NO320790B1 - Vindkraftverk - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder et vindkraftverk som angitt i innledningen til patentkrav 1.

Kjent teknologi og dens svakheter

En betydelig teknisk utfordring ved konstruksjon og utvikling av vindkraftverk er å unngå

at bøyemomentet som virker på turbinnavet fra bladene fører til ødeleggende deformasjoner i resten av konstruksjonen. Spesielt gjelder dette deformasjoner som kan påvirke luftgapet mellom rotor og stator når turbinakselen bærer en elektrisk generator uten mellomliggende girboks, eller deformasjoner som fører til at tannhjulene i girboksen blir utsatt for uforutsatte krefter som begrenser dens levetid i forhold til forutsetningene, der hvor en girboks benyttes mellom turbinakselen og generatoren.

Det er kjent ulike forslag til vindkraftverk, hvor en vindturbin som driver en generator er montert på toppen av ei bæresøyle eller tårn. En løsning er å koble vindturbinens nav direkte til generatorens rotor som igjen er lagret på et fundament forbundet med tåmtoppen, og hvor stator er forankret mot det samme fundamentet uten at rotors og stators bevegelse er forsøkt ko-ordinert i forhold til hverandre. Erfaringen har vist at man med denne konstruksjon ikke har god nok kontroll med luftspalten mellom rotor og stator ved bøyemomentpåvirkning på turbinakselen fra vindturbinens nav, og at generatoren ikke kan ferdigstilles for bruk før under plassmontasje.

En annen løsning er forslått i tysk offentliggjøringsskrift 4.4 02.184 , hvor vindturbinens nav er koblet direkte til generatorens rotor, uten mellomliggende girboks, og hvor rotor og stator er forbundet med hverandre gjennom to lager som gir en ko-ordinert bevegelse. Denne løsningen muliggjør at generatoren kan ferdigstilles som en samlet enhet i verkstedet og uttestes før plassmontasje.

Beregninger viser at selv med denne løsningen, og når vindturbinen passerer en viss størrelse i effekt og vekt, vil ikke denne utformingen sikre en så konstant luftspalte som ønskelig uten at dimensjonene på det bærende fundament blir unødig store.

Det er også foreslått å feste generatoren på motsatt side av vindturbinen i forhold til tårntoppen, og forbinde vindturbinen med generatoren via en turbinaksel mellom navet og generatorens rotor - enten stift forbundet eller via en kobling som ikke overfører bøyemoment, og uten mellomliggende girboks - og hvor turbinakselen og generatoren er lagret i en støtteariordning med to eller flere lagre integrert i støtteanordningen. Med dette arrangementet ønsker man å redusere utbøyningen som virker på den delen av akselen hvor generatoren befinner ved å tvinge akselen via radiale reaksjonskrefter fra lagrene tilbake til nøytral posisjon i forhold til den utbøyningen akselen ville hatt uten denne anordning, for på denne måte å oppnå et så konstant og lite luftgap som mulig mellom rotor og stator. Med denne løsningen påføres lagrene store lagerkrefter, samt at konstruksjonen krever et svært stivt fundament for å kunne oppta de økte kreftene.

Fra US-patentskrift 2.153.523 (Roberts) og fra 2.177.801 (Erren) er det kjent ved en vindturbin å lagre en første rotor i en rørformet, roterende opplagret aksel som bærer en andre og kontraroterende rotor. Disse løsningene er ikke egnet for oppbygging av de høgeffekts generatorer som er aktuelle i dag.

Fra US-patentskrift 4.039.848 (Winderl) er det kjent å montere generatoren til en vindturbin på en utragende turbinaksel. Den totale belastning på opplagringen ved en slik løsning vil være uakseptabel for vindkraftverk over en viss størrelse. Den vil også av andre grunner være problematisk å utnytte ved høge effekter.

Formål

Hovedformålet med oppfinnelsen er å lage et vindkraftverk hvor generatorens stator og rotor under drift mest mulig beholder sin forutsatte avstand i forhold til hverandre (luftgapet), uavhengig av utbøyningen som turbinakselen utsettes for grunnet bøyemomentet som virker på vindturbinens nav i de tilfeller hvor turbinakselen er koblet direkte til generatoren. I de tilfeller en girboks benyttes mellom turbinakselen og generatoren, må oppfinnelsen sørge for at girboksen ikke utsettes for uforutsette krefter fra turbinakselen som begrenser dens levetid i forhold til forutsetningene.

Oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse er angitt i patentkrav 1. Dette kan løses på ulike konstruktive måter som kan tilpasses ulike vindturbinstørresler og ulike generatorkonstruksjoner.

Foreliggende oppfinnelse gjelder opplagringen av turbinakselen i et vindkraftverk drevet av en vindturbin i den ene akselenden, og hvor en elektrisk generator er koblet til akselen enten utvendig i forhold til to lagerhus, eller mellom et turbinvendt lagerhus og et bakre lagerhus, på en slik måte at bøyemomentet som påvirker akselen grunnet krefter som virker på vindturbinens nav minst mulig påvirker geometrien til luftspalten mellom generatorens rotor og stator ved et lagringsprinsipp svarende til patentkrav 1.

Med denne løsningen oppnås en gunstig kombinasjon av enkel oppbygning og fordelaktige akselopplagringsegenskaper som bidrar til å holde luftgapet mellom generatorens rotor og stator så lite og konstant som mulig under drift av vindkraftverket, og uten at lagrene utsettes for store krefter forårsaket av bøyemomentet som til enhver tid virker på navet.

Dette muliggjøres av en dreiemomentoverføring fra turbinakselen til rotoren, videre via det elektriske kraftfeltet mellom rotor og stator og via en ikke- roterende kobling til et av eller begge lagerhusene, eventuelt direkte til fundamentet.

Ytterligere gunstige detaljer ved oppfinnelsen er angitt i patentkrav 2-10.

I de tilfeller hvor det benyttes en girboks mellom turbinakselen og generatoren muliggjør oppfinnelsen å koble girboksens innaksel direkte til turbinakselen, som videre bærer girbokshuset som videre bærer et generatorfundament som igjen bærer generatoren, og hvor generatorens rotor er koblet til girboksens utaksel, enten ved en stiv eller elastisk kopling. Dreiemomentoverføringen fra generatorens rotor til stator og videre til hovedfundamentet vil også i dette tilfellet skje via den samme prinsippielle ikke-roterende koplingen som beskrevet nednefor for den direktedrevne generatoren.

Eksempel

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under henvisning til figurene, hvor fig. 1 viser et vertikalsnitt gjennom en utførelsesform av to-sidig opplagring av statoren på akselen, fig. 2 viser et vertikalsnitt gjennom en tilsvarende utførelsesform med en-sidig opplagring av statoren på akselen,

fig. 3 viser et vertikalsnitt av en tredje utførelsesform, hvor stator er en-sidig opplagret og forankret til akselen,

fig. 4 viser et vertikalsnitt gjennom en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen, der generatoren er plassert mellom to lagerhus, mens

Fig. 5 viser en perspektivskisse av en alternativ utførelsesform av en ikke-roterende kopling.

Oppfinnelsen er illustrert i Figur 1 anvendt på en løsning hvor turbinakselen er koblet direkte til generatoren. Den viser et vertikalsnitt i lengderetning gjennom en akselopplagring i samsvar med en utførelsesform av oppfinnelsen. På toppen av et tårn 1 er det plassert og forankret en horisontalt liggende tannkrans 2 som benyttes for dreining av den overliggende delen av vindkraftverket som beskrevet nærmere nedenfor. Over tannkransen ligger et stivt fundament 4 som tjener som basis for all akselopplagringen. Fundamentet er gjort dreibart i forhold til tannkransen 2 om dens vertikale akse med hensiktsmessig opplagring. Dreiningen iverksettes med en motor 3 plassert ved kanten av fundamentet 4 med nedragende aksel med et tannhjul 5 som griper inn med tannkransen 2.

Fundamentet 4 danner sokkel for to lagerhus, et fremre, turbinvendt lagerhus 6 og et bakre lagerhus 7 som sammen bærer turbinakselen 8 som igjen i prinsipp bærer komplett generator 11 mellom lagerhusene 6, 7. Hvert lagerhus opptar en lagerenhet 9,10 og er forankret til fundamentet 4 med skruer 21.

Rotoren bæres av generatoraksel 22 som kan være en fortsettelse av turbinakselen 8, mens hele statorhuset 17 er lagret i lagrene 15, 16 på akselen 8. Lagrene 15, 16 sikrer et så konstant og lite luftgap 18 som mulig mellom stator 19 og rotoren 12 uavhengig av akselens utbøyning.

Dreiemomentet fra turbinakselen 8, som ved hjelp av et elektrisk kraftfelt overføres til statorhuset 17, overføres til fundamentet 4 via en ikke-roterende kobling 20.

I Fig. 6 og 7 er det vist en alternativ utførelsesform av oppfinnelsen. Her er det plasser en girboks 29 mellom turbinakselen 8 og generatoren 31, som begge er i hovedsak som beskrevet foran. Både girboks 29, generatorfundament 30 og generator 31 kan fritt følge turbinakselens 8 bevegelse i området mellom lagerhus 7 og dens forbindelse mot girboks 29, med unntak av i turbinakselens dreiemomentretning. En ikke-roterende koplingen 33 sørger for at dreiemomentet overføres fra turbinakselen 8 via girboksen 29 til generatoren 31 og hovedfundamentet 4, og sørger for at de skadelige krefter som ellers ville ført til skadelige deformasjoner på girboks og generator blir begrenset til et minimum eller eliminert i sin helhet. Den ikke-roterende koblingen 33 omfatter en brakett 34, i eksemplet i form av to armer som rager ut fra hovedfundamentet 4 i retning mot generatoren 31, og som er stivt forbundet med hovedfundamentet og ved den fri enden forbundet med et tversgående åk 35. Videre er det til den fri enden festet et kneledd med to leddarmer 36, 37 som er leddforbundet ved henholdsvis brakettenden eller åket 35 og ved en brakett 38 på sida av girboksen 29. Det kan eventuelt finnes et tilsvarende, symmetrisk anbragt kneledd på den andre siden.

Virkemåte

Virkemåten av denne utformingen er i hovedsak beskrevet av eksempelbeskrivelsen foran og Figur 1. Tyngden av og kreftene som virker på akselen 8 og generatoren 11 vil bli opptatt i lagrene 9, 10 og overført til fundamentet 4. Turbinakselen 8 overfører dreiemomentet direkte til generatorens rotor 12. På turbinakselen er så statorhuset 17 direkte opplagret. En hensiktsmessig dimensjonering av akselen i området rundt generatoren 11 sikrer en tilstrekkelig stivhet i konstruksjonen for å kunne holde et så konstant og lite luftgap 18 som mulig mellom rotor 12 og stator 19. En ikke-roterende kobling 20 i form av en platering med ei sentral, rundtløpende knekkrille som øker bøyeligheten i aksial retning, sørger for at dreiemomentet som virker på statorhuset 17 via det elektriske kraftfeltet fra rotoren 12 blir opptatt i fundamentet 4 med minimal overføring av bøyemoment.

Den ikke-roterende koblingen 20 utføres og dimensjoneres altså slik at den i hovedsak bare tar opp dreiemoment fra vindturbinen, og ikke hindrer utbøyninger av generatorakseenl 22 på grunn av bøyemomentet som virker på den fra vindturbinens nav.

Statorhuset 17 vil med dette følge rotoren 12 og generatorakselen 22 sine bevegelser, og luftgapet 18 vil holdes tilnærmet konstant.

Hele konstruksjonsløsningen gjør det mulig å teste ut vindturbinen og generatoren som en komplett enhet før plassmontasje, samt løfte og montere den på tåmtoppen som en driftsklar enhet.

Modifikasjoner

I fig. 2 er det vist en alternativ utførelseform, hvor like deler er forsynt med samme henvisningstall som i fig. 1, og hvor generatorakselen 22 er ført gjennom ei dobbeltlagret hylse 23 som danner et statornav som med et nytt lager 24 bærer rotoren 12. Generatorakselen 22 er med ei skive 25 ved den fri enden forankret til rotoren 12 for overføring av dreiemoment til denne.

I fig. 3 er det vist en ytterligere utførelsesform under samme forutsetninger. Her er ei statorskive 17 med et nav dobbeltlagret på generatorakselen 22 og ført ut til en flens ved en ende, som bærer de aktive statordeler.

I fig. 4, som er påført samme henvisningstall som i figurene foran, er det vist en utførelsesform som i forhold til fig. 1-3 skiller seg ved at generatoren er plassert mellom de to lagerhusene 6, 7. Den ikke-roterende koblingen 20 er her forankret på tilsvarende måte til lagerhuset 6 som ligger opptil vindturbinen.

Generelt gjelder det for den ikke-roterende koblingen 20 at denne kan forankres til et av lagerhusene, eventuelt direkte til fundamentet 4.

I fig. 5 er det vist en ytterligere modifisert utførelsesform av fundamentet 4 og lagerenhetene 6,7. Her er statoren 19 forsynt med et radialt armpar 26, som ligger horisontalt opp mot fundamentet 4. Fundamentet 4 bærer en bjelke 27 plassert parallelt med armparet 26. Ved begge ytterendene er armparet og bjelken forbundet med dempeelement 28 som kan oppta dreiemoment, men ikke bøyemoment og aksiale krefter. Dempeelementene 28 er utformet slik at de kan fange opp de dreiemomentstøt som kan forekomme, f.eks. på grunn av kortslutning.

Claims (7)

1. Vindkraftverk med en vindturbin som over en turbinaksel (8) er forbundet med generatoraksel (22), som kan være en fortsettelse av turbinakselen (8), til en rotor (12) i en elektrisk generator (11), hvor rotoren (12) er omgitt radialt av en stator (19) og hvor turbinakselen (8) er opplagret i to lagerhus (6,7) med lager (9,10), plassert på et fundament (4) på toppen av et tårn(l), karakterisert ved- at generatorakselen (22) er en del av eller er stivt forbundet med en bøybar turbinaksel (8), - at både statoren (19) og rotoren (12) er båret av generatorakselen (22), slik at hele generatoren (11) kan følge bøyningen av turbinakselen (8), samt - at statoren (19) er låst mot dreining av en ikke-roterende kobling (20) som ikke overfører bøyemoment eller aksialbelastning som hindrer utbøyning av turbinakselen (8) ved bøyemomentet som virker inn på turbinakselen (8) fra navet, idet lagrene (9) og (10) er innrettet for å muliggjøre bøyning av turbinakselen (8).

2. Vindkraftverk i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at den ikke-roterende koblingen (20), som er innrettet for å overføre dreiemoment og minimalt bøyemoment, omfatter en platering med en rundtløpende knekksone, som forbinder statoren med et lagerhus.

3. Vindkraftverk i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved at statoren (19) er opplagret på generatorakselen (22) ved sin ene ende eller med dobbeltlager, og at rotoren (12) er forankret direkte til generatorakselen eller med ei skive til generatorakselens ende.

4. Vindkraftverk i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at statoren (11) er båret to-sidig ved hjelp av sideplater (17) som støtter statoren bøyefast mot generatorakselen (22) og turbinakselen (8), med feste på lagerkranser (15,16) som er opplagret på generatorakselen.

5. Vindkraftverk i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at statoren (11) er båret en-sidig ved hjelp av ei sideplate (17) som støtter statoren bøyefast mot generatorakselen (22) og turbinakselen (8), med feste på lagerkranser (15,16) som er opplagret på generatorakselen.

6. Vindkraftverk i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved at statoren (19) og fundamentet (4) er forbundet med hverandre ved hjelp av et par kraftoverføringselement (28) som er plassert radialt i avstand fra generatorakselen (22) for å overføre dreiemoment, for eksempel i form av elastiske dempeelement som er plassert mellom endene på et armpar (26) på statoren og en med denne innbyrdes parallell bjelke (27) festet til fundamentet (4), idet kraftoverføringselementene (28) overfører dreiemoment fra statoren (19) til fundamentet (4) uten å oppta bøyemoment eller aksialbelastning som hindrer utbøyning av turbinakselen (8) ved bøyemomentet som virker inn på akselen (8) fra navet og samtidig virker dempende på krefter som oppstår grunnet eventuelle kortslutninger i generatoren.

7. Vindkraftverk i samsvar med et av patentkravene 1-6, karakterisert ved at lagrene (9) og (10) er sfæriske lagre.