FI91313B - Tuulivoimala ja menetelmä tuulivoimalan sähkögeneraattorin käytössä - Google Patents

Description

91313

Tuulivoimala ja menetelmä tuulivoimalan sähkögeneraattorin käytössä Vindkraftverk och förfarande vid driften av vindkraftsverkets elgenerator 5

Keksinnön kohteena on tuulivoimala ja menetelmä tuulivoimalan sähkögeneraattorin käytössä.

10

Tekniikan tason SE-kuulutusjulkaisusta 419 113 tunnetaan laiteratkaisu, jonka avulla tuuliroottorin vaihteleva kierrosnopeus muutetaan vakioksi sähkögeneraattoria varten.

Tuulivoimalan pääakseliin liitetyn vaihteen toiminnan tarkoituksena on nostaa tuulivoi-15 malan tuuliroottorin käyttämän pääakselin pyörimisnopeus sähkögeneraattorille sopivaksi. Hankaluutena tavanomaisissa tuulivoimalan sähkögeneraattorikäytöissä on pääakselilla esiintyvät suurehkot ja suunnaltaan epämääräiset taivutusmomentit, jotka aikaansaavat pääakselin taipumia haitallisessa määrin. Kun pääakseliin on liitetty suoraan hammaspyörä, välittyy taipuma hammasryntöön. Ajan kuluessa epätäydellinen 20 hammasryntö kuluttaa hammaspyörät ja aiheuttaa sen kautta huoltotarvetta.

Hakemuksessa on pyritty löytämään ratkaisu edellä mainittuun ongelmaan. Keksinnössä on muodostettu uudentyyppinen liikkeen ja voiman vienti tuulivoimalan siipien käyttämältä pääakselilta sähkögeneraattorille. Keksinnössä käytetään holkkiakselia, 25 jonka keskeisen tilan kautta on viety pääakseli. Pääakselin päätyyn pääakselin ja holkkiakselin välille on sovitettu hammaskytkin, jossa on suora hammastus ja sen kanssa yhteistoiminnallinen bombeerattu hammastus. Hammaskytkimen avulla mahdollistetaan pääakselin suurehkotkin kulmamuutokset.

30 Käytettäessä keksinnön mukaista holkkiakselia ja hammaskytkintä saavutetaan myös pitkä laakerointiväli radiaalilaakereille, jolloin mainittuihin laakereihin ja niiden kautta runkoon välittyvät pienet radiaaliset voimat.

2

Keksinnön mukaisesti on laitteisto voitu toteuttaa integroituna kokonaisuutena, jossa tuulivoimalan tuuliroottori liitetään suoraan pääakseliin ja generaattori liitetään laipastaan vaihteen runkoon. Edellä mainitun kokonaisuuden kääntökoneisto rakennetaan suoraan vaihteen jalkalaattaan. Näin ollen edellä mainittu kokonaisuus tuuliroottori, 5 pääakseli ja siihen liittyvä vaihteisto sekä generaattori voidaan yhtenä kokonaisuutena asettaa tuulivoimalan torniin.

Keksinnön mukaiselle tuulivoimalalle on pääasiallisesti tunnusomaista, että laitteistoon kuuluu holkkiakseli, jonka sisäisen onton tilan kautta on viety pääakseli, johon 10 tuuliroottori on liitetty ja että laitteistoon kuuluu pääakselin ja holkkiakselin välillä hammaskytkin, ja että hammaskytkimellä on bombeerattu hammasmuoto, joka tekee mahdolliseksi pyörintäliikkeen siirron tuuliroottorilta sähkögeneraattorille ilman pääakselin kulmasiirtymän häiritsevää vaikutusta, jolloin pääakselin pyörintäliike siirretään häiriöttömästi tuuliroottorilta pääakselille ja hammaskytkimen kautta 15 pääakselia ympäröivälle holkkiakselille ja holkkiakseliin liittyvän hammaspyörän kautta edelleen muille vaihteiston akseleille ja edelleen sähkögeneraattorille.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle tuulivoimalan sähkögeneraattorin käytössä on pääasiallisesti tunnusomaista, että tuuliroottorin aikaansaama pyörintä siirretään 20 pääakselilta pääakselin hammaskytkimen kautta pääakselia ympäröivälle holkkiakselille, jolloin hammaskytkin käsittää hammastuksen, joka on yhteistoiminnallinen hammas-tusta ympäröivän hoikin sisäpuolisen hammastuksen kanssa, ja että ympäröivä holkki on hammastuksen kautta liitetty toiminnallisesti holkkiakseliin, jolta liike siirretään hammaspyörän kautta sivuakseleille ja niiltä edelleen edullisesti kytkimen kautta sähkö-25 generaattorille, jolloin hammaskytkimellä on bombeerattu hammasmuoto, joka tekee mahdolliseksi pyörintäliikkeen siirron tuuliroottorilta sähkögeneraattorille ilman pääakselin kulmasiirtymän häiritsevää vaikutusta.

Keksintöä selostetaan seuraavassa viittaamalla oheisien piirustuksien kuvioissa esitettyi-30 hin keksinnön eräisiin edullisiin suoritusmuotoihin, joihin keksintöä ei ole tarkoitus kuitenkaan yksinomaan rajoittaa.

91313 3

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukainen tuulivoimala periaatteellisena kaaviomaisena esityksenä.

Kuviossa 2 on esitetty keksinnön mukaisen tuulivoimalan vaihde poikkileikkauskuvanto-5 na.

Kuviossa 3 on esitetty suurennetussa mittakaavassa osittaiskuvanto kuviosta 2 kohdasta, jossa hammasholkki liittyy pääakseliin.

10 Kuviossa 4 on esitetty pääakselin aksiaalisuuntaisen voiman vastaanottava päätylaake-rointi.

Kuviossa 5 on esitetty pääakselin tuulivoimalan tuuliroottorin puoleisen päädyn laakerointi.

15

Kuviossa 6A on esitetty tuulivoimalan vaihteisto sivulta.

Kuviossa 6B on esitetty vaihteisto kuvion 6A nuolen K suunnasta katsottuna.

20 Kuviossa 7A on esitetty tekniikan tason mukainen pääakselin hammaspyörän ja sivuakselin hammaspyörän hammasrynnön kosketuskuvio kuormittamattomassa tilanteessa.

Kuviossa 7B on esitetty kuvio 7A kuormitustilanteessa. Pääakseli on siipiin aiheutunei-25 den voimien vaikutuksesta taipunut ja kääntynyt kulmaan, jolloin hammasrynnön kosketuskuvio muuttuu (merkitty leikkausviivoilla) kuviossa 7B esitetyksi.

Kuviossa 7C on esitetty ratkaisu kuviossa 7B esiintyvän ongelman ratkaisemiseksi. Tällöin pääakselin ja sivuakselin välillä käytetään hammaskytkintä, jossa ainakin 30 toinen hammastus on bombeerattu. Bombeeratun hammastuksen ja siihen nähden yhteistoiminnallisen suoran hammastuksen välinen kosketusalue on ellipsi. Hammaskyt- 4 kin sallii pääakselin kääntymän ilman, että mainittu kääntymä siirtyy pääakselin hammaspyörän ja sivuakselin hammaspyörän väliseen ryntöön.

Kuviossa 7D on esitetty hammaskytkimen bombeerattu hammas päältä.

5

Kuviossa 1 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön mukainen tuulivoimala 10. Tuulivoimala 10 käsittää tuuliroottorin 11, joka käsittää yhden tai useamman siiven eli lavan 12a, 12b..., kuviossa esitetysti kaksi lapaa 12a, 12b, jotka on kiinnitetty pääakselissa 13 olevaan roottorinapaan 11a. Tuuli aikaansaa lapoihin 12a, 12b vaikuttaessaan pääakselin 10 13 pyörinnän. Pääakseli 13 on laakeroitu laakerin 14 ja laakerin 15 avulla.

Tuulivoimala 10 käsittää holkkiakselin 16, joka on laakeroitu pyörimään laakereiden 17 ja 18 avulla. Holkkiakseli 16 käsittää sisäisen onton tilan D, jonka läpi pääakseli 13 on viety. Pääakselin 13 päätyyn on liitetty hammaskytkin 19, jonka avulla siirre-15 tään pääakselin 13 pyörintä holkkiakselille 16. Holkkiakseli 16 käsittää hammaspyörän 20, joka pyörittää akselin 21 hammaspyörää 23. Akseli 21 on laakeroitu pyörimään laakereiden 22a ja 22b varassa. Akseli 21 käsittää hammaspyörän 24, joka kytkeytyy toiminnallisesti akselin 25 hammaspyörän 27 kanssa. Akseli 25 on laakeroitu pyörimään laakereiden 26a ja 26b varassa. Akselilta 25 pyörintä siirretään hammas-20 pyörän 28 kautta akselin 29 hammaspyörälle 31. Akseli 29 on laakeroitu pyörimään laakereiden 30a ja 30b varassa. Akseli 29 liittyy kytkimeen 32 ja kytkin 32 liittyy sähkögeneraattoriin 33. Näin ollen tuuliroottorin 11 pääakselin 13 liike on muutettu ylennysvaihteen kautta sopivaksi sähkögeneraattorille 33, jolloin sähkögeneraattorin 33 akselia pyöritetään optimaalisella kierrosluvulla ja tuotetaan siten sähkögeneraattorilla 25 33 sähköenergiaa. Jarru J on liitetty akselin 29 toiseen päätyyn. Edellä mainittu kokonaisuus on kierrettävissä oikeaan tuulensuuntaan toimimoottorilla M tuulivoimalan 10 tornin T päässä.

Kuviossa 2 on esitetty tuulivoimalan 10 vaihteisto poikkileikkauskuvantona. Vaihteisto 30 käsittää perusrungon 34, johon liittyy kansi 35. Kanteen 35 liittyy edelleen laakerikote-lo 36. Kotelo 36 on liitetty ruuvein Rj kanteen 35.

91313 5 Pääakseliin 13 on liitetty kiilalla 39 hammasholkki 37, joka käsittää ulkopuolisen hammastuksen 38. Hammastus 38 on bombeerattu.

Laitteisto käsittää edelleen toisen hammasholkin 40, joka on varustettu sisäpuolisella 5 ensimmäisellä hammastuksella 41, joka on suora hammastus ja sisäpuolisella toisella hammastuksella 42, joka on myös suora hammastus. Hammasholkin 40 ensimmäinen sisäpuolinen hammastus 41 kytkeytyy toiminnallisesti hammasholkin 37 ulkopuoliseen bombeerattuun hammastukseen 38. Hammastusten 41 ja 42 välissä on olake 43, joka vaihteen ollessa koottuna tulee sijaitsemaan hammasholkin 37 päätyolakkeen 44 ja 10 päätyholkin 45 päätypinnan 45’ välissä ja on siten mainittujen osien paikallaan pitämänä tietyllä aksiaalisella alueella.

Päätyholkki 45 käsittää suoran ulkopuolisen hammastuksen 46, joka on yhteistoiminnallinen hoikin 40 sisäpuolisen toisen suoran hammastuksen 42 kanssa.

15

Hammasholkki 45 on kiinnitetty ruuveilla ja sokilla R2 holkkiakselin 13 päätyyn.

Keksinnön puitteissa on mahdollinen myös suoritusmuoto, jossa pääakseliin 13 kiilalla 39 liitetty hammasholkki 37 käsittää ulkopuolisen suoran hammastuksen 38. Tällöin 20 hammastuksen 38 kanssa yhteistoiminnallinen hammasholkin 40 hammastus 41 on bombeerattu.

Kuviossa 3 on esitetty hammasholkin 37 yhteistoiminnallisuus siihen nähden ulkopuoliseen hammasholkkiin 40 suurennetussa mittakaavassa. Nuolin S on esitetty liikkeen 25 siirtyminen hammaskytkimen kautta pääakselilta 13 holkkiakselille 16.

Kuviossa 4 on esitetty päätylaakerin 47 rakenne. Pääakselin kavennettu pääty 47a on asetettu laakerienkaan 48 sisälle. Laakerirullat 49 sijaitsevat sisimmäisen laakerienkaan 48 ja ulommaisen laakerienkaan 50 välillä ja muodostavat laakerikehän 51.

30 Pohjarengas 52 käsittää kolot 53, joiden läpi jouset 54 on sovitettu. Jouset 54 sijaitsevat päätykannen 55 koloissa 56. Jouset 54 pitävät jousivoimallaan laakerirullat 6 kosketuksessa vierintäpintoihin, silloinkin kun aksiaalivoimaa ei esiinny ts. kun tuulivoimala seisoo.

Kuviossa 5 on esitetty laakerin 14 rakenne. Laakeri 14 on pullomainen rullalaakeri, joka 5 käsittää sisimmäisen laakerienkaan 57 ja ulommaisen laakerienkaan 58 ja niiden välillä laakerirullat 59a,59b... laakerikehillä Kj ja K2. Pääakseli 13 on liitetty kartioholkin 60 kautta laakerirenkaaseen 57. Laakerirengas 57 käsittää kartioholkin 60 kartiopinnan 61a kanssa yhteistoiminnallisen kartiopinnan 61b. Kartioholkki 60 käsittää päädyssään kierteen 62, johon on kierrettävissä kiristysholkki 63, joka käsittää 10 kierteiden 62 kanssa yhteistoiminnalliset kierteet 64. Hoikkia 63 kiertämällä liikutetaan kartioholkkia 60 aksiaalisesti (suunta X). Tällöin kiristetään holkki 60 akselia 13 vasten ja säädetään samalla kartiorullalaakerin laakerirullien 59a,59b... ja laakerirenkaiden 57,58 välisiä säteittäisvälyksiä.

15 Kuviossa 6A on esitetty tuulivoimalan vaihteisto sivulta. Perusrunkoon 34 liittyy kansi 35, johon on liitetty edelleen laakeripesä 36. Perusrungon 34 sivulle on asetettu sähkö-pumppu 65, jonka avulla pumpataan voiteluöljyä vaihteen hammaspyörille ja laakereille.

20 Kuviossa 6B on esitetty kuvanto kuviosta 6A nuolen K suunnasta.

Kuviossa 7A on esitetty tekniikan tason mukainen pääakselin ja sivuakselin välisten hammaspyörien välisen hammasrynnön kosketuskuvio. Kuormittamattomassa tilanteessa on kosketuskuvio kuviossa 7A esitetyn kaltainen, jolloin hampaiden välisessä kosketuk-25 sessa tapahtuu kosketus liukuen ja osittain pyörien koko hampaan matkalta (suunta X).

Kuviossa 7B on esitetty tilanne, jossa tuulivoimalan pääakseli saa tuulivoimalan siipeen aiheutuvan voiman vaikutuksesta kulmasiirtymän, jolloin myös akselilla oleva hammaspyörän ryntö ja kosketus viereiseen hammaspyörään jää epätäydelliseksi. Seurauksena 30 on rynnössä olevien hampaiden nopea kuluminen.

91313 7

Kuviossa 7C on esitetty ratkaisu kuviossa 7B esiintyvään ongelmaan. Keksinnön mukaisesti käytetään pääakselin ja sivuakselin välillä hammaskytkintä 19, joka muodostaa nivelen pääakselin 13 ja holkkiakselin 16 välille ja sallii pääakselin 13 kulmasiirtymän. Tällöin ei aiheudu ongelmia holkkiakselin 16 hammaspyörän 20 ja 5 sivuakselin 21 hammaspyörän 23 väliseen ryntöön. Edullisimmin on hammasholkin 37 ulkopuolinen hammastus 38 bombeerattu. Kukin hammas 38a,38b... käsittää kaarevan säteellä R jyrsityn pintamuodon, jolloin pääakselin saadessa kulmasiirtymän, pysyy rynnön kosketuskuvio kuviossa 7C esitetysti ellipsinä. Hammaskytkin 19 toimii siten nivelmäisesti, jolloin pääakselin kulmasiirtymä ei aiheuta ongelmia holkkiakselin 16 ja 10 sivuakselin 21 välillä olevien hammaspyörien 20,23 väliseen ryntöön.

Kuviossa 7D on esitetty kuvion 7C hammaskytkimen 19 hammas päältäpäin. Kuvion esityksestä ilmenee, että bombeeraus on suoritettu paitsi pystyakselin Z suunnassa myös sivuttaisakselin Y suunnassa hampaan molemmille kylkipinnoille.

15

Claims (13)

8

1. Tuulivoimala (10), jonka avulla muutetaan tuulen energia sähköenergiaksi, johon tuulivoimalaan (10) kuuluu yksi- tai useampisiipinen (12a, 12b...) tuuliroottori (11), joka 5 on edelleen liitetty tuulivoimalan (10) pääakseliin (13), ja johon tuulivoimalaan (10) kuuluu pääakselin (13) ja sähkögeneraattorin (33) välillä hammasvaihteisto, jonka avulla muutetaan pääakselin (13) pyörintänopeus sähkögeneraattorille (33) sopivaksi, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluu holkkiakseli (16), jonka sisäisen onton tilan (D) kautta on viety pääakseli (13), johon tuuliroottori (11) on liitettyjä että laitteistoon 10 kuuluu pääakselin (13) ja holkkiakselin (16) välillä hammaskytkin (19), ja että hammaskytkimellä (19) on bombeerattu hammasmuoto, joka tekee mahdolliseksi pyörintäliikkeen siirron tuuliroottorilta (11) sähkögeneraattorille ilman pääakselin kul-masiirtymän häiritsevää vaikutusta, jolloin pääakselin (13) pyörintäliike siirretään häiriöttömästi tuuliroottorilta (11) pääakselille (13) ja hammaskytkimen (19) kautta 15 pääakselia (13) ympäröivälle holkkiakselille (16) ja holkkiakseliin (16) liittyvän hammaspyörän (20) kautta edelleen muille vaihteiston akseleille ja edelleen sähkö-generaattorille (33).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että pääakselin 20 (13) ja holkkiakselin (16) väliseen hammaskytkimeen (19) kuuluu pääakseliin (13) liittyvässä hoikissa (13) oleva ulkopuolinen hammastus (38) ja sitä ympäröivä ham-masholkki (40), jossa on sisäpuolinen hammastus (41) hammastusten (38,41) ollessa yhteistoiminnalliset, ja että hammasholkki (40) liittyy toiminnallisesti holkkiakseliin (16). 25

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että ham-masholkkiin (40) kuuluu myös toinen hammastus (42), joka on edullisesti myös suora hammastus, joka on yhteistoiminnallinen holkkiakseliin (16) liittyvän päätyholkin (45) ulkopuolisen hammastuksen (46) kanssa. 30 91313 9

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että pääakselin (13) hammastus (38) on bombeerattu ja että sen kanssa yhteistoiminnallinen hammaskytkimen (19) hammastusta (38) ympäröivän hoikin (40) sisäpuolinen hammastus (41) on suora hammastus. 5

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-3 mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että pääakselin (13) hammastus (38) on suora hammastus ja sen kanssa yhteistoiminnallinen hammastusta (38) ympäröivän hoikin (40) hammastus (41) on bombeerattu hammastus.

6. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että hammaskytkimen (19) bombeerattu hammastus on kaareutettu sekä hampaan korkeussuunnassa (Z-suunta) että hampaan leveyssuunnassa (Y-suunta).

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että hammasholkin (40) ensimmäisen sisäpuolisen hammastuksen (41) ja toisen sisäpuolisen hammastuksen (42) välissä on olake (43), joka vaihteen ollessa koottuna tulee sijaitsemaan hammasholkin (37) päätyolakkeen (44) ja päätyholkin (45) päätypin-nan (45') välissä ja on siten mainittujen osien paikallaan pitämänä tietyllä aksiaalisella 20 alueella.

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että pääakseli (13) on laakeroitu vaihteiston runkoon nähden laakerien (14,15) avulla ja että holkkiakseli (16) on laakeroitu vaihteiston runkoon nähden laakereiden 25 (17,18) avulla, ja että laitteisto käsittää pääakselin (13) aksiaalisuuntaiset (suunta X) voimat vastaanottavan päätylaakerin (47).

9. Edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että päätylaakeriin (47) kuuluu rullalaakerit (49) tai vastaavat laakerienkaan (48,50) välillä 30 ja että on yksi tai useampi jousi (54), joka on sovitettu puristamaan laakerirengasta siten, että laakerirullat (49) pysyvät kosketuksissa vierintäpintoihinsa. 10

10. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että pääakselin (13) tuuliroottorin (11) puoleinen laakeri (14) on rullalaakeri ja edullisesti kartiorullalaakeri.

11. Edellisen patenttivaatimuksen mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että laakeriin (14) kuuluu laakerienkaan (57) kartioholkin (60) kartiopinnan (61a) kanssa yhteistoimiva kartiopinta (61b), jolloin kartioholkkia (60) liikuttamalla aksiaalisuuntai-sesti kiinnitetään laakeri (14) haluttuun aksiaaliseen asemaan pääakseliin (13).

12. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen tuulivoimala, tunnettu siitä, että laitteisto muodostaa yhden integroidun kokonaisuuden, jolloin tuuliroottori (11), pääakseli (13) ja siihen liittyvä vaihteisto, kytkin ja sähkögeneraattori (33) on siirrettävissä yhtenä kokonaisuutena tuulivoimalan torniin (T).

13. Menetelmä tuulivoimalan (10) sähkögeneraattorin (33) käytössä, joka tuulivoimala (10) käsittää tuuliroottorin (11) ja siinä yhden tai useamman siiven (12a, 12b, 12c), jotka on liitetty tuuliroottorin (11) napaan (11a), joka tuuliroottorin napa (11a) on liitetty pääakseliin (13) ja joka tuulivoimala (10) käsittää vaihteiston, edullisesti hammasvaih-teiston, jolloin pääakselin (13) pyörintä on muutettavissa sopivaksi vaihteiston jälkei- 20 selle sähkögeneraattorille (33), tunnettu siitä, että tuuliroottorin (11) aikaansaama pyörintä siirretään pääakselilta (13) pääakselin (13) hammaskytkimen (19) kautta pääakselia (13) ympäröivälle holkkiakselille (16), jolloin hammaskytkin (19) käsittää hammastuksen, joka on yhteistoiminnallinen hammastusta ympäröivän hoikin (40) sisäpuolisen hammastuksen kanssa, ja että ympäröivä holkki (40) on hammastuksen 25 kautta liitetty toiminnallisesti holkkiakseliin (16), jolta liike siirretään hammaspyörän (20) kautta sivuakseleille (21,25,29) ja niiltä edelleen edullisesti kytkimen (32) kautta sähkögeneraattorille (33), jolloin hammaskytkimellä (19) on bombeerattu hammas-muoto, joka tekee mahdolliseksi pyörintäliikkeen siirron tuuliroottorilta sähkögeneraattorille ilman pääakselin kulmasiirtymän häiritsevää vaikutusta. 30 11 91313