksessa hampaiden ku lumista vähennetään edelleen siten, että hammaskehään sijoitetaan rajoitin, joka on järjestetty lavan lapa-•,;,1 kulman ääriasennossa tukeutumaan kiinteään vastakappa- leeseen. Täten ajettaessa lapakulmat ääriasentoonsa, ·;··· 25 joka yleensä on myrskyasento eli 0-kulma, voidaan ham- masrattaaseen kytketty sähköinen jarru jättää lukitse- : .·. matta ja antaa lavan levätä ja tukeutua rajoitinta * · · vasten. Näin hammaskehä ja hammaspyörä ovat levossa • · *** eikä niihin ja niiden välillä vaikuta voimia.

30 Keksinnön mukaisella laitteella tuulivoimalan • · · ϊ·ί ί roottorin lavan lapakulman säätämiseksi on merkittäviä ««· etuja tunnettuun tekniikkaan verrattuna.

Keksinnön avulla lavan hammaskehän ja sitä pyörittävän hammaspyörän kuluminen saadaan estetyksi • · . 35 käytännöllisesti katsoen kokonaan. Tällä vähennetään kalliita ja aikaa vieviä huoltotoimenpiteitä, jolla *i**l taas on merkitystä tuulivoimalaitoksen käyttökertoi- 6 118860 meen ja sitä kautta tuotetun energian määrään ja kannattavuuteen.

KUVALUETTELO

5 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityis kohtaisesti esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää tuulivoimalaitosta, johon keksinnön mukainen laite on suunniteltu, 10 kuva 2 esittää alalla vallitsevaa tunnettua tekniikkaa, kuva 3 esittää keksinnön mukaisen laitteen ensimmäistä sovellusta, kuva 4 esittää keksinnön mukaisen laitteen 15 toista sovellusta, kuva 5 esittää keksinnön mukaisen laitteen kolmatta sovellusta ja kuva 6 esittää keksinnön mukaisen laitteen erästä lisäsovellusta.

20

KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN SELOSTUS

. Kuvassa 1 on esitetty osa eräästä tuulivoima- • · · *'* laitoksesta, johon keksinnön mukainen laite soveltuu

• l I

*··*! käytettäväksi. Kuvassa on vaaka-akselinen kolmilapai- * * 25 nen roottori, jossa on lapakulmasäätö eli lapoja kään- ***** netään niiden pituusakselin ympäri lavan lapakulman : säätämiseksi sopivaksi.

:***: Kuvan 2 mukaisesti tunnetussa tekniikassa la- • · · pakulmien säätö tapahtuu seuraavasti. Lavan 1 tyvessä : 3 0 on hammaskehä 2 ja roottorin keskiöön tukeutuu hammas- • · · ,···[ pyörä 3, joka on kytketty sähkömoottoriin sen pyörit- • · "* tämiseksi. Näin pyöritettäessä hammaspyörää 3 pyörii *"*· hammaskehä 2 ja sen mukana lapa kääntyy aina haluttuun *“*: lapakulmaan. Pidettäessä lapakulma muuttumattomana se , *·, 35 tapahtuu lukitsemalla sähköisesti hammaspyörä 3 pai- • ♦ · t”*. kalleen. Näin hammaspyörä 3 ja sen kulloinkin kohdalla • · 7 118860 oleva yksi hammas ottaa vastaan lapaan kohdistuvat ja sitä kääntämään pyrkivät tuulen voimat. Koska lukitus tasaisissa tuuliolosuhteissa voi olla paikallaan jopa vuorokausia, voi yhteen hampaaseen kohdistua rasituk-5 siä, jotka vaurioittavat sitä merkittävästi.

Kuvassa 3 on esitetty eräs ratkaisu edellä esitettyyn ongelmaan. Hammaskehä 4 ja sitä pyörittävän hammaspyörän 5 väliin on sijoitettu voimanvälityseli-menä toimiva ketju 6. Hammaskehä 4 ja hammaspyörä 5 on 10 sijoitettu siten, että niiden hampaat eivät mene lomittain vaan ne ovat kohdakkain pyöriessään, jolloin niiden hampaat eivät kosketa toisiaan. Tällöin kohdakkain olevien hampaiden väliin muodostuu poikkileikkaukseltaan pyöreä tila 7. Tähän tilaan 7 mahtuu sopivan 15 tiiviisti ketjun 6 poikittainen rulla 8, joita ketjussa yhdistää toisiinsa sivulevyt 9. Ketju 6 on valmistettu hammaskehää 4 ja hammaspyörää 5 pehmeämmästä materiaalista. Näin olennaisesti kaikki kuluminen ketjun ja hammaskehän ja hammaspyörän välillä kohdistuu ket-20 juun, mikä on helposti huoltojen yhteydessä vaihdettavissa.

Kuvan 4 keksinnön toisessa sovelluksessa ham- » .*. maskehän 10 ja hammaspyörän 11 hampaat on sijoitettu • · , .·. lomittain toistensa suhteen pyöriviksi. Kuitenkin ne • · » t"\ 25 ovat sen verran etäällä toisistaan, että niiden väliin • · , jää rako, johon on sijoitettu joustavaa ja kimmoisaa materiaalia oleva päättymätön nauha 12. Nauha 12 toi- • · · 1 mii voimanvälityselimenä hammaskehän 10 ja hammaspyö- rän 11 välillä niin, että hammaskehä ja hammaspyörä 30 eivät missään vaiheessa pääse suoraan pintakosketuk- • · jtj j seen toistensa kanssa. Näin pehmeä vaippa hammaskehän ja hammaspyörän välillä estää niiden kulumisen ja pin-··· * * . tojen vaurioitumisen kaikissa olosuhteissa. Nauha on | lisäksi erittäin yksinkertainen ja halpa vaihtaa huol- 35 tojen yhteydessä.

: Kuvan 5 keksinnön kolmannessa sovelluksessa ··· *···· hammaskehä 13 ja hammaspyörä 14 ovat vastaavat kuin 8 118860 kuvan 4 sovelluksessa. Lisäksi voimanvälityselimenä 15 käytetään myös joustavaa hihnaa, mutta erona kuvan 4 sovellukseen on vain, että hihna 15 on muotoiltu aaltomaiseksi, polveilevaksi vastaamaan muodoltaan suh-5 teellisen tarkasti hammaspintoja. Näin hihnan kestävyys saadaan paremmaksi, kun se ei jatkuvasti taivu ja suoristu hammaspintojen välissä.

Kaikissa kuvien 3-5 sovelluksissa voidaan pintojen kulumista ja hankausta vähentää sopivilla 10 voitelujärjestelyillä. Tämän vuoksi on edullista, että voimanvälityshihnat ja -ketjut ovat pituudeltaan selvästi vastaavaa hammaskehää lyhyempiä, mutta vastaavan hammaspyörän kehää pidempiä. Tällöin kiertävään ja päättymättömään hihnaan tai nauhaan muodostuu vapaa 15 lenkki, johon on helppo sijoittaa sinänsä tunnettu minkälainen tahansa voitelulaite, kuten sively, ruisku, kammio yms.

Kuvassa 6 on esitetty keksinnön lisäsovellus, joka entisestään lisää hammaskehän 16 kestävyyttä. 20 Siinä hammaskehän reunaan on kiinnitetty rajoitin 17, joka lavan ääriasennossa, esimerkiksi nolla-asennossa, on järjestetty törmäämään kiinteään vastakappaleeseen • ·1; 18. Näin lapakulman ääriasennossa hammasratasta ei ··· . .·. tarvitse lukita moottorilla ja sen kautta kehää, vaan %·♦1 25 rajoitin 17 ja vastakappale 18 ottavat vastaan tuulen * 1 . aiheuttamat lapakulman kääntövoimat. Tämä sovellus • 1 , . toimii hyvin kuvien 3-5 voimanvälityselinten yhteydes- • · · **|t1 sä, mutta sitä voidaan käyttää myös perinteisessä ku- :··.1 van 2 mukaisessa lapakulman säätösysteemissä.

30 Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitet- • t !.· · tyjä esimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten mää-rittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

• « • 1 • · 1 » · · «·» »

Claims (9)

118860

1. Laite tuulivoimalan roottorin lavan lapa-kulman säätämiseksi, johon laitteeseen kuuluu lapaan 5 (1) tukeutuva hammaskehä (4) sekä roottorin keskiöön tukeutuva hammaspyörä (5) voimalaitteineen hammaskehän ja sen mukana lavan lapakulman kääntämiseksi, tunnettu siitä, että hammaskehän (4) ja hammaspyörän (5) väliin kuuluu hammaskehän ja hammaspyörän materi-10 aaleja heikomman kulutuskestävyyden omaavaa materiaalia oleva voimanvälityselin (6), joka on järjestetty estämään suora kontakti hammaskehän ja hammaspyörän välillä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, 15 tunnettu siitä, että voimanvälityselin (6,12,15) on ketju, hihna tai vastaava pitkänomainen elin, joka on järjestetty kulkemaan hammaskehän ja hammaspyörän välissä samanaikaisessa kosketuksessa molempien hammas-pintojen kanssa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lai te, tunnettu siitä, että voimanvälityselin (6) on . nivelketju, kuten tappiketju tai rullaketju, jolloin • « · *·*;* hammaskehän ja hammaspyörän hampaat ovat kohdakkain *.ϊ·* toisiaan vasten nivelketjun tapin tai rullan ollessa ***** 25 samanaikaisesti kosketuksessa sekä hammaskehän hampaa- seen että hammaspyörän hampaaseen.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen lai- **· i ·***· te, tunnettu siitä, että voimanvälityselin «·· (12,15) on joustava hihna tai nauha, joka on järjestetä • ,· 30 ty lomittain osuvien hammaskehän ja hammaspyörän ham- *!!,* päiden väliin estämään niiden suora kontakti toisiinsa. I I *;· 5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen *"*i laite, tunnettu siitä, että voimanvälityselimen ·;··· pituus on olennaisesti pienempi kuin hammaskehän pi- 35 tuus ja olennaisesti suurempi kuin hammasrattaan kehä- **\ pituus siten, että voimanvälityselin on kontaktissa • * 118860 ίο hammaskehään ja hammasrattaaseen olennaisesti vain voimanvälitystilanteessa.

6. Jonkin patenttivaatimuksista 1-5 mukainen laite, tunnettu siitä, että voimanvälityselimen 5 yhteyteen kuuluu voitelujärjestely voimanvälityselimen voitelemiseksi.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että voitelujärjestely on voite-lulaite, joka on järjestetty voitelemaan voimanväli- 10 tyselintä sen liikkuessa.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että voitelujärjestelyn muodostaa voimanvälityselimeen järjestetty voiteluaine, joka voimanvälityselimen puristuessa hammaspintojen väliin 15 vapautuu voidellen pintoja.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen laite, tunnettu siitä, että hammaskehään (16) kuuluu rajoitin (17), joka on järjestetty lavan lapa-kulman ääriasennossa tukeutumaan kiinteään vastakappa- 20 leeseen (18) siten, että vastakappale ottaa vastaan tuulen aiheuttamat lapaan kohdistuvat kiertovoimat. * • · · • · · 11« ft · · • » « • ft1 • · • · • · • ft ft • « I ·1· · »·· • 1 • · • ft1 • · » ft · • · · ··· · ··« • · • · • ft1 • · ···♦! * · « • · » • · · «·· · 118860