SE518617C2 - Anordning för överspänningsskydd vid en vindturbin - Google Patents

Description

Iflunn 518 617 2 Pl024 SE Prio ansluter till rotoraxeln. En blixturladdning avleds från vindturbinen via ett gnisturladdningsgap mellan en stationär och en rörlig del. En nackdel med den kända lösningen är att den leder till stora belastningar på förbanden mellan respektive axel och isolerande skikt, exempelvis vid nödinbromsningar, eftersom den levande massan hos generatorn är stor. Risken är stor att isolermaterialet fläks bort från axeln.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att förenkla överspänningsskydd vid vindturbiner, samtidigt som en till högre effekter anpassad drivaxel utnyttjas. Anordningen för överspänningsskydd vid en vindturbin innefattar en drivaxel av fiberkomposit, vilken till en huvuddel utgörs av kolfiberkomposit. Drivaxeln innefattar ett i längdriktning genomgående hålrum. I ena änden av hålrummet är en anslutningsdel till ett rotorbladen förbindande nav inrättat att införas. Iden andra änden är en kopplingsdel till generatorn inrättad att införas. Hålrummet omges av ett med kolfiberkompositen integrerat bildat skikt av glasfiberkomposit, vilket är inrättat att elektriskt isolera anslutningsdelen respektive kopplingsdelen från drivaxelns kolfiberkomposit. Drivaxeln är förbunden med jord.

I en utföringsform av uppfinningen är drivaxeln inrättad att rotera i åtminstone två lager.

Dessa anligger mot drivaxeln via med kolfiberkompositen integrerade skikt av glasfiberkomposit. En släpring är inrättad att avleda strömmar från drivaxeln till jord.

I en fördelaktig utföringsform av uppfinningen får glasfiberkompositens tjocklek uppgå till 2-10 % av hela kompositstrukturens tjocklek. Genom att respektive skikt av glasfiberkomposit får vara relativt tunt i förhållande till kolfiberkompositen, bibehålls de egenskaper som gör kolfiberkompositen lämplig att utnyttja för stora drivaxlar, samtidigt som tillfredsställande isolering av den elektriskt ledande kolfiberkompositen uppnås.

I en annan utföringsform av uppfinningen är ett tunt skikt av glasfiberkomposit bildat på respektive kortsidor av drivaxeln, så att respektive ände av drivaxeln blir elektriskt isolerad.

Arn-- 518 617 3 P1024 SE Prio I ytterligare en utföringsform av uppfinningen är en metallisk styrdel integrerad med navet.

En släpring anligger mot den metalliska styrdelen, varigenom strömmari navet avleds till jord.

För att förhindra att strömmar kan passera genom lagren är ett isolerskikt anordnat mellan den metalliska styrdelen och ett mot detta angränsande lager vid en utföringsform av uppfinningen.

KORT FIGURBESKRIVNING Fig 1 visar schematiskt en sidovy av ett vindkraftverk, fig 2 visar schematiskt en koppling mellan vindkraftverkets rotornav och en generator, fig 3 visar ytterligare ett exempel på en koppling mellan rotornav och en generator.

FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I fig 1 anger hänvisningssiffra 1 generellt ett vindkraftverk uppbyggt av ett torn 2, ett vid tornets topp anordnat hus 3 och en vid huset 3 anordnad vindturbin. Tomet 2 är angjort vid marken antingen på land eller till havs.

I fig 2 visas de för uppfinningen väsentliga delarna av vindturbinen. Rotorblad 12 är operativt förbundna med en generator 9 så att ett vridmoment på rotorbladen 12 i generatorn 9 omvandlas till elektriskt ström. Rotorbladen 12 är fixerade vid en drivaxel 7 i vindturbinen via ett nav 4. En anslutningsdel 5 ansluter navet 4 till drivaxeln 7 på ett sådant sätt att när rotorbladen 12 börjar rotera, även drivaxeln 7 påförs rotationsrörelsen. En kopplingsdel 10 ansluter generatorn 9 till drivaxeln 7. Rotationsrörelsen överförs därigenom från drivaxeln 7 till generatorn 9, vilken omvandlar rotationsenergin hos axeln till elektrisk energi. Hur generatorn 9 är uppbyggd är inte föremål för föreliggande uppfinning. Det väsentliga är att drivaxeln 7 har en operativ koppling med generatorn 9 via en kopplingsdel 10, vilken i ett utförande kan utgöras av en del av generatorn 9.

Drivaxeln 7 utgörs av en cylinderformad kropp med ett i längdriktning genomgående hålrum. Vid stora vindturbiner är det ur viktsynpunkt fördelaktigt att låta hålrummet vara genomgående och med största möjliga diameter, eftersom detta medför väsentligt lägre vikt. Huvuddelen av drivaxeln 7 är utformad av en kärna av kolfiberkomposit 7a. v,,.. 513 617 f; 4 ; - .:.

Pl024 SE Prio Fiberkompositmaterialet är sammansatt av en plastbas förstärkt med kolfibertrâdar. Plasten är exempelvis epoxiplast, vinylesterplast eller polyesterplast. Detta materialval ger en mängd eftersträvansvärda egenskaper, bland annat har materialet låg vikt, hög hållfasthet och är styvt. Ett inre skikt av glasfiberkomposit 7b är vid den i figur 2 visade utföringsformen integrerat bildat med kolfiberkompositen utmed drivaxelns 7 innerdiameter så att det inre skiktet av glasfiberkomposit 7b avgränsar hålrummet.

Glasfiberkompositen är ett elektriskt isolerande material och drivaxeln 7 blir därigenom isolerad från det inre hålrummet. Kärnan av kolfiberkomposit 7a och respektive skikt 7b, 7c av glasfiberkomposit utgörs av ett flertal på varandra liggande tunna lager av kompositmaterial - ofta med olika fiberriktningar - vilka sammanfogas i en autoklavpress så att en integrerad struktur erhålls.

Genom att integrera ett eller flera glasñberkompositskikt med kolfiberkompositen i samband med tillverkning av drivaxeln 7, elimineras risken att isolerskiktet skiljs från axeln. Det integrerade skiktet av glasfiberkomposit, utgör en del av drivaxeln 7 och bidrar därför till att uppbära lasten på axeln.

Ett metalliskt nav 4 ansluter rotorbladen 12 till drivaxeln 7 med hjälp av en anslutningsdel , vilken är bildad i ett stycke med navet 4 eller på annat sätt är förbundet med detta.

Anslutningsdelen 5 håller med presspassning kvar navet 4 vid drivaxeln 7. Förbandet 13 mellan anslutningsdelen 5 och drivaxeln 7 kan även utgöras av andra typer av förband t ex limförband eller bultförband, såsom visas i figur 3. Anslutningsdelen 5 ansluter navet 4 till drivaxeln 7 på ett sådant sätt att när navet 4 börjar rotera, påförs även drivaxeln 7 rotationsrörelsen. Vid monterat tillstånd anligger anslutningsdelen 5 mot det isolerande inre skiktet av glasfiberkomposit 7b.

Vid den i figur 2 visade utföringsformen innefattar navet 4 även en styrdel 6, vilken antingen är utbildad i ett stycke med navet 4 eller en separat del monterad vid navet 4.

Styrdelen 6 utsträcker sig från navet 4 på drivaxelns 7 utsida och omfattar en vägg dimensionerad för att med spel omsluta drivaxeln 7 utefter en del av drivaxelns 7 längd.

Styrdelen 6 är avsedd att hålla navet 4 i läge i förhållande till drivaxeln 7 och medge obehindrad rotation.

I»:»: 518 617 P1024 SE Prio 5 Utmed drivaxelns 7 längd finns lager 8 anordnade som håller drivaxeln 7 i sitt läge och i vilka drivaxeln 7 roterar. Vid den i figur 2 visade utföringsformen får ett första lager 8 omge navets 4 styrdel 6, vilken därigenom bringas att rotera i lagret. Ett andra lager 8 omger själva drivaxeln 7 vid ett läge närmare generatorn 9. Lagren och framförallt lagerytorna är känsliga för höga strömmar, vilket medför att det är viktigt att skydda dessa ytor från de höga strömmar som kan uppstå vid en blixturladdning.

Ett elektriskt isolerande skikt av företrädesvis glasfiberkomposit är anordnat mellan respektive lager 8 och den del som lagret anligger mot. I de fall där lagren anligger direkt mot drivaxeln 7, är ett isolerande yttre skikt av glasfiberkomposit 7c integrerat bildat med kolfiberkompositen på utsidan av drivaxeln 7 så att denna helt eller delvis uppvisar en yttre yta av glasfiberkomposit. Lagren isoleras därigenom från de ytor som eventuellt kan vara elektriskt ledande.

Drivaxelns 7 inre skikt av glasfiberkomposit 7b isolerar den i änden anslutna generatorn 9 från en eventuell ström genom den elektriskt ledande kolfiberkompositen. För att säkerställa att en strömbana in i generatorn 9 inte kan uppstå, finns ingen anliggning mellan kopplingsdelen 10 till generatorn 9 och drivaxeln 7. Detta uppnås genom en luftspalt eller avfasning av ändytan på drivaxeln 7. Det är även möjligt att belägga drivaxelns 7 två ändytor med glasfiberkomposit så att hela drivaxeln 7 blir elektriskt isolerad, trots kärnan av den elektriskt ledande kolfiberkompositen. Genom att drivaxeln 7 utgörs av fiberkomposit, kan med fördel det förband som beskrivs i svensk patentansökan SE0l03610-2 ”Anordning och metod vid drivaxel” utnyttjas.

Vid den i figur 2 visade utföringsformen får en släpring 11 anligga mot den mekaniska styrdelen 6. Släpringen ll ansluter till jordpotential och utgör därför den naturliga strömbanan för en via rotorbladen 12 inkommande ström.

I det följande beskrivs en blixturladdning vid den i figur 2 visade utföringsformen. Vid blixtnedslag i en vindturbin uppstår en strömbana genom rotorbladen 12 och in i vindturbinens nav 4. Den elektriska strömmen leds vid den uppñnningsenliga anordningen vidare via styrdelen 6 till den släpring 11 som utgör den för strömmen lättaste banan till jord. På generatorsidan finns anliggning endast mellan det inre skiktet av glasfiberkomposit »|.|- 518 6617 P1024 SE Prio 7b på drivaxeln 7 och generatorn 9. Därigenom förhindras varje form av strömbana vidare in i generatorn 9.

I fig 3, visas en vindturbin där navet 4 fixerats vid drivaxeln 7 via ett bultförband 13.

Bultarna är i detta fall elektriskt ledande och en strömbana kan därför uppstå i kolfiberkompositen. Denna ström avleds dock genom en släpring ll, vilken får anligga mot en del av kolfiberkärnan 7a i drivaxeln 7. I figuren visas inte det isolerande skikt som bör finnas i direkt anslutning till varje lager 8, för att ytterligare minska risken att strömbanan fortplantas genom lagren. 518 617 7 P1024 SE Prio SAMMANSTÄLLNING AV HÄNVISNINGSBETECKNINGAR Vindkraftverk 1 Torn 2 Hus 3 Nav 4 Anslutningsdel 5 Styrdel 6 Drivaxel 7 Kärna av kolfiberkomposit 7a Inre skikt av glasfiberkomposit 7b Yttre skikt av glasfiberkornposit 7c Lager 8 Generator 9 Kopplingsdel 10 Släpring 11 Rotorblad 12 Förband 13 wrzu:

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 P1024 SE Prio 518 617 s PATENTKRAV 1. Anordning för överspänningsskydd vid en vindturbin, vilken innefattar en drivaxel (7) som är inrättad att operativt förbinda ett eller flera rotorblad (12) med en generator (9), kännetecknad av, - att drivazjceln (7) innefattar ett kärna av kolfiberkomposit (7a), - att drivaxeln (7) innefattar ett i längdriktning genomgående hålrum, i vars ena ände en anslutningsdel (5) till ett rotorbladen (12) förbindande nav (4) är inrättad att införas och i vars andra ände en kopplingsdel (10) till generatorn (9) är inrättad att införas, - att drivaxeln (7) även innefattar ett hålrummet omslutande inre skikt av glasfiberkomposit (7b), som är integrerat med kärnan av kolfiberkornposit (7a) i drivaxeln (7), för att elektriskt isolera anslutningsdelen (5) respektive kopplingsdelen (10) från drivaxeln (7), samt - att drivaxeln (7) är elektriskt förbunden med jord. Anordning enligt patentkrav l, kännetecknar] av, att drivaxeln (7) är inrättad att rotera i åtminstone två lager 8, vilka anligger mot drivaxeln (7) via ett elektriskt isolerande material och att åtminstone en släpring (11) anligger mot drivaxeln (7), varigenom strömmar genom drivaxeln (7) avleds till jord. Anordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av, att tjockleken hos det inre skiktet av glasfiberkomposit (7b) utgör 2-10 % av hela kompositstrukturens tjocklek. Anordning enligt patentkrav 3, kännetecknad av, att det inre skiktet av glasfiberkomposit (7b) är inrättat att utsträcka sig utmed drivaxelns (7) kortsidor så att respektive ände av drivaxeln (7) blir elektriskt isolerad. Anordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av, att en metallisk styrdel (6) är integrerad med navet (4) och att en släpring (11) anligger mot den metalliska styrdelen (6), varigenom strömmar i navet (4) avleds till jord. 518 617 9 P1024 SE Prio 6. Anordning enligt patentkrav 5, kännetecknad av, att ett isolerskikt är anordnat mellan den metalliska styrdelen (6) och ett mot detta angränsande lager (8). 7. Anordning enligt patentkrav l, kännetecknad av, att ett yttre skikt av glasfiberkomposit (7c) är inrättat att omge drivaxeln (7) utmed drivaxelns ytterdiameter.