ВЕТРОАГРЕГАТ Российский патент 1994 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к ветроагрегатам электропитания и может быть использовано при создании ветроэлектростанций.

Известны ветроагрегаты с ветродвигателями с горизонтальной осью вращения, установленные на башне высотой несколько десятков метров. В частности, на башне, высотой 30,5 м на горизонтальном валу 100 киловаттного генератора установлен пропеллер с двумя алюминиевыми лопастями длиной 19 м и весом 900 кг. Известны ветроагрегаты с ветродвигателями с вертикальной осью вращения различных конструкций [1].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности является ветроагрегат, включающий ротор с вертикальной осью вращения, установленный на инерционном диске с кольцевой обечайкой погруженной в жидкость с образованием воздушной подушки и снабженный генератором с кольцевым статором и сферическим ротором [2].

Недостатком такого агрегата является большая материалоемкость, нерегулируемые скорость вращения и момент инерции (прототип).

Цель технического решения - снижение материалоемкости, повышение надежности и расширение пределов регулирования параметров агрегата.

Это достигается тем, что неподвижные цилиндры и цилиндры ротора соединены при помощи подшипников, несущая конструкция выполнена в виде башни, жестко связанного с ней центрального узла и радиальных крыльев, связанных с узлом.

Радиальные крылья расположены в одной плоскости, а аэродинамические элементы выполнены в виде вертикальных осей, установленных на концах крыльев, и цилиндров, размещенных на осях с возможностью вращения, симметрично горизонтальной плоскости.

Крылья выполнены телескопическими с выдвижными частями, противоположные из которых связаны друг с другом при помощи гибкой тяги, а центральный вал ротора снабжен барабаном, установленным с возможностью вращения относительно вала, и электромагнитной муфтой, размещенной между барабаном и валом.

Ротор снабжен механизмом изменения угла отклонения крыльев и аэродинамических элементов, центральный узел выполнен в виде крестовины, а крылья связаны с ней и аэродинамическими элементами при помощи шарниров.

На фиг. 1 изображен турбоветроагрегат электропитания, вертикальный разрез; на фиг. 2 - супертурбоветроагрегат, вертикальный разрез; на фиг. 3 - рабочий элемент ротора агрегата с опорой вращения, вертикальный разрез; на фиг. 4 - общий вид супертурбоветроагрегата электропитания.

Ветроагрегат электропитания Светлова (ВЭС) включает (фиг. 1) опору 1 с коаксиальными неподвижными цилиндрами 2, ветряной ротор, жестко связанный с несущей конструкцией, выполненной в виде башни, состоящей из центрального узла и прикрепленных к нему снизу цилиндров 3, перекрытых герметичной крышкой 4 и расположенных коаксиально неподвижным, два стакана 5, образующих все вместе кольцевые полости, заполненные жидкостью. Центральный вал 6 жестко соединен с несущей конструкцией и ротором генератора ВЭСа, а статор 7 последнего размещен внутри неподвижного цилиндра 2. Цилиндры 3 ветряного ротора соединены с неподвижными цилиндрами 2 при помощи подшипников, установленных на валу 6. На радиальных крыльях (РК) 8, жестко связанных с центральным узлом, установлены на опорных устройствах 9 аэродинамические элементы (АЭ) 10, выполненные в виде продолжения подвижных цилиндров опорных устройств 9 (Турбовэс) или, как вариант, в виде паруса-крыла (ВЭС). Статор 11 электропривода АЭ 10 установлен внутри на стакане 12, а ротор 13 с валом установлен одним концом на крышке 14, другим - на основании опорного устройства 9 на подшипниках. Верхние концы АЭ 10 установлены на подшипниках на концах радиальных крыльев 15, установленных на валу 16. Неподвижная крестовина 17 соединена с фундаметом гибкой связью 18.

Агрегат (фиг. 2) включает РК 8, расположенные в одной горизонтальной плоскости, АЭ 10, выполненные в виде вертикальных осей 19, жестко установленных на концах РК 8, и цилиндров, размещенных на осях 19 с возможностью вращения симметрично горизонтальной плоскости и снабженных электроприводами с вращающимся статором 11 и неподвижным ротором, выполненным на оси 19. АЭ 10 могут быть выполнены в виде паруса-крыла или цилиндров и могут быть установлены на опорных устройствах, выполненных как показано на фиг. 3.

Супермаховиковый агрегат (фиг. 2) с переменным моментом инерции включает РК 8, выполненные телескопическими с выдвижными частями, причем противоположные выдвижные части соединены между собой при помощи гибкой тяги 20, намотанной на барабан 21, установленный подвижно на валу 6 и соединенный с последним электромагнитной муфтой (ЭМ) 22, установленной на шлицах также на валу 6. На внутреннем цилиндре 2 установлено тормозное устройство 23 барабана 21, а внутри цилиндра 2 расположены, например, технические помещения 24 с аппаратурой управления. Выдвижные части РК 8 могут жестко фиксироваться внутри неподвижных частей РК 8, например, с помощью тормозов с электромагнитным приводом (не показаны). АЭ 10 могут быть выполнены телескопическими в виде паруса-крыла (СуперВЭС) или цилиндров (СупертурбоВЭС) и снабжены электроприводами с вращающимся статором 11 и неподвижным ротором 13.

Супермаховиковый агрегат (фиг. 4) включает РК 8, установленные шарнирно на осях 25 на центральном узле 26, выполненном, например, в виде крестовины, установленной на подвижных цилиндрах 3. Оси 19 с АЭ 10 установлены на концах РК 8 также шарнирно на осях 27. Ротор снабжен механизмами изменения угла отклонения РК 8 и АЭ 10, выполненными, например, в виде зубчатых секторов 28 на верхнем конце РК 8 и на фигурной оси 19 и электроприводов с ведущей шестеренкой (не показаны) или, как вариант для РК 8, в виде червячной передачи с червяком, установленным в центре башни, входящим в зацепление одновременно со всеми зубчатыми секторами 28. АЭ 10 могут быть выполнены в виде паруса-крыла или цилиндров и снабжены электроприводами.

ВЭС (фиг. 1) работает следующим образом. Ротор ветродвигателя с АЭ 10, установленный на определенной высоте на цилиндрах 3, вращается на воздушной подушке, созданной столбом жидкости в полости стаканов 5 под герметичной крышкой 4, при этом цилиндры 3 выполняют одновременно функции башни и опоры вращения ротора ветродвигателя. Ротор, соединенный с валом 6 и с ротором генератора ВЭС, приводится во вращение с помощью АЭ 10, управляемых с помощью исполнительных двигателей. Подшипники вала 6 выполняют функции направляющих подшипников цилиндров 3 и генератора, а неподвижный цилиндр 2 выполняет также функции корпуса генератора 7, что вместе существенно повышает мощность и снижает металлоемкость ВЭСа. АЭ 10, выполненные в виде цилиндров, установленных в опорах вращения 9, приводятся во вращение вокруг своих осей с помощью электроприводов со статором 11 и ротором 13. В соответствии с эффектом Магнуса при вращении цилиндра вследствие сил вязкости воздуха в движение вовлекаются его слои, соприкасающиеся с поверхностью цилиндра. На одной из сторон цилиндра направление вращающихся частиц воздуха в этих слоях совпадает с направлением ветра - скорость их увеличится, а давление в этих слоях падает. На противоположной стороне цилиндра "прилипшие" к его поверхности частицы столкнутся со встpечным потоком воздуха - здесь скорость уменьшится, а давление возрастет. Таким образом возникает аэродинамическая сила, приводящая ротор во вращение, причем независимо от места расположения АЭ 10, сила направлена перпендикулярно направлению ветра в любой точке окружности вращения последних, т. е. нет необходимости управления их углом атаки. Управление аэродинамической силой, а также скоростью вращения ротора производится путем регулирования (подбора) скорости вращения АЭ 10 вокруг своих осей с помощью системы автоматического управления (САУ). При установке в качестве АЭ 10 паруса-крыла, угол атаки последних может регулироваться с помощью исполнительных электроприводов, установленных также внутри опор вращения 9. Ротор 13 электропривода подвешен и вращается на герметичной крышке 14 опорного устройства 9 вместе с АЭ 10, при этом направляющие и опорные подшипники вала ротора 13 выполняют те же функции для опорного устройства 9 и АЭ 10, а стакан 12 опорного устройства 9 выполняет функции корпуса статора 11 электропривода.

Агрегат с двумя АЭ 10 на концах осей 19 (фиг. 2) работает следующим образом. АЭ 10 приводятся во вращение вокруг своих осей с помощью встроенных электроприводов с вращающимся статором 11 и с неподвижным ротором 13. Скорость вращения АЭ 10, установленных на разных уровнях на концах осей 19, различна и зависит от скорости и силы ветра данного АЭ 10. Угол атаки АЭ 10, выполненных в виде паруса-крыла, устанавливается также с помощью встроенных исполнительных электроприводов.

Агрегат с РК 8, выполненными с выдвижными частями, (фиг. 2) работает вышеуказанным способом, например, в заданном режиме с определенной скоростью вращения при установившейся скорости ветра. АЭ 10 под действием центробежных сил (ЦБС) стремятся растянуть РК 8, которые удерживаются в заданном положении с помощью гибкой тяги 20 и электромагнитных тормозов. Например, скорость и сила ветра увеличились. Следовательно скорость движения (окружная) АЭ 10 тоже увеличится. Чтобы сохранить заданную скорость вращения ротора, увеличивается радиус последнего и скорость вращения АЭ 10 вокруг своих осей, при этом угловая скорость вращения ротора остается постоянной, а окружная скорость АЭ 10 увеличится. Для этого ЭМ 22 на определенное время выводится из зацепления с барабаном 21 и выдвижные части РК 8 с АЭ 10 на концах под действием ЦБС выдвигаются на определенную длину, размотав гибкую тягу 20 с барабана 21. Таким образом, при периодическом выключений ЭМ 22, радиус ротора постепенно увеличивается до нужных при данной скорости и силе ветра размеров, при этом увеличиваются мощность, а также момент инерции ротора, т. е. происходит постепенное накопление энергии ветра в виде кинетической энергии тела вращения как в супермаховиковом аккумуляторе энергии. Чем больше скорость и сила ветра, тем на больший радиус вращения выводятся АЭ 10. РК 8 из-за больших центробежных сил в большей степени работают на растяжение, чем на изгиб, что позволяет выполнить их облегченными. При уменьшении скорости и силы ветра (которые в течение дня меняются) скорость вращения ротора поддерживается заданной за счет накопленной энергии и уменьшения радиуса ротора до минимального. Для этого ЭМ 22 выводится из зацепления с барабаном 21, который одновременно притормаживается тормозным устройством 23 и РК 8, опережая вращение барабана 21, наматывают гибкую тягу 20 на последний, втягивая выдвижные части РК 8 вовнутрь. Последние могут быть жестко зафиксированы внутри РК 8 с помощью электромагнитных тормозов (не показаны).

Агрегат с РК 8, установленными шарнирно на центральном узле 26 (фиг. 4), работает следующим образом. Ротор приводится во вращение вышеуказанным способом, при этом РК 8 с АЭ 10 на концах под действием центробежных сил стремятся увеличить свой радиус вращения и подняться в верх. Регулирование угла отклонения РК 8 и установка АЭ 10 вертикально производится с помощью механизмов изменения угла отклонения с зубчатыми секторами 28 при одновременном уравновешивании АЭ 10 на осях 27, выполненных телескопическими, изменением их длины. При увеличении скорости и силы ветра концы РК 8 с АЭ 10 под действием центробежных сил и механизмов изменения угла отклонения поднимаются выше и увеличивают радиус вращения ротора, при этом скорость вращения ротора остается постоянной, а мощность и момент инерции увеличиваются. РК 8 из-за больших центробежных сил работают больше на растяжение, чем на изгиб, что позволяет выполнить их облегченными. При уменьшении силы и скорости ветра концы РК 8 с АЭ 10 опускаются ниже, при этом происходит расход ранее накопленной энергии и скорость вращения ротора сохраняется заданной.

Положительный эффект предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом состоит в том, что предлагаемые ВЭСы просты в управлении и менее материалоемки. Предлагаемые ВЭСы можно строить мощностью, равной десяткам МВт, какая в настоящее время не существует.

Использование: преобразование энергии ветра. Сущность изобретения: ветроагрегат электропитания содержит основание, несущую конструкцию, выполненную в виде башни, жестко связанные с ней центральный узел и радиальные крылья (как вариант - телескопические или установленные шарнирно), аэродинамические элементы, установленные на концах радиальных крыльев на вертикальных осях с возможностью вращения (как вариант - установленные симметрично горизонтальной плоскости радиальных крыльев) и генератор. Радиальные крылья расположены в одной горизонтальной плоскости, а аэродинамические элементы выполнены в виде вертикальных осей, установленных на концах крыльев, и цилиндров, размещенных на осях с возможностью вращения, симметрично горизонтальной плоскости. Крылья выполнены телескопическими с выдвижными частями, противоположные из которых связаны друг с другом при помощи гибкой тяги, а центральный вал ротора снабжен барабаном, установленным с возможностью вращения относительно вала, и электромагнитной муфтой, размещенной между барабаном и валом. Ротор снабжен механизмом изменения угла отклонения крыльев и аэродинамических элементов, центральный узел выполнен в виде крестовины, а крылья связаны с ней и аэродинамическими элементами при помощи шарниров. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. ВЕТРОАГРЕГАТ, содержащий основание, установленную на нем опору с коаксиальными неподвижными цилиндрами, ветряной ротор, выполненный в виде центрального вала, жестко связанной с ним несущей конструкции, прикрепленных к ней снизу цилиндров, расположенных коаксиально неподвижным и образующих с ним кольцевые полости, заполненные жидкостью и перекрытые герметичными крышками, и рабочих аэродинамических элементов, установленных на несущей конструкции, и генератор со статорной обмоткой, размещенной в одном из неподвижных цилиндров и роторной частью закрепленной на цилиндре ротора, отличающийся тем, что, с целью снижения материалоемкости, повышения надежности и расширения пределов регулирования параметров агрегата, неподвижные цилиндры и цилиндры ротора соединены при помощи подшипников, несущая конструкция выполнена в виде башни, жестко связанного с ней центрального узла и радиальных крыльев, связанных с узлом. 2. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что радиальные крылья расположены в одной горизонтальной плоскости, а аэродинамические элементы выполнены в виде вертикальных осей, установленных на концах крыльев, и цилиндров, размещенных на осях с возможностью вращения симметрично горизонтальной плоскости. 3. Агрегат по п.1, отличающийся тем, что крылья выполнены телескопическими с выдвижными частями, противоположные из которых связаны одна с другой при помощи гибкой тяги, а центральный вал ротора снабжен барабаном, установленным с возможностью вращения относительно вала, и электромагнитной муфтой, размещенной между барабаном и валом. 4. Агрегат по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ротор снабжен механизмом изменения угла отклонения крыльев и аэродинамических элементов, центральный узел выполнен в виде крестовины, а крылья связаны с ней и аэродинамическими элементами при помощи шарниров.