Кольцевой генератор - RU2506682C2

Чертежи

Показать все 21 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Настоящее изобретение касается кольцевого генератора ветровой энергетической установки. Настоящее изобретение касается также способа управления ветровой энергетической установкой, и настоящее изобретение касается ветровой энергетической установки.

Предшествующий уровень техники

Ветровая энергетическая установка посредством электрического генератора преобразует принимаемую у ветра механическую энергию в электрическую энергию. При этом кольцевой генератор представляет собой медленно вращающийся генератор, который обходится без редуктора между вращающейся частью генератора и механическим ротором, который снабжен лопатками ротора. С этой целью кольцевой генератор снабжен множеством полюсов. Количество может составлять порядка 20-84 полюсов и более. При этом кольцевой генератор имеет относительно большой диаметр по сравнению с его осевой длиной. Например, кольцевой генератор современной ветровой энергетической установки номинальной мощностью 7 или более мегаватт имеет диаметр воздушного зазора, равный примерно 10 м, в то время как длина воздушного зазора в осевом направлении находится в пределах 1 м. При этом воздушный зазор известным образом представляет собой промежуточное пространство между статором и вращающейся частью электрического генератора. При этом вращающаяся часть и/или статор имеют характерную форму кольца, что послужило основанием для названия кольцевого генератора.

Из-за медленной скорости вращения вращающейся части кольцевого генератора ветровой энергетической установки, которая может находиться в пределах примерно от 5 до 50, в частности, от 10 до 30 оборотов в минуту, в качестве номинальной частоты вращения, самоохлаждение с помощью крыльчатки, механически жестко соединенной с вращающейся частью, исключено или, по меньшей мере, малоэффективно. Для сравнения здесь следует сослаться на другие генераторы, которые применяются у ветровых энергетических установок вместе с редуктором с высоким передаточным числом и имеют номинальные частоты вращения в пределах нескольких тысяч оборотов в минуту. Решения таких генераторов не могут быть перенесены на медленно вращающиеся кольцевые генераторы.

Из DE 10936591 A1 известен генератор для безредукторных ветровых преобразователей, представляющий собой внешнюю вращающуюся часть. Здесь вся магнитная эффективная часть генератора расположена вне гондолы. В целях охлаждения специально предлагается внешняя вращающаяся часть, причем, если смотреть в радиальном направлении, вращающаяся часть расположена вне статора. От расположенной внутри статора опоры ведут кронштейны к расположенной снаружи вращающейся части. Эти кронштейны одновременно выполнены в виде лопастей, чтобы нагнетать охлаждающий воздух в каналы охлаждения статора. Такая конструкция, однако, является крайне сложной и затратной.

В DE 102004046700 B4 для ветровой энергетической установки с кольцевым генератором, представляющим собой внутреннюю вращающуюся часть, предлагается с помощью вентилятора в кожухе гондолы подавать под давлением воздух в гондолу и через воздушный зазор кольцевого генератора, чтобы тем самым охлаждать кольцевой генератор.

В качестве известного уровня техники следует сослаться на следующие документы: DE 19636591 A1; DE 10246690 A1; DE 60021492 T2; DE 19608286 B4; DE 60029977 T2; EP 1837519 A2, а также DE 10233947 A1.

Для усиления охлаждения кольцевого генератора статор, в частности, кольцо статора может быть предусмотрено для водяного охлаждения, в частности, для направления водяного потока. Недостаток при этом заключается, однако, в том, что при применении водяного охлаждения, в частности, для металлического предмета, такого как кольцо статора, существует принципиальная опасность коррозии.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является по возможности улучшить кольцевой генератор, в частности, усилить и/или сделать более эффективным охлаждение кольцевого генератора, или, по меньшей мере, предложить альтернативный кольцевой генератор.

В соответствии с изобретением, таким образом, предлагается кольцевой генератор по п.1. Такой кольцевой генератор ветровой энергетической установки, который преобразует принятую у ветра механическую энергию в электрическую энергию, и включает в себя статор и вращающуюся часть, установленную с возможностью вращения относительно статора по оси вращения. В контексте кольцевого генератора здесь вместо ротора используется понятие вращающейся части, чтобы исключить возможную путаницу с механическим ротором ветровой энергетической установки, который образован в основном из ступицы ротора и, по меньшей мере, одной, чаще трех лопаток ротора. Использование понятия вращающейся части никоим образом не должно указывать на применяемый тип генератора. Но предпочтительно применяется синхронный генератор.

Статор включает в себя в основном периферическое кольцо статора для размещения пакета сердечника с обмотками статора. Вращательное движение вращающейся части относительно статора возбуждает в пакете сердечника переменное магнитное поле, что, в свою очередь, приводит к протеканию тока в обмотках статора и, вследствие потерь, вызывает нагрев статора.

Кольцо статора снабжено каналами охлаждения, предназначенными для охлаждения статора воздушным потоком. Таким образом, обеспечивается дополнительное воздушное охлаждение. Такие каналы охлаждения могут быть предусмотрены как для активного охлаждения, так и для пассивного охлаждения, или для комбинации того и другого. В случае активного охлаждения создается, таким образом, искусственный воздушный поток для охлаждения.

В соответствии с изобретением кольцевой генератор выполнен в виде внутренней вращающейся части. Соответственно, вращающаяся часть движется внутри статора. Например, воздушный зазор между вращающейся частью и статором выполнен практически в виде (короткой) цилиндрической оболочки. Сюда также может относиться расположение, при котором воздушный зазор в осевом направлении имеет несколько уменьшающийся или увеличивающийся диаметр и, поэтому, похож на конический участок. В частности, вращающаяся часть в виде кольца в радиальном направлении расположена при этом внутри также кольцеобразного статора. Статор установлен неподвижно в виде наружного кольца.

Предпочтительно предусмотрено, по меньшей мере, несколько каналов охлаждения для активного охлаждения форсированным воздушным потоком, и альтернативно или одновременно предусмотрено несколько каналов охлаждения для пассивного охлаждения ветром. В частности, предусмотрено устройство, которое создает воздушный поток, и соответствующие каналы охлаждения для активного охлаждения снабжены отверстием для впуска или, соответственно, выпуска соответствующего воздушного потока. Предпочтительно некоторые каналы охлаждения могут быть предусмотрены для активного, а другие для пассивного охлаждения.

Кроме того, предлагается соединенная со статором крышка статора для создания камеры нагнетания с повышенным или пониженным давлением, служащей для обеспечения активного воздушного потока через и/или по статору и/или вращающейся части для охлаждения кольцевого генератора. Такая крышка статора заключает в себе, таким образом, область, соседнюю с кольцевым генератором и граничащую с ним, в которой создается повышенное давление воздуха, и этот воздух может выходить наружу через участки в кольцевом генераторе, в частности, через каналы охлаждения в кольце статора и/или через воздушный зазор, так что возникает охлаждающий воздушный поток. Крышка статора включает в себя периферический, в частности, круглой формы участок крепления, предназначенный для крепления к статору, в частности, к кольцу статора. В остальном точной форме крышки статора, в сущности, не придается большого значения.

Согласно одному из вариантов осуществления кольцо статора относительно оси вращения имеет внутренний участок кольца, предназначенный для активного охлаждения, и наружный участок кольца, предназначенный для пассивного охлаждения, а крышка статора прикреплена к кольцу статора так, что только внутренний участок кольца обдувается активным потоком охлаждающего воздуха. В частности, крышка статора в радиальном направлении закреплена в имеющем круглую форму участке крепления между внутренним и наружным участком кольца. Внутренний участок кольца, таким образом, находится преимущественно внутри крышки статора и вместе с тем обращен к камере нагнетания крышки статора, в то время как наружный участок кольцевого пространства расположен вне крышки статора. Создаваемый камерой нагнетания в крышке статора воздушный поток достигает, таким образом, только внутреннего участка кольца.

В остальном следует отметить, что в принципе в крышке статора также может быть создано пониженное давление воздуха, чтобы всасывать воздух через отверстия в кольцевом генераторе в направлении крышки статора.

Предпочтительно крышка статора предназначена для того, чтобы служить опорой для кольца статора, которое, в свою очередь, служит опорой для пакета сердечника с обмотками статора. При этом крышка статора может быть закреплена на кольце статора. Кольцо статора в этом случае через крышку статора закреплено на основании машины. Но в остальном крышка статора не ограничена крышкообразным исполнением, а может также принимать общую форму кожуха или тому подобного.

По другому варианту осуществления в крышке статора предусмотрено, по меньшей мере, одно отверстие воздуходувки, укомплектованное воздуходувкой. С помощью такой воздуходувки воздух может вдуваться в камеру нагнетания, чтобы создавать воздушный поток через и/или по статору и/или вращающейся части для охлаждения кольцевого генератора. Альтернативно такая воздуходувка может также обеспечивать пониженное давление воздуха в камере нагнетания, чтобы создавать встречный воздушный поток. Также могут быть предусмотрены две или более воздуходувок в крышке статора.

Предпочтительно некоторые или все каналы охлаждения проходят в осевом направлении относительно оси вращения. Таким образом, кольцевой генератор, по меньшей мере, частично предусмотрен для охлаждающих воздушных потоков в осевом направлении.

Предпочтительно множество каналов охлаждения концентрически расположено вокруг оси вращения и образует, по меньшей мере, одну кольцеобразную область охлаждения.

Согласно другому варианту осуществления кольцевой генератор отличается тем, что кольцо статора относительно оси вращения в радиальном направлении включает в себя одно внутреннее и одно наружное, и опционально одно среднее, стабилизирующее опорное кольцо, при этом между двумя опорными кольцами образована область охлаждения круглой формы. Кольцо статора разделено, таким образом, на стабилизирующую и охлаждающую области. По меньшей мере, выполнены два опорных кольца, между которыми выполнена, в сущности, также кольцеобразная, область охлаждения. При применении среднего опорного кольца могут быть также предусмотрены две кольцеобразные области охлаждения, а именно, одна между средним и наружным опорным кольцом или другая между средним и внутренним опорным кольцом. Опорные кольца соответственно выполнены в основном цельными. На каждом внутреннем опорном кольце закреплены также пакет сердечника или другие области с хорошей магнитной проводимостью.

При этом указанные два или три опорных кольца предпочтительно и, в частности, вместе с расположенными между ними областями охлаждения выполнены одной деталью, например, отлиты. Опорные кольца, которые также могли бы называться участками опорного кольца, должны преимущественно обеспечивать усиление жесткости кольца статора. При применении среднего стабилизирующего опорного кольца крышка статора предпочтительным образом прикреплена к среднему, стабилизирующему опорному кольцу, благодаря чему кольцо статора может опираться на крышку статора. Крышка статора при этом воздействует на кольцо статора через среднее опорное кольцо, обеспечивая опору.

Благодаря применению трех опорных колец и в совокупности двух расположенных между ними кольцеобразных областей охлаждения создаются различные ступени охлаждения и температурные области. Внутренняя кольцеобразная область охлаждения находится ближе к пакету сердечника и вместе с тем к источнику тепла и будет соответственно иметь более высокие температуры, чем соответствующая наружная кольцеобразная область охлаждения. Возможные напряжения, которые могут возникнуть в результате высокой температуры во внутренней кольцеобразной области охлаждения, могут восприниматься наружной кольцеобразной областью охлаждения. Соответственно этому у внутренней кольцеобразной области охлаждения следовало бы ожидать большого количества тепла и относительно большого расширения, в то время как у наружной кольцеобразной области охлаждения следовало бы ожидать малого количества тепла и соответственно меньшего расширения. Наружная кольцеобразная область удерживает при этом внутреннюю кольцеобразную область и ограничивает при необходимости ее расширение.

Согласно одному из вариантов осуществления предлагается, чтобы соседние каналы охлаждения одной области охлаждения были отграничены друг от друга ограничительными стенками, и ограничительные стенки образуют соединительные перегородки между двумя соседними стабилизирующими опорными кольцами, и/или два соседних опорных кольца были соединены друг с другом ребрами охлаждения. Благодаря этому между двумя соседними стабилизирующими опорными кольцами получается конструкция, которая, с одной стороны, соединяет соответствующие опорные кольца и одновременно разделяет каналы охлаждения. Такие соединительные конструкции или соединительные перегородки могут одновременно выполнять функцию ребер охлаждения. Эти внутренние ребра охлаждения могут, в сущности, иметь любую форму. Наряду с прямым исполнением рассматриваются также S-образные, изогнутые и другие формы.

Предпочтительно, если, по меньшей мере, один, предпочтительно все каналы охлаждения, по меньшей мере, одной области охлаждения в осевом поперечном сечении имеют треугольную форму, и/или соответственно два соседних канала охлаждения вместе в осевом поперечном сечении образуют форму параллелограмма, в частности, ромба, и/или каналы охлаждения снабжены, по меньшей мере, одним обращенным к внутренней стороне канала охлаждения ребром охлаждения. Благодаря такой треугольной форме обеспечивается возможность простого и одновременно стабильного исполнения. То же самое относится к ромбовидной форме двух каналов охлаждения, которая, в частности, получается в результате соответствующего составления вместе двух треугольных каналов охлаждения. Благодаря тому, что предусмотрены ребра охлаждения во внутренней стороне канала охлаждения, охлаждению может способствовать воздушный поток через соответствующий канал охлаждения.

Согласно другому варианту осуществления предлагается, чтобы кольцо статора было сегментировано, в частности, состояло из двух, трех, четырех или более практически симметричных сегментов круга. Например, кольцо статора может состоять из трех сегментов по 120°. Такие сегменты принципиально проще в изготовлении и/или при транспортировке. В частности, у колец статора с диаметром в пределах 10 м путем сегментирования может быть значительно упрощена возможность манипулирования.

По одному из вариантов осуществления предлагается, чтобы кольцо статора, по меньшей мере, в области каналов охлаждения было изготовлено из алюминия и/или алюминиевого сплава и/или отлито из какого-либо материала. Алюминий обладает высокой теплопроводностью и поэтому предпочтительно предусматривается в области каналов охлаждения и, таким образом, в областях охлаждения. Кроме того, алюминий вообще обладает коррозионной стойкостью и может, таким образом, предусматриваться также для контакта с влажным наружным воздухом или тому подобным. Сплав может применяться для воздействия на свойства материала, в частности, в отношении теплопроводности, коррозионной стойкости и стабильности.

Кольцо статора, или одна из его областей предпочтительно отливается из какого-либо материала. Благодаря этому специфические конфигурации каналов и другие формы должны создаваться легко и с возможностью воспроизведения. По меньшей мере, в области каналов охлаждения и/или всех или некоторых опорных колец может быть предусмотрено литье соответствующего участка. Также может использоваться сегментирование, при этом, например, отливаются отдельные сегменты, такие как сегменты по 90° или 120°.

Другой вариант осуществления предлагает, чтобы были предусмотрены каналы пассивного охлаждения соответственно с одним обращенным в осевом направлении впускным отверстием и одним, по меньшей мере, частично обращенным в радиальном направлении выпускным отверстием. Такие каналы пассивного охлаждения могут, таким образом, в осевом направлении, например, обдуваться ветром, при этом ветер дует во впускные отверстия и, будучи повернутым, по меньшей мере, частично в радиальном направлении наружу, снова выходит из каналов пассивного охлаждения. Благодаря обращенным в радиальном направлении наружу выпускным отверстиям можно достичь эффекта подсасывания. Благодаря тому, что каналы пассивного охлаждения имеют впускное и выпускное отверстие, и поэтому выполнены в виде частично замкнутых каналов, может быть достигнуто повышение стабилизации кольца статора. В принципе, выпускные отверстия могут быть также обращены в осевом направлении.

Предпочтительно выпускное отверстие предусмотрено, таким образом, в качестве всасывающего отверстия. Предпочтительно возможно также поддержание или усиление этого эффекта, при этом кольцо статора в осевом направлении в области выпускного отверстия имеет изогнутую поверхность. Благодаря выпуклому изгибу может возникнуть эффект всасывания, аналогичный крылу самолета, который, таким образом, мог бы воздействовать на выпускное отверстие и увеличивать воздушный поток через канал пассивного охлаждения.

В соответствии с изобретением предлагается также кольцевой генератор ветровой энергетической установки по п.17. Соответственно этому кольцевой генератор включает в себя кольцо статора для размещения обмоток статора и вращающуюся часть, установленную с возможностью вращения относительно статора. Кроме того, предусмотрена соединенная с кольцом статора крышка статора, которая создает камеру нагнетания с повышенным или пониженным давлением, служащую для обеспечения воздушного потока через и/или по статору и/или вращающейся части для охлаждения кольцевого генератора, при этом в крышке статора имеется, по меньшей мере, одно укомплектованное воздуходувкой отверстие воздуходувки, а воздуходувка установлена с возможностью перемещения посредством движущего механизма, или закреплена с помощью быстрозажимного устройства, чтобы временно открывать отверстие воздуходувки для целей технического обслуживания и/или для прохода человека. Крышка статора прикреплена, таким образом, к кольцу статора, и с помощью, по меньшей мере, одной воздуходувки в крышке статора рядом с системой вращающейся части и статора создается повышенное давление, которое выходит в виде потока охлаждающего воздуха или, соответственно, потоков охлаждающего воздуха через отверстия в системе статора и вращающейся части, например, через воздушный зазор. Чтобы теперь обойтись без лишнего отверстия в крышке статора и одновременно создать доступ к системе ротора и статора, по меньшей мере, одна воздуходувка устанавливается с возможностью перемещения посредством движущего механизма. Эта воздуходувка может, таким образом, откидываться, отклоняться, отодвигаться, отворачиваться или перемещаться иным образом, так что соответствующее отверстие воздуходувки в крышке статора освобождается и благодаря этому становится свободным для целей технического обслуживания и/или для прохода человека. Соответствующая воздуходувка и возможные другие воздуходувки для таких целей технического обслуживания, конечно, выключаются.

Предпочтительно движущий механизм выполнен в виде поворотного механизма. Воздуходувка может, таким образом, простым образом отклоняться от своего отверстия воздуходувки и должна только быть соответственно зафиксирована в открытом и закрытом положении.

Согласно одному из вариантов осуществления кольцевой генератор отличается тем, что крышка статора включает в себя первый участок крепления, служащий для крепления к основанию машины, и несколько, расположенных в форме звезды проходящих от него в наружном направлении ко второму участку крепления, служащему для крепления к кольцу статора, опорных участков, в частности, кронштейнов, так что кольцо статора может опираться на основание машины через опорные участки. В радиальном направлении первый участок крепления является, таким образом, участком, расположенным внутри, а второй участок крепления наружным участком. Опорные участки, в частности кронштейны, проходят в форме звезды от внутреннего к наружному опорному участку и тем самым практически задают форму крышки статора. Между опорными участками или, соответственно, кронштейнами предусмотрены закрывающие участки, такие как соединительные области, чтобы закрывать крышку статора. В частности, в этих соединительных областях могут быть предусмотрены отверстия воздуходувок, укомплектованные воздуходувками. Хотя промежуточные области также обеспечивают стабилизацию, все же опорные участки или, соответственно, кронштейны преимущественно осуществляют удержание кольца статора. Таким образом, крышка статора может одновременно выполнять две функции, а именно, служить опорой для кольца статора и одновременно разграничивать камеру нагнетания с повышенным или пониженным давлением, служащую для обеспечения воздушного потока. Благодаря промежуточным областям может быть, в частности, достигнута повышенная торсионная жесткость.

Предпочтительно крышка статора отливается одной деталью, предпочтительно из металла, в частности чугуна, предпочтительно из чугуна с шаровидным графитом, который также известен как сферочугун или, соответственно, как сокращение GJS или ранее GGG (ЧШГ), что означает чугун с шаровидным графитом. Благодаря этому может быть получено множество форм и обеспечено многократное изготовление при повторном использовании соответствующей формы. Предпочтительный материал обладает хорошими механическими свойствами, может производиться с оптимальными затратами и хорошо поддается обработке.

Кольцевой генератор может, в сущности, обладать каждым из описанных признаков, и любые комбинации признаков являются принципиально возможными. В частности, кольцевой генератор с крышкой статора с подвижно установленной воздуходувкой может быть скомбинирован с признаками кольцевого генератора, который включает в себя кольцо статора с каналами охлаждения для охлаждения статора с помощью, по меньшей мере, одного воздушного потока. Также возможен обратный случай, чтобы кольцевой генератор с кольцом статора с каналами охлаждения мог быть скомбинирован с признаками кольцевого генератора с крышкой статора с подвижно установленной воздуходувкой. Возможность комбинирования касается также других описанных признаков в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления.

Предпочтительно кольцевой генератор имеет номинальную мощность, равную не менее 30 кВт, предпочтительно не менее 300 кВт, и еще более предпочтительно не менее 1 МВт. Таким образом, кольцевой генератор по своей номинальной мощности подходит для того, чтобы применяться для современных ветровых энергетических установок.

В соответствии с изобретением предлагается способ управления ветровой энергетической установкой по п.25. Такая ветровая энергетическая установка, управление которой должно осуществляться, снабжена кольцевым генератором, включающим в себя вращающуюся часть и статор. Сначала определяют вырабатываемую кольцевым генератором электрическую мощность. Это определение может осуществляться путем непосредственного измерения мощности, например, на обмотках статора, или может выполняться косвенное измерение через характерные измеряемые величины, например, измерение частоты вращения и/или углов установки лопаток ротора и/или внутренних расчетных величин, которые уже имеются в распоряжении в управляющем компьютере. На основании измерения температуры также можно сделать заключение о вырабатываемой электрической мощности.

Затем включают, по меньшей мере, одну встроенную в крышку статора воздуходувку, чтобы создавать воздушный поток через и/или по статору, и/или вращающейся части для охлаждения кольцевого генератора, если определенная электрическая мощность достигает заданного значения и/или превышает его. Поэтому активное охлаждение, для которого необходима дополнительная энергия, применяют только тогда, когда при создаваемой электрической мощности следует ожидать соответствующих потерь мощности и вместе с тем соответствующих термических нагрузок. Следует принять во внимание, что в остальном управление ветровой энергетической установкой осуществляют известным специалисту образом.

Предпочтительно в качестве заданного значения устанавливают значение, равное или превышающее 30%, предпочтительно 50% и более предпочтительно 80% номинальной мощности ветровой энергетической установки. В частности, саму номинальную мощность выбирают в качестве заданного значения. Соответственно этому активное охлаждение включают только при полной нагрузке или незадолго до нее, а при частичной нагрузке соответственно не рассматривают как активное.

Предпочтительно предлагаемый изобретением способ управления применяют для одного из предлагаемых изобретением кольцевых генераторов и/или для кольцевого генератора, по меньшей мере, по одному из описанных вариантов осуществления.

В соответствии с изобретением, кроме того, предлагается ветровая энергетическая установка, снабженная гондолой и одним из предлагаемых изобретением кольцевых генераторов, в частности, по одному из описанных вариантов осуществления.

Предпочтительно ветровая энергетическая установка отличается тем, что кольцевой генератор до наружного участка кольца статора расположен внутри гондолы, а наружный участок кольца статора расположен вне гондолы, чтобы обдуваться ветром. Гондола включает в себя также облицовку ступицы, которая при работе ветровой энергетической установки вращается вместе с ротором. Облицовка ступицы также называется кожухом. Таким образом, кольцевой генератор находится преимущественно в гондоле и поэтому защищен от воздействий погодных условий. Охлаждение кольцевого генератора может быть обеспечено пассивно или активно уже внутри гондолы, например, с помощью каналов охлаждения и/или путем применения соответствующей крышки статора. Дополнительно предлагается, чтобы наружный участок кольца статора, в частности, с областью пассивного охлаждения был расположен вне гондолы. В частности, получается несколько выступающий над облицовкой гондолы участок кольца, который для охлаждения может обдуваться ветром. Особенность при этом заключается в том, что обдувание гондолы ветром может применяться непосредственно для охлаждения генератора. При этом эффект охлаждения зависит, по меньшей мере, частично от преобладающей скорости ветра. Сильное охлаждение обеспечивается, таким образом, при сильном ветре, в то время как в диапазоне частичной нагрузки, следовательно, при слабом ветре, обеспечивается меньшее охлаждение, и тем самым охлаждение автоматически, по меньшей мере, частично адаптировано к потребностям.

Наружный участок кольца статора предпочтительно включает в себя средство охлаждения, в частности, каналы охлаждения, предназначенные для пассивного охлаждения, причем это средство охлаждения непосредственно подвергается воздействию ветра. Кольцевой генератор может, таким образом, на этом наружном участке непосредственно отдавать тепло ветру, которым он обдувается. Ссылаясь на то, что такая ситуация в принципе касается находящейся в эксплуатации ветровой энергетической установки, которая обращена к ветру.

Предпочтительно форма гондолы в аэродинамическом отношении выполнена так, чтобы преимущественно ламинарно обдуваться ветром, поскольку она обращена к ветру, чтобы ветер находился также в области наружного участка кольца статора. Такое аэродинамическое исполнение может быть получено, например, с помощью характерной формы капли, формы яйца и/или овальной на виде сбоку формы, и/или с помощью характерной вращательно-симметричной относительно оси ротора формы.

Предпочтительно предусмотреть вне гондолы аэродинамические средства, которые поддерживают ветровой поток в области наружного участка кольца статора. Например, может быть предусмотрен направляющий щиток для направления ветра или разработка подобного ветровому каналу аэродинамического средства.

Ниже изобретение поясняется подробнее с помощью примеров осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи. Встречающиеся в тесте данные направлений указаны относительно направления ветра при эксплуатации согласно определению. Так, «спереди» означает со стороны притока ветра, и т.д.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает кольцо статора ветровой энергетической установки на виде спереди.

Фиг.2 изображает кольцо статора, изображенное на фиг.1, на виде сзади.

Фиг.3 изображает кольцо статора, изображенное на фиг.1, на виде справа в частичном разрезе.

Фиг.4 изображает фрагмент X фиг.2.

Фиг.5 изображает фрагмент Y фиг.4.

Фиг.6 изображает фрагмент, соответствующий U на фиг.4.

Фиг.7 изображает сечение кольца статора по линии сечения AA, указанной на фиг.4.

Фиг.8 изображает фрагмент, изображенный на фиг.4, в перспективе.

Фиг.9 изображает фрагмент, соответствующий Z на фиг.1.

Фиг.10 изображает сечение двух каналов охлаждения с видом сечения по линии сечения BB, указанной на фиг.9.

Фиг.11 изображает фрагмент, изображенный на фиг.9, в перспективе.

Фиг.12 изображает фрагмент вида сверху кольца статора, изображенного на фиг.1, как обозначено на фиг.1 линией CC.

Фиг.13 изображает общий вид крышки статора, касающейся камеры нагнетания, снаружи.

Фиг.14 изображает другом общий вид крышки статора, изображенной на фиг.13.

Фиг.15 изображает крышку статора, изображенную на фиг.13 и 14, на виде сбоку в сечении.

Фиг.16 изображает прикрепленную к кольцу статора крышку статора с вставленными в него воздуходувками.

Фиг.17 изображает прикрепленную к кольцу статора крышку статора с 4 воздуходувками, одна из которых частично откинута из своего отверстия.

Фиг.18 схематично изображает на фрагменте расположенный в гондоле и кожухе кольцевой генератор на виде сбоку в сечении.

Фиг.19-22 изображают гондолу ветровой энергетической установки в соответствии с одним из вариантов осуществления в различных перспективах соответственно в схематичном изображении.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Следует принять во внимание, что одинаковые номера позиций могут также в некоторых случаях обозначать аналогичные, не идентичные элементы различных вариантов осуществления.

Кольцо 2 статора, показанное на фиг.1, имеет кольцевую форму и образует часть кольцевого генератора с внутренней вращающейся частью. Кольцо 2 статора включает в себя внутреннее опорное кольцо 4, среднее опорное кольцо 6 и наружное опорное кольцо 8. Между внутренним и наружным опорным кольцом 4, 6 предусмотрен участок 10 активного охлаждения, а между средним и наружным кольцом 6, 8 имеется участок 12 пассивного охлаждения. Кольцо 2 статора, как изображено, включая внутреннее, среднее и наружное опорное кольцо 4, 6, 8 и участок 10, 12 активного и пассивного охлаждения отлито одной деталью, при этом в качестве материала применяется алюминий.

Внутреннее, среднее и наружное опорное кольцо 4, 6, 8 благодаря их характерному массивному исполнению обеспечивают стабильность и жесткость. Для направления магнитного поля внутри на внутреннем опорном кольце 4 следует установить соответствующий пакет сердечника, несущий на себе обмотки статора и обладающий хорошей магнитной проводимостью. Благодаря его креплению к внутреннему опорному кольцу 4 возможно устойчивое опирание пакета сердечника. Внутри этого пакета сердечника затем следует установить внутреннюю вращающуюся часть с возможностью вращения относительно статора. Тепло пакета сердечника может непосредственно отдаваться окружающему воздуху, но преимущественно тепло отдается через опорное кольцо 4 участку 10 активного охлаждения и участку 12 пассивного охлаждения. Участок активного охлаждения для отдачи тепла снабжен также множеством каналов 14 активного охлаждения, которые выполнены в участке 10 активного охлаждения между внутренним и средним опорным кольцом 4, 6 в характерной треугольной форме. Другое тепло может отдаваться, например, через квадратные или трапецеидальные в поперечном сечении каналы 16 пассивного охлаждения.

Кольцо 2 статора имеет наружный диаметр, равный 5 м. Осевая длина составляет примерно 90 см.

Каналы 16 пассивного охлаждения соответственно снабжены направленным в радиальном направлении наружу выпускным отверстием, так что на виде сзади, показанном на фиг.2, видны только каналы 14 активного охлаждения.

На виде сбоку, показанном на фиг.3 в соответствии с изображенным не рассеченным участком, который изображен на фиг.4 внизу, видны направленные в радиальном направлении наружу выпускные отверстия 18. Рассеченная область, наряду со скошенным краем 20 внутреннего опорного кольца 4, позволяет видеть форму каналов 14, 16 активного и пассивного охлаждения в осевом сечении. При этом каналы активного охлаждения проходят практически в осевом направлении от области 22 впуска до области 24 выпуска. Канал 14 пассивного охлаждения проходит от впускного отверстия 17 к выпускному отверстию 18. Канал 16 пассивного охлаждения также проходит практически в осевом направлении, при этом выпускное отверстие направлено в радиальном направлении наружу. К тому же область 22 впуска канала 14 активного охлаждения находится на стороне кольца 2 статора, противоположной впускному отверстию 17 канала 16 пассивного охлаждения. Соответственно также кольцо 2 статора предусмотрено для того, чтобы активный воздушный поток через каналы 14 активного охлаждения был направлен противоположно пассивному воздушному потоку через каналы 16 пассивного охлаждения.

Тем не менее, эти направления потоков не являются обязательными и, по меньшей мере, через каналы активного охлаждения может с помощью соответствующих устройств также направляться воздушный поток в другом, отличающемся от описанного выше, направления.

На увеличенном фрагменте, показанном на фиг.4, в частности, видно поперечное сечение каналов 14 активного охлаждения или, соответственно, их область 22 впуска. Каналы 14 активного охлаждения при этом выполнены в характерной треугольной форме, причем они попеременно расположены с различной ориентацией, так что два соседних канала 14 активного охлаждения вместе в поперечном сечении принимают приблизительно форму параллелограмма. Соответственно в каждом случае между двумя каналами активного охлаждения расположена ограничительная стенка, причем всегда две ограничительные стенки 26 одного канала 14 активного охлаждения наклонены друг к другу.

Ограничительные стенки 26 отделяют, таким образом, каналы 14 активного охлаждения друг от друга и одновременно служат ребрами охлаждения. Кроме того, благодаря взаимно наклонному расположению, они способствуют стабильному расположению, в частности, стабильному соединению внутреннего опорного кольца 4 со средним опорным кольцом 6.

В каналах 14 активного охлаждения предусмотрены, к тому же, дополнительные, выполненные в виде перегородок средства охлаждения или, соответственно, ребра 28 охлаждения, которые на фиг.5 или, соответственно, фиг.6 изображены в увеличенном размере.

Ребра 28 охлаждения увеличивают, таким образом, поверхность охлаждения в канале 14 активного охлаждения, не препятствуя в значительной степени воздушному потоку.

В целях крепления на внутреннем опорном кольце 4 предусмотрены отверстия 34 внутреннего опорного кольца. Соответственно в области среднего опорного кольца 6 предусмотрены отверстия 36 среднего опорного кольца, а в области участка 12 пассивного охлаждения рядом с наружным опорным кольцом 8 кольцо 2 статора снабжено отверстиями 38 наружного опорного кольца. По меньшей мере, некоторые из отверстий 34, 36 и 38 снабжены резьбой и могут использоваться для целей крепления. Для крепления кольца 2 статора к крышке статора служат отверстия 38 наружного опорного кольца.

Отверстия 36 среднего опорного кольца предусмотрены в нескольких местах кольца статора во вспомогательных поверхностях 35, а именно, соответственно три отверстия в четырех местах. Они служат для крепления кабелей.

На фиг.7 на поперечном сечении показано, как канал 16 пассивного охлаждения расположен между наружным опорным кольцом 8 и средним опорным кольцом 6. При этом канал 16 пассивного охлаждения проходит от впускного отверстия 17 к выпускному отверстию 18. Воздушный поток может, таким образом, практически в осевом направлении втекать через впускное отверстие 17 и в конце вытекать через обращенное в радиальном направлении наружу выпускное отверстие 18. При этом обращенная к каналу 16 пассивного охлаждения сторона наружного опорного кольца 8 является наружной стороной 30 кольца 2 статора. По определению воздух, таким образом, проходит по обеим сторонам наружного опорного кольца 8, а именно, внутри через канал 16 пассивного охлаждения и снаружи по наружной стороне 30.

Между средним опорным кольцом 6 и внутренним опорным кольцом 4 выполнен канал 14 активного охлаждения. Он проходит от области 22 впуска к области 24 выпуска. Среднее опорное кольцо 6 снабжено, к тому же, глухими отверстиями 37, которые служат для крепления водосточного желоба.

Общий вид на фиг.8 поясняет наружные области 31 или, соответственно, 32 крепления с подветренной и наветренной стороны, которые изображены только частично и поясняются более подробно со ссылкой на фиг.12.

Кроме того, на фиг.8 видно, как каналы 16 пассивного охлаждения открываются через свои выпускные отверстия 18 в направлении наружной стороны 30. Благодаря тому, что выпускные отверстия 18 направлены в радиальном направлении наружу, если смотреть по направлению ветра, позади каналов 16 пассивного охлаждения имеется торцевой участок 40, в котором расположены отверстия 38 наружного опорного кольца.

На фиг.9 показан вид непосредственно впускных отверстий 17 каналов 16 пассивного охлаждения. Видно, как и на фиг.7, что каналы 16 пассивного охлаждения от впускного отверстия 17 слегка сужаются. Это может способствовать втеканию ветра во впускные отверстия 17. В зоне наружных областей 31 или, соответственно, 32 крепления каналы пассивного охлаждения могут быть выполнены в виде меньших каналов 16' пассивного охлаждения с соответственно уменьшенными впускными отверстиями 17', чтобы получить более массивные промежуточные стенки 19' для вывода отверстий, в частности, с резьбой. Промежуточные стенки 19, в которых нет отверстий, могут быть выполнены уже, чтобы тем самым получить больше места для увеличенного канала 16 пассивного охлаждения.

На изображении сечения, показанном на фиг.10, представлен вид разрезе каналов 16 пассивного охлаждения. При этом также еще раз наглядно поясняется сужение каналов пассивного охлаждения от впускного отверстия 17 к выпускным отверстиям 18. Соответственно толщина промежуточных стенок 18 в том же направлении увеличивается.

На общем виде фрагмента, показанного на фиг.11, на переднем плане представлена область 24 выпуска каналов 14 активного охлаждения и, кроме того, впускные отверстия 17 и 17' каналов 16 или, соответственно, 16' пассивного охлаждения. Подветренная и наветренная наружная область 31 или, соответственно, 32 крепления на наружном опорном кольце 38 расположена в области более узко выполненных каналов 16' пассивного охлаждения. Соответственно предусмотрены меньшего размера выпускные отверстия 18'.

Наружные области 31 или, соответственно, 32 крепления предусмотрены соответственно в двух расположенных друг напротив друга, то есть со смещением на 180°, местах на кольце 2 статора, как это видно на фиг.1 по 2Ч3 несколько уменьшенным впускным отверстиям 17', в положении «12 часов» и «6 часов». Вид сверху одного места показан на фиг.12, в соответствии с чем в подветренной наружной области 31 крепления имеется восемь подветренных отверстий 41, в то время как в наветренной наружной области 32 крепления имеется восемь наветренных отверстий 42.

Крышка 100 статора, изображенная на фиг.13-15, включает в себя крепление 102 для основания машины, крепление 104 для кольца статора и крепление 106 к цапфе оси. Крепление 102 для основания машины, крепление 104 для кольца статора и крепление 106 к цапфе оси соответственно выполнены в форме окружности крепежного фланца с соответственно одним или двумя периферическими венцами отверстий.

От крепления 102 для основания машины проходят шесть опорных участков 108 в форме звезды к креплению 104 для кольца статора. Опорные участки 108 выполнены в виде кронштейнов 108, чтобы воспринимать вес статора, прикрепленного к креплению 104 для кольца статора, и через крепление 102 для основания машины передавать его основанию машины.

Области между опорными участками 108 соответственно заданы подобными щиткам участками, при этом в них соответственно предусмотрены отверстия 110 воздуходувок. В некоторых опорных участках 108 выполнены, кроме того, вспомогательные отверстия 112.

Кроме того, в области крепления 106 к цапфе оси имеется отверстие, которое, впрочем, закрывается соответствующим определению креплением к цапфе оси.

Путем закрытия отверстий 110 воздуходувок, в частности, воздуходувками, и вспомогательных отверстий 112 может, таким образом, закрываться вся крышка 100 статора. Путем прикрепления статора к креплению 104 для кольца статора и благодаря тому, что предусмотрена соответствующая вращающаяся часть, между этим статором и вращающейся частью, с одной стороны, и крышкой 100 статора, с другой стороны, может быть образована и находиться под давлением камера нагнетания. Тогда воздух может выходить через отверстия в системе вращающейся части и статора, например, через воздушный зазор, и при этом в соответствующих открытых областях способствует образованию воздушного потока.

На фиг.16 показана крышка 100 статора с кольцом 2* статора, которое прикреплено к креплению 104 для кольца статора на крышке 100 статора. Кроме того, в каждом отверстии 110 воздуходувки расположена воздуходувка 114, которая вместе с кожухом 116 воздуходувки открывает и закрывает отверстие 110 воздуходувки.

При подготовке к эксплуатации одной или нескольких воздуходувок 114 воздух вдувается в заключенное внутри крышки 100 статора или, соответственно, закрытое ей пространство. Воздух может выходить через отверстия в генераторе, часть которого образует кольцо 2* статора, и обеспечивать охлаждение. Для этого вспомогательные отверстия 112 также закрыты кожухом, что на фиг.16, однако, это подробно не изображено. Конечно, воздуходувки 114 могли бы также работать так, чтобы они высасывали воздух из закрытой крышки 100 статора пространства, как показано на фиг.16, то есть практически вправо из плоскости чертежа. Тем не менее, в предпочтительном случае в закрытое пространство вдувается воздух, который при соответствующем определению расположении крышки 100 статора поступает из соответствующей гондолы, и у которого по сравнению с наружным воздухом, находящимся снаружи гондолы, можно ожидать большей чистоты и сухости.

На фиг.17 наглядно поясняется, как в соответствии с изобретением отверстия 110 воздуходувок могут использоваться для целей технического обслуживания или других целей. Например, у отверстия 110 воздуходувки, воздуходувка 114 откидывается посредством шарнира, и отверстие 110 воздуходувки соответственно открывается при откидывании. Благодаря этому, открытому таким образом отверстию 110 воздуходувки, человек может попасть через крышку 100 статора, а именно, через отверстие 110 воздуходувки, к расположенному позади него кольцевому генератору. Также для воздуходувки 14 вместо шарнира для откидывания может быть предусмотрен другой движущий механизм. Также быстрозажимное соединение может простым образом применяться для открытия отверстия 110 воздуходувки. Для этого надо отсоединить такое быстрозажимное соединение несколькими приемами и вынуть соответствующую воздуходувку 114. Если отверстие воздуходувки открывается только частично, или если отверстие заперто также другими устройствами, как, например, показано для отверстия 110*, так, что человек не может пройти через него, то все еще возможно частичное техническое обслуживание устройств, расположенных непосредственно позади этого отверстия. То же самое относится к вспомогательным отверстиям 112 меньшего размера.

На фиг.18 схематично поясняется предлагаемая изобретением общая концепция на одном из вариантов осуществления, приведенном в качестве примера. На фиг.18 на боковом виде в сечении фрагментарно показана гондола 250 с ротором 252, снабженным лопатками 254 ротора, кольцевым генератором 200, снабженным вращающейся частью 201 и статором 203 с кольцом 202 статора и пакетом 205 сердечника с обмотками 207 статора, которые обозначены только схематично. Между статором 203 и вращающейся частью 201 расположен воздушный зазор 209. Кольцо 202 статора включает в себя внутреннее опорное кольцо 204, среднее опорное кольцо 206 и наружное опорное кольцо 208. Между внутренним и наружным опорным кольцом 206, 208 предусмотрены каналы 216 пассивного охлаждения, которые образуют участок 212 пассивного охлаждения. Каналы 214 активного охлаждения расположены между внутренним опорным кольцом 204 и средним опорным кольцом 206 и образуют участок 210 активного охлаждения.

В области среднего опорного кольца 206 закреплена крышка 260 статора, а после обладающего магнитным свойством участка вращающейся части 201 предусмотрен разделительный участок 262. В крышке 260 статора расположены воздуходувки 264, которые создают повышенное давление в камере 266 нагнетания, которая расположена практически между крышкой 260 статора и разделительным участком 262. Благодаря создаваемому таким образом давлению в камере 266 нагнетания, воздух проходит через воздушный зазор 209 и каналы 214 активного охлаждения. Генератор, в частности статор, охлаждается, таким образом, воздушным потоком 270 через воздушный зазор 209 и каналы 214 активного охлаждения.

Участки облицовки 251 гондолы, включая участки облицовки 251* ступицы, проходят на высоте среднего опорного кольца 206. Относительно гондолы 250 кольцевой генератор 200, таким образом, расположен внутри гондолы 250 до участка 210 активного охлаждения включительно. Только участок 212 пассивного охлаждения и вместе с тем каналы 216 пассивного охлаждения расположены вне гондолы 250. Ротор 252 и лопатка ротора 254, то есть, как показано на фиг.18, изображенная слева часть гондолы 250, а именно, ступица с облицовкой 251* ступицы или, соответственно, кожухом, по определению обращена к ветру. Ветер, который обдувает гондолу 250, проходит, таким образом, сначала по облицовке 251* ступицы в области ротора 252.

Облицовка 251* гондолы в одной области опущена, и поэтому находится на одинаковой высоте со средним опорным кольцом 206. В области крепления лопатки ротора облицовка ступицы может находиться на высоте наружного опорного кольца 208, как показано на фиг.18 номером позиции 251**. Таким образом, на фиг.18 показан моментальный снимок. Следует упомянуть, что на кольце 202 статора в области среднего опорного кольца 206 со стороны облицовки 251* ступицы может быть смонтирован водосточный желоб, чтобы предотвратить попадание дождевой воды в эту область и таким образом защитить расположенные внутри гондолы элементы кольцевого генератора 200 от дождевой воды.

Затем ветер попадает из области глубоко втянутой облицовки 251* ступицы в область впускных отверстий 217 и к участку 212 пассивного охлаждения, являющемуся, вместе с тем, наружным участком, и может там, через впускные отверстия 217, входить в каналы 216 пассивного охлаждения и охлаждать кольцо 202 статора в этой области.

Следует принять во внимание, что воздуходувка 264 обеспечивает поток 270 активного охлаждения, который проходит через воздушный зазор 209 и каналы 214 активного охлаждения. Ветер обеспечивает поток 272 пассивного охлаждения, который проходит через каналы 216 пассивного охлаждения. Следует принять во внимание, что поток 270 активного охлаждения противоположен направлению потока 272 пассивного охлаждения. В сущности, именно воздуходувка или, соответственно, воздуходувки 264 вытесняют воздух из внутреннего пространства 253 гондолы через крышку 260 статора в камеру 266 нагнетания, и оттуда через воздушный зазор 209 и каналы 214 активного охлаждения наружу в направлении ступицы 256 ротора, и при этом против ветра.

На изображениях, показанных на фиг.19-22, схематично представлена гондола 250. В частности, колонна, лопатки ротора и возможные элементы оборудования гондолы, такие как анемометры или тому подобные, не изображены или изображены только частично. На общем виде сбоку спереди гондолы 250, показанном на фиг.19, представлена преимущественно облицовка 251 гондолы и облицовка 251* или, соответственно, 251** ступицы. В частности, видна часть венца выпускных отверстий 218 и впускных отверстий 217 участка 212 пассивного охлаждения. В соответствии с фиг.19, ветер поступает, таким образом, по определению, в плоскость чертежа примерно справа, проходит по облицовке 251 ступицы во впускные отверстия 217 через каналы пассивного охлаждения в участке 212 пассивного охлаждения и снова выходит из участка 212 пассивного охлаждения в области выпускных отверстий 218. При этом ветер входит, по определению, во впускные отверстия 217 примерно в осевом направлении, в то время как он выходит из выпускного отверстия 218, по меньшей мере, частично в радиальном направлении наружу.

На фиг.19 видны три крепления 274 лопатки ротора к кожуху 215* или, соответственно, 251** ступицы. Вблизи них, на фиг.19, в частности, у изображенного слева крепления 274 ротора, видна переходная кромка 276 между верхней областью кожуха 251** ступицы и нижней областью кожуха 251* ступицы. Верхняя область кожуха 251** ступицы лежит примерно на одной линии с наружным опорным кольцом 208 и скрывает, таким образом, впускные отверстия 217. Нижняя область кожуха 251* ступицы лежит примерно на одной линии со средним опорным кольцом 206, так что впускные отверстия 217 в соответствующей области являются видимыми, а также досягаемыми для ветра.

На виде спереди гондолы, показанном на фиг.20, видны преимущественно кожух 251* или, соответственно, 251** ступицы и впускные отверстия 217. Общий вид, показанный на фиг.20, соответствует, по определению, направлению втекания ветра. Что касается остального, в положении «12 часов» расположена наветренная область 232 наружного крепления. На другом общем виде, показанном на фиг.21, и на общем виде сбоку, показанном на фиг.22, отчетливо видно, что обращенные к гондоле участки 278 лопаток ротора могут перекрывать область участка 212 пассивного охлаждения, и при этом впускные отверстия 217 и выпускные отверстия 218.

Реферат

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в ветроэнергетической установке. Технический результат изобретения заключается в получении более эффективного охлаждения кольцевого генератора. Кольцевой генератор ветровой энергетической установки включает в себя статор, периферическое кольцо статора для размещения обмоток статора, вращающуюся часть, установленную с возможностью вращения относительно статора, и соединенную с кольцом статора крышку статора. Крышка обеспечивает создание камеры нагнетания с повышенным или пониженным давлением, служащей для обеспечения воздушного потока через и/или по статору и/или вращающейся части для охлаждения кольцевого генератора. При этом в крышке статора имеется, по меньшей мере, одно укомплектованное воздуходувкой отверстие воздуходувки. Воздуходувка установлена с возможностью перемещения посредством движущего механизма, чтобы временно открывать отверстие воздуходувки для целей технического обслуживания и/или для прохода человека. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 22 ил.

Формула