Ротор генератора для генератора ветроэнергетической установки или гидроэлектростанции, а также генератор, ветроэнергетическая установка и гидроэлектростанция с таким генератором - RU2711117C1

Чертежи

Описание

Изобретение касается ротора генератора для генератора, в частности, медленно вращающегося генератора, ветроэнергетической установки или гидроэлектростанции. Изобретение касается также генератора с таким ротором генератора и ветроэнергетической установки с таким генератором.

Ветроэнергетические установки широко известны. Они имеют башню, на которой установлена гондола с возможностью поворота. На гондоле, обычно во внутренней части, смонтированы основание под двигатель, генератор, приводной вал для генератора, опционально редуктор, и ступица ротора с несколькими лопастями ротора, которые для приведения в действие генератора вращаются под действием ветра. Генератор обычно имеет статор генератора, расположенный на основании под двигатель, и ротор генератора, вращающийся относительно статора генератора предпочтительно внутри или снаружи.

На гидроэлектростанциях используют турбины для того, чтобы с помощью вращательного привода лопаток своих турбин при использовании кинетической энергии потока воды вырабатывать электрическую энергию. При этом в основном различают турбины, которые через роторный вал передают вращающий момент в область снаружи проточного канала, где имеющийся на роторном валу вращающий момент используется для приведения в действие генератора, и такие турбины, у которых турбинные роторы непосредственно соединены с ротором генератора. Первый из названных типов известен в том числе из DE 10 2008 045 500 A1. В последнем случае говорят о так называемых прямоточных турбинах (Straight-Flow). Если ось вращения турбин лежит, по существу, параллельно направлению течения воды, говорят об осевых турбинах. Генераторы, которые применяются в вышеупомянутых гидроэлектростанциях, по существу, могут быть выполнены с идентичными функциями и для генераторов ветроэнергетических установок, вследствие чего данное изобретение распространяется и на эту область техники.

Ротор генератора имеет множество полюсных башмаков на так называемом бандаже ротора (Rotorgurt). Полюсные башмаки вращаются относительно статорных обмоток генератора. Между полюсными башмаками и обмотками статора генератора выполнен воздушный зазор, который образован как можно более узким. Возбуждающее поле ротора генератора индуцирует в статоре генератора напряжение. Вследствие такого вращающегося, всегда несколько неустойчивого возбуждающего поля возникают колебания вращающего момента. Эти колебания вращающего момента имеют обычно частоту, зависящую от частоты вращения ротора генератора, и вызывают колебания в генераторе.

Колебания, созданные в генераторе таким образом, через несущую конструкцию и фланец ступицы передаются на главный вал ветроэнергетической установки или на части установки гидроэлектростанции, и в первом из названных случае через них посредством ступицы ротора передается на лопасти ротора.

Поскольку ветроэнергетические установки все чаще сооружаются вблизи населенных областей, то особое внимание уделяется максимальному предотвращению вредных акустических эмиссий. Кроме того, для известных ветроэнергетических установок можно констатировать, что предусмотренная в роторе генератора несущая конструкция является сравнительно затратной. Обычно предусматривается состоящая из нескольких частей стальная конструкция, которая должна изготовляться соответственно за несколько рабочих операций с помощью сварки и других методов соединения. Расход материала и капиталовложения соответственно высоки.

Немецкое патентное ведомство при рассмотрении приоритетной заявки выявило при проведении поиска следующий уровень техники: DE 10 2008 045 500 A1, DE 10 2010 030 205 A1 и DE 10 2011 006 680 A1.

В основу изобретения положена, таким образом, задача дальнейшего усовершенствования ротора генератора указанного вначале рода таким образом, чтобы он позволял максимально преодолевать выявленные в уровне техники недостатки. В частности, в основе изобретения лежит задача, улучшить ротор генератора указанного вначале рода таким образом, чтобы ветроэнергетическая установка или, соответственно, гидроэлектростанция могли быть усовершенствованы в отношении вибрационных характеристик, и, в частности, в целом характеризовались меньшим генерированием шумов. Кроме того, в основе изобретения лежит, в частности, задача дальнейшего усовершенствования ротора генератора указанного вначале рода так, чтобы его изготовление могло осуществляться с меньшими затратами средств и/или времени.

Изобретение решает поставленную задачу за счет того, что предлагается ротор генератора с признаками пункта 1 формулы изобретения. Ротор генератора имеет бандаж ротора для фиксации нескольких полюсных башмаков, фланец ступицы для закрепления ротора генератора на валу, в частности, на главному валу или валу редуктора ветроэнергетической установки, и несущую конструкцию, которая с одной стороны соединена с бандажем ротора, а с другой стороны соединена с фланцем ступицы, в обоих случаях без возможности поворота, причем ремень ротора состоит из металлического материала с первой степенью демпфирования, и по меньшей мере один из следующих элементов: несущая конструкция или фланец ступицы частично или полностью состоит из материала со второй степенью демпфирования, причем вторая степень демпфирования выше, чем первая степень демпфирования. Под термином «степень демпфирования» в смысле данного изобретения понимается коэффициент демпфирования по Леру. Коэффициент демпфирования по Леру может быть определен широко известным методом и известен из литературы для множества материалов. Если в рамках данного изобретения в отношении материала говорится «полностью», то под этим следует понимать, что существенные структурные элементы, ответственные за передачу сил, состоят из соответствующего материала, но возможные используемые средства монтажа и другие установочные, соответственно, крепежные средства не обязательно должны состоять из этого материала.

Данное изобретение исходит из того, чтобы целенаправленно посредством усиленного рассеяния энергии ограничивать (снижать) перенос шума от полюсных башмаков на бандаж ротора в направлении вала ветроэнергетической установки. В отношении этого данное изобретение использует несколько выводов:

Вследствие применения для несущей конструкции и/или для фланца ступицы другого материала, отличного от металлического материала бандажа ротора, требуется конструктивная форма, состоящая из нескольких частей; т.е. монолитная конструкция, в которой, например, несущая конструкция соединена в единое целое (нераздельно) или с замыканием по материалу с бандажем ротора и фланцем ступицы, из-за этого больше не возможна. При переходе от металлического материала к материалу несущей конструкции и/или фланца ступицы энергия неизбежно уже рассеивается, что демпфирует колебания, исходящие от бандажа ротора.

Благодаря тому, что материал несущей конструкции и/или фланца ступицы имеет более высокую степень демпфирования, нежели металлический материал бандажа ротора, то в несущей конструкции, соответственно, во фланце ступицы рассеивается дополнительная энергия.

Под медленно вращающимся генератором согласно изобретению понимается генератор с частотой вращения от 50 оборотов в минуту или менее. Такой предлагаемый изобретением генератор предпочтительно представляет собой многополюсный синхронный кольцевой генератор. Под «многополюсным» понимается число полюсов 48 или более, предпочтительно 96 или более.

В одной предпочтительной модификации данного изобретения первая степень демпфирования лежит в диапазоне 0,002 или менее, предпочтительно в диапазоне 0,0015 или менее. Большинство сортов стали, например, имеют степень демпфирования в этих диапазонах.

В одном предпочтительном варианте выполнения вторая степень демпфирования равна n-кратному первой степени демпфирования, причем n предпочтительно=2 или более. Чем выше вторая степень демпфирования относительно первой степени демпфирования, тем сильнее падает рассеяние энергии внутри несущей конструкции, соответственно, внутри фланца ступицы. Однако, при расчетах следует принимать во внимание то, что несущая конструкция, соответственно, фланец ступицы должны иметь все еще достаточную жесткость, предел прочности при сдвиге и сжатии для передачи сил между бандажем ротора и фланцем ступицы, соответственно, валом редуктора. На это можно, однако, положительно влиять не только посредством свойств материала, но также и путем дополнительных мер, позволяющих повысить прочность, в виде ребер, перемычек и т.д., если это необходимо.

В другом предпочтительном варианте выполнения по меньшей мере либо несущая конструкция, либо фланец ступицы частично или полностью состоит из одного из следующих материалов:

- бетон;

- бетонный композит, в частности, стале(железо)бетон или бетон с волокнистым заполнителем;

- массивная древесина;

- фанера;

- клееная древесина;

- усиленный стекловолокном пластик; или

- усиленный углеродным волокном пластик.

Если бетонный композит содержит волокнистые компоненты, то эти волокна предпочтительно выбираются из группы, состоящей из стальных волокон, углеродных волокон, стекловолокна, бамбуковых волокон, волокна конопли или арамидных волокон. В вариантах выполнения, в которых в качестве материала несущей конструкции или фланца ступицы выбирается фанера, особенно предпочтительной, в частности, является облицованная фанера.

Заслуживающее внимания преимущество применения бетона или бетонного композита, например, сталебетона заключается в экономичном и быстром изготовлении. Было установлено, что при применении, в частности, сталебетона может быть произведена несущая конструкция, такая же по весу, что и известные несущие конструкции, но которая при сравнимых несущих свойствах значительно экономичнее и имеет значительно лучшие показатели в отношении улучшения характеристики демпфирования. По этой причине применение сталебетона в смысле данного изобретения признается особенно предпочтительным.

В другом предпочтительном варианте несущая конструкция ротора генератора выполнена кольцеобразной. Эта несущая конструкция может, например, содержать один или несколько дисков, или частей дисков, и/или каркасные элементы, и/или складчатые элементы, и/или спицы. Особенно предпочтительно, если эта несущая конструкция выполнена в форме одного единственного диска, который радиально снаружи с помощью общеизвестных соединительных элементов соединяется с металлическим бандажем ротора, а радиально внутри общеизвестным образом соединяется с фланцем ступицы. В зависимости от того, состоит ли фланец ступицы тоже из металлического материала, или из того же материала, что и несущая конструкция, здесь следует предусмотреть подходящие соединительные средства, известные из уровня техники.

Несущая конструкция предпочтительно выполнена из нескольких сегментов. Сегментирование несущей конструкции, прежде всего, обладает тем преимуществом, что несущая конструкция может быть изготовлена из нескольких идентичных друг другу соответствующих сборных элементов, например, сталебетонных сборных элементов . При уменьшении разнообразия деталей может обеспечиваться более экономичное и быстрое изготовление. Выполнение несущей конструкции из нескольких частей способствует к тому же рассеянию энергии и тем самым к улучшению характеристик демпфирования только за счет выбора материала.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения между бандажем ротора и несущей конструкцией выполнен разделительный стык, причем несущая конструкция вдоль разделительного стыка соединена с бандажем ротора с силовым или с геометрическим замыканием, но не с замыканием по материалу. Далее, предпочтительно между несущей конструкцией и фланцем ступицы выполнен разделительный стык, причем несущая конструкция вдоль разделительного стыка соединена с фланцем ступицы с силовым или с геометрическим замыканием, но не с замыканием по материалу.

Разделительный стык предпочтительно частично или полностью заполнен наполнителем, который имеет третью степень демпфирования, которая больше, чем первая степень демпфирования, и которая особенно предпочтительно равна второй степени демпфирования или больше, чем вторая степень демпфирования. Разделительный стык может, например, заполняться цементом, затвердевающим полимером или т.п.

В предпочтительных вариантах выполнения изобретения бандаж ротора и/или фланец ступицы выполнены из стали или стального сплава.

Данное изобретение решает поставленную задачу также для генератора указанного вначале рода за счет того, что предлагается генератор с признаками пункта 11 формулы изобретения. Этот генератор имеет статор и ротор, вращающийся относительно статора генератора, причем ротор генератора выполнен согласно одному из вышеописанных предпочтительных вариантов. Этот предлагаемый изобретением генератор обладает теми же преимуществами и выполнен соответственно тем же предпочтительным вариантам, что и вышеописанный ротор генератора, в связи с чем здесь можно сослаться на вышеизложенное.

Данное изобретение решает поставленную задачу также для ветроэнергетической установки указанного вначале рода за счет того, что она выполнена с признаками пункта 12 формулы изобретения. Эта ветроэнергетическая установка имеет генератор, причем генератор содержит статор генератора и ротор, вращающийся относительно статора генератора. Данное изобретение предлагает ротор генератора, выполненный согласно одному из вышеописанных предпочтительных вариантов. Тем самым и данная предлагаемая изобретением ветроэнергетическая установка обладает теми же преимуществами и выполнена соответственно тем же предпочтительным вариантам, что и предлагаемый изобретением генератор и вышеописанный предлагаемый изобретением ротор генератора, в связи с чем здесь можно сослаться на вышеизложенное.

Данное изобретение решает поставленную задачу также для гидроэлектростанции указанного вначале рода за счет того, что она выполнена с признаками пункта 13 формулы изобретения. Гидроэлектростанция имеет один проточный канал с впуском потока и выпуском потока, и расположенную в проточном канале гидротурбину, которая взаимодействует с генератором для выработки электроэнергии, причем генератор имеет ротор генератора, который выполнен согласно одному из вышеописанных предпочтительных вариантов.

Также и здесь в отношении обеспечиваемых преимуществ можно сослаться на вышеизложенное.

Изобретение касается также применения бетона, бетонного композита, в частности, сталебетона или бетона с волокнистым заполнителем, массивной древесины, фанеры, клееный древесины, пластика, усиленный стекловолокном, или усиленного углеродным волокном пластика в качестве материала для фланца ступицы и/или несущей конструкции ротора генератора ветроэнергетической установки или гидроэлектростанции. Предпочтительно при этом указанный ротор генератора выполнен по любому из вышеописанных предпочтительных вариантов.

Данное изобретение ниже описывается более подробно на основе нескольких предпочтительных примеров выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи. Идентичные или имеющие одинаковые функции признаки при этом снабжены идентичными ссылочными позициями.

При этом на чертежах показано следующее.

Фиг. 1a - ветроэнергетическая установка, схематично вид в перспективе,

Фиг. 1b - гидросиловая установка, схематичный вид в перспективе,

Фиг. 2 - гондола ветроэнергетической установки по Фиг. 1a, схематично вид в разрезе в аксонометрии,

Фиг. 3a - местный вид ротора генератора для ветроэнергетической установки по Фиг. 1 и Фиг. 2, схематично в аксонометрии,

Фиг. 3b - другой местный вид фрагмента по Фиг. 3a, схематично в аксонометрии,

Фиг. 4a - схематичный укрупненный вид первого варианта крепления для ротора генератора по Фиг. 3a, Фиг. 3b, и

Фиг. 4b - второй Вариант крепления для ротора генератора по Фиг. 3a, Фиг. 3b.

На Фиг. 1a показана ветроэнергетическая установка 100 с башней 102 и гондолой 104. На гондоле 104 расположен ротор 106 с тремя роторными лопастями 108 и кожухом 110 обтекателя. Ротор 106 с помощью ветра приводится в действие во вращательное движение и приводит за счет этого в действие генератор 1 (Фиг. 2) в гондоле 104.

На Фиг. 1b показана гидроэлектростанция 200. Гидроэлектростанция 200 имеет гидротурбину 211, которая приводится в действие водой, проходящей через проточный канал 212. Гидротурбина 211 расположена между впуском 213 потока и выпуском 215 потока и имеет генератор 5, в частности, многополюсный, медленно вращающийся синхронный кольцевой генератор. Генератор 5 выполнен согласно описываемым ниже Фиг. 2 - Фиг. 4b, с тем конструктивным отличием, что его (не показанный) фланец ступицы не обязательно должен быть соединен с приводным валом, но, альтернативно, непосредственно с несколькими лопатками турбины, которые вращаются в проточном канале. При этом говорят о так называемых прямоточных турбинах. В частности, данное изобретение касается также прямоточной осевой турбины.

Гондола 104 ветроэнергетической установки 100 более подробно показана на Фиг. 2. Гондола 104 поворотно смонтирована на башне 102 и общеизвестным образом приводится в действие с помощью азимутального привода 7. Также общеизвестным способом в гондоле 104 расположено основание под двигатель 9, которое удерживает генератор 1, предпочтительно выполненный как синхронный генератор. Генератор 1 согласно данному изобретению, в частности, представляет собой медленно вращающийся многополюсный синхронный кольцевой генератор с . Генератор 1 имеет статор 3 генератора и вращающийся внутри ротор 5 генератора, который также обозначается как вращающаяся часть. Ротор 5 генератора соединен со ступицей 13 ротора, которая вращательное движение лопастей 108 ротора, вызываемое с помощью ветра, передает на синхронный генератор 1.

Детали генератора 1 представлены на виде в разрезе на Фиг. 3а, Фиг. 3b, Фиг. 4а, Фиг. 4b. На Фиг. 3а, Фиг. 3b представлен ротор 5 генератора. Ротор 5 генератора имеет несущую конструкцию 17, которая образована из нескольких сегментов 17a-17f. Сегменты 17a-17f предпочтительно представляют собой сборные конструктивные элементы заводского изготовления, особенно предпочтительно из сталебетона. Несущая конструкция 17 соединена с бандажем 15 ротора. Бандаж 15 ротора предусмотрен для размещения полюсных башмаков (не показаны) генератора 1. На радиально противоположной внутренней стороне несущая конструкция 17 соединена с фланцем 19 ступицы. Фланец 19 ступицы предназначен для монтажа на главном валу или на валу редуктора ветроэнергетической установки 100.

Бандаж 15 ротора и фланец 19 ступицы предпочтительно выполнены из стали или стального сплава.

Несущая конструкция 17 имеет несколько выемок 21, которые служат проходными отверстиями для воздуха и дополнительно предназначены для снижения веса несущей конструкции 17 и упрощения в обращении с ней.

Несущая конструкция 17 выполнена, по существу, дискообразной, однако, опционально она имеет примерно контур усеченного конуса, который может быть охарактеризован углом конусности α, см. Фиг. 3b.

На Фиг. 4a и Фиг. 4b показаны различные возможности крепления для фиксации несущей конструкции 17 на бандаже 15 ротора. Такие же варианты крепления необходимо предпочтительно предусмотреть и для фиксации несущей конструкции 17 на фланце 19 ступицы. Отдельное изображение было опущены из соображений наглядности.

Так как согласно изобретению отказались от полностью монолитной конструкция ротора генератора, то между бандажем 15 ротора и несущей конструкцией 17 (и предпочтительно так же и между несущей конструкцией 17 и фланцем 19 ступицы, Фиг. 3a, Фиг. 3b) выполнен разделительный стык 23. Данный разделительный стык 23 вдоль его окружности перекрывается с помощью нескольких крепежных средств.

Согласно варианту на Фиг. 4a в качестве крепежных средств предлагаются болты 27, которые проходят сквозь соответствующую выемку 28 в несущей конструкции 17, и для создания соединения с силовым замыканием ввинчиваются в соответствующее резьбовое отверстие 25 бандажа 15 ротора. Разделительный стык 23 предпочтительно имеет такие размеры, что несущая конструкция 17 и бандаж 15 ротора в смонтированном состоянии прилегают друг к другу, однако, не спрессованы друг с другом.

Согласно второму варианту крепления, показанному на Фиг. 4b, несущая конструкция 17 вдоль разделительного стыка 23 закрепляется с помощью нескольких соединений болтом с круглыми головками 29 на бандаж 15 ротора. Такие соединения болтом с круглыми головками 29 по сторонам бандажа 15 ротора приварены к нему и входят в выемки 31 несущей конструкции 17. Эти выемки 31 после осуществленного позиционирования несущей конструкции 17 относительно бандажа 15 ротора заливаются затвердевающим материалом 33. Под затвердевающим материалом может пониматься, например, цемент, или затвердевающий полимер, например, синтетическая смола. Согласно варианту по Фиг. 4b разделительный стык 23 предпочтительно тоже имеет такие размеры, что несущая конструкция 17 и бандаж 15 ротора в смонтированном состоянии прилегают друг к другу, но не спрессованы друг с другом. Альтернативно этому предпочтительному варианту выполнения при обоих вариантах (Фиг. 4a и 4b) разделительный стык 23 тоже может частично или полностью заполняться затвердевающим материалом. Особенно предпочтительно материал, заполняющий разделительный стык 23 частично или полностью, является не полностью эластичным (vollelastisch), а тоже имеет третью степень демпфирования, которая предпочтительно больше, чем первая степень демпфирования бандажа 15 ротора, и особенно предпочтительно равна второй степени демпфирования несущей конструкции или больше нее.

Реферат

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – улучшение вибрационных характеристик. Ротор (5) генератора содержит бандаж (15) для фиксации множества полюсных башмаков, фланец (19) ступицы для закрепления ротора (5) на валу и несущую конструкцию (17), которая соединена без возможности поворота с бандажом (15) ротора с одной стороны и с фланцем (19) ступицы с другой стороны. Бандаж (15) ротора выполнен из металлического материала с первой степенью (D) демпфирования. При этом по меньшей мере один из элементов - несущая конструкция (17) или фланец (19) ступицы - частично или полностью выполнен из материала со второй степенью (D) демпфирования. Вторая степень (D) демпфирования выше, чем первая степень (D) демпфирования. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула