Ison tuuligeneraattorin roottorin ja staattorin rakennetarkastelu

Abstract

Maailmanlaajuinen ilmastopolitiikka asettaa vaativia tavoitteita hiilidioksidipäästöjen vähentämiselle. Suurin haaste on tuottaa energiaa mahdollisimman alhaisin kustannuksin käyttäen uusiutuvia ja ympäristöä säästäviä energiamuotoja. Tuulivoimasta on tullut nopeimmin kehittyvä sähköntuotantotapa, ja tuuliturbiinien koon kasvun myötä on myös generaattorien koko kasvanut merkittävästi 1990-luvulta lähtien. Generaattorin massiivisuus suoravetoisessa tuuliturbiinin voimansiirrossa vaatii tarkkoja kuormitustarkasteluja, jotta rakenne kestäisi tuuliturbiinin eliniän. Tuuliturbiinin kuormitukset ovat stokastisia ja toisinaan erittäin suuria, mikä vaikeuttaa kuormitusten määrittämistä. Tuulen kuormitusten lisäksi generaattori altistuu eri toimintojen kautta muillekin kuormituksille, ja tästä syystä on otettava huomioon jarrutuksen, dynaamisen tasapainon ja ohjauksen sekä verkkovikojen aiheuttamat rasitukset tuuliturbiinin voimansiirrolle. Edellisten lisäksi työssä on tarkasteltu erilaisia rakenneratkaisuja sekä pyritty kiinnittämään huomio niiden kuormankantokykyyn ja jäykkyyteen sekä generaattorin keventämismahdollisuuksiin verrattuna perinteisiin radiaalivuogeneraattoreihin. Työssä on pyritty selvittämään rakenteen kuormitukset siten, että pystyttäisiin optimoimaan mahdollisimman kevyt rakenne. Optimoinnin kohteena on pinnarakenteisen generaattorin rakenteen massa puolien, puolan kulmien sekä tukirenkaan ja niistä aiheutuvien erilaisten rakenneyhdistelmien suhteen tarkasteltuna.

Worldwide climate policy and the global climate agreement strongly demand to reduce carbon dioxide emissions. The greatest challenge is to produce low cost energy with renewable methods. Wind power is one of the fastest developing methods to produce electricity and with the growth of the wind turbine size the wind turbine generators have become heavier and the size of the generators has grown since the beginning of 1990's. The massive generators in wind turbine drivetrain require many kinds of structural analysis to enable the structure to last the lifetime of the wind turbine. Wind turbine loads are stochastic and sometimes very big due to wind, which makes the load determination very demanding. In addition to wind loads, additional loads due to various functions affect the generator as well. For this reason, it is advisable to take into account braking, dynamic balance, dynamic control and electrical network failure impact to the drivetrain loads of the generator. In this study different structural solutions have been examined and a great effort has been made to find out what is the feature of the structure that carries the load and also, the potential of the existing lightweight wind turbine generators compared to the structure of the conventional radial flux generator has been taken into consideration. Furthermore, the goal of this study has been to find out a way to determine wind turbine generator loads in a way that makes it possible to optimize the lightweight structure. The target of the optimization in the structure is the number of the spokes, the spoke angle and the support ring in a generator and the weight gain on the structure of different combinations caused by them.