ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F03D11/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках.

Известен ветроагрегат, включающий расположенный на мачте пропеллер с генератором (1). Его недостаток - малая мощность и большая стоимость.

Известна также ветроэнергетическая установка (ВЭУ), содержащая многосекционный ротор барабанного типа с вертикальными лопастями, жестко соединенными посредством траверс с вертикальным валом, крепление из набора горизонтальных, вертикальных и наклонных тросов, соединенных между собой узлами, горизонтальные из которых взаимодействуют с валом через подшипники и расположены между секциями ротора, а наклонные - заделаны в грунт, верхний узел преобразования через троса крепления ВЭУ изгибных нагрузок в ее вале от ветра в сжимающие, водоем с трубопроводом подвода воды к установке, систему преобразования ветровой энергии в электрическую (2).

У такого технического решения имеются резервы для дальнейшего повышения эффективности за счет снижения материалоемкости и интенсификации насыщения водоема растворенным атмосферным кислородом с целью увеличения его самоочищающей способности от органических загрязнений, попадающих в водоем со стоками.

Поставленная цель достигается тем, что система преобразования энергий состоит по крайней мере из одной пары турбин Пильтона (ковшовая) со своими генераторами, монтированных на роторе с его диаметрально противоположных сторон, соединенных между собой стержнем нейтрализации в роторах этих турбин и их генераторов противоположно направленных центробежных сил для разгрузки подшипников, при этом стержень пропущен через выполненные в вале ВЭУ отверстия и взаимодействует с ним посредством установленного на вале сбоку в зоне одного из отверстий торцевого подшипника - для восприятия остаточных режимных неуравновешенных центробежных сил, причем водовыбросные сопла турбин Пильтона расположены в разных плоскостях на расстоянии друг от друга по вертикали, равном рабочему диаметру колеса турбины - первое сопло расположено в уровне верхних ковшов одной турбины, а второе сопло расположено в уровне нижних ковшов другой турбины из этой же пары, на роторе ВЭУ монтированы также подсоединенные к соплам трубчатые радиально центробежные насосы, всасывающие стороны которых размещены в дополнительной кольцевой емкости, образованной дополнительной кольцевой стенкой и соединенной с водоемом трубопроводом, понтон соединен с валом ВЭУ посредством конусной вставки, а верхний узел преобразования в вале ВЭУ изгибных нагрузок от ветра в нагрузки сжатия кинематически связан с валом посредством пары радиальных и одного торцевого подшипника, кроме того ВЭУ снабжена аварийно-тормозным устройством, включающим жестко закрепленные на верхнем торце кольцевой стенки фрикционные элементы и монтированный в верхней части понтона кольцевой диск, расположенный над этими фрикционными элементами с зазором в рабочем положении - при работе ВЭУ, а в понтоне имеется сдвоенное сферическое днище, образующее между собой замкнутую полость изменения грузонесущей способности понтона, сообщающуюся с емкостью, где расположен понтон, через монтированную в боковых стенках понтона запорную систему экстренного заполнения водой полости между сферическими днищами понтона для образования неуравновешенных сил и передачи их на тормозное устройство, причем эта полость соединена воздушной трубкой с атмосферой. Стержни каждой пары турбин пропущены через ось вращения ВЭУ и расположены друг над другом - в разных плоскостях. В соплах каждой из турбин размещены элипсовидные воздушные каналы (эжекторы) с прямоосным расположением всех его элементов, сообщающиеся с фронтальной стороны в поворотной зоне трубчатого насоса с атмосферой и сочлененные своим входным элементом с трубчатым насосом в этой зоне. Под понтоном размещен торцевой подшипник скольжения, состоящий из расположенного в цилиндрической камере подвижного в вертикальном направлении стакана с направляющими и вогнутым его дном, покрытым антифрикционным материалом, контактирующим в рабочем положении с днищем понтона в зоне оси ВЭУ, под стаканом образована герметичная заполненная жидкостью камера, сообщающаяся трубопроводами с запорной арматурой, соответственно, с насосом, обеспечивающим поддержание в этой камере стабильного давления при изменении температуры воздуха в рабочих режимах, и с аварийным выпуском жидкости из этой камеры для сброса в ней давления при аварийном торможении, чем обеспечивается задействование тормозного устройства.

На фиг. 1 показан вертикальный разрез ВЭУ; на фиг. 2 показан разрез по В-В на фиг. 1; на фиг. 3 - узел I на фиг. 2; на фиг. 4 - вид сбоку на турбины Пильтона с их соплами.

Ветроэнергетическая установка содержит вертикальные лопасти 1, траверсы 2, вал 3, понтон 4, емкость 5 образованную кольцевой стенкой 6, крепление из горизонтальных 7, вертикальных 8 и наклонных 9 тросов (стержней) с узлами их соединения между собой 10, подшипники 11 соединения горизонтальных тросов с валом, заделка 12 наклонных тросов в грунт, заделка 13 вертикальных тросов в грунт, верхний узел (крепления) преобразования изгибных нагрузок в сжимающие вала 14, водоем 15 с трубопроводом 16, турбины Пильтона 17 и 18 со своими генераторами 19, 20 одной пары, соединенные между собой стержнем 21, отверстия 22, 23 в вале ВЭУ с торцевым подшипником 24, водовыбросные сопла 25 и 26 турбин, трубчатые радиально-центробежные насосы 27 и 28, кольцевую емкость 29 с дополнительной кольцевой стенкой 30, радиальные 31, 32 и торцевой 33 подшипники связи верхнего узла с валом, конусная вставка 34, фрикционные элементы 35 и кольцевой диск 36 тормозного устройства, сферические днища 37 и 38 понтона с полостью 39 между ними и запорной системой 40, воздушную трубку 41, стержень 42 второй пары турбин 43 и 44, элипсовидный воздушный канал 45 с входным элементом 46, цилиндрическую камеру 47 со стаканом 48 и трубопроводами с запорной арматурой 49, 50 и насосом 51 с манометром 52. Трубопровод 53 сброса воды из емкости 54 в водоем.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Одним из известных способов раскручивается ротор установки до необходимых частот. Для придания стабильного положения по высоте и стабильных натяжений тросов крепления установки насосом 51 в камере 47 создается расчетное давление, фиксируемое манометром 52, что позволяет при любых колебаниях температуры и температурных изменений размеров тросов и вала контролировать напряженное состояние в грузонесущих элементах установки, что имеет важное значение при отсутствии грузонесущей мачты и восприятии массы ротора понтоном, не имеющим устойчивого положения по высоте, как и любое плавающее устройство. Этим торцевым подшипником, донная часть стакана 48 которого покрыта антифрикционным материалом, воспринимается менее 10% от общей массы ротора - для снижения материалоемкости подшипника и увеличения его долговечности. Включаются в работу трубчатые радиально-центробежные насосы 27 и 28 - обязательно в паре синхронно для предотвращения появления неуравновешенных радиальных сил, в результате в соплах 25 и 26 создается высокое давление (порядка 100 м), преобразуемое в скоростной напор воздействия выбрасываемых из сопел струй на ковши турбины Пильтона, вращающие свои генераторы 19 и 20, вырабатывающие электроэнергию. Сопла выполняются в виде эжектора прямоосного типа, в котором рабочий агент движется по периметру, а подсасываемый воздух - по оси, чем повышается КПД вовлечения воздуха и увеличивается глубина его проникновения в кольцевой емкости 29. Благодаря фронтальному расположению входного элемента 46 увеличивается дополнительно расход воздуха в эжекторе и снижается сопротивление при движении трубчатого насоса, т.к. часть воздуха проходит через эжектор, чем снижается объемный расход обтекающего насос воздуха и его скорости. Благодаря высоким скоростям выбрасываемых из сопел струй турбина вращается с увеличенной частотой, чем принципиальным образом снижаются размеры и масса генератора. Использование для увеличения частот вращения генератора турбин Пильтона во вращающем движении всей системы выгодно тем, что при этом используется в полной мере реактивная тяга в соплах, чем в заметных пределах увеличивается КПД использования энергии ветра при ее преобразовании в электрическую. Насыщенная воздухом вода попадает в кольцевую емкость 29 и трубопроводом 53 отводится в водоем 15 для его насыщения атмосферным кислородом равномерно по всему объему. Одновременно из водоема по трубопроводу 16 к ВЭУ подводится вода для осуществления рабочего процесса преобразований энергии и насыщения транзитной воды, пропускаемой через ВЭУ для ее насыщения атмосферным кислородом.

Для экстренного торможения в цилиндрической камере 47 сбрасывается давление открытием запорной арматуры 49 и заполняется полость 39 понтона открытием запорной системы 40 - для снижения грузонесущей способности понтона. За счет этого образуются неуравновешенные силы, которые передаются на тормозное устройство - кольцевой диск 36 входит в силовое взаимодействие с фрикционными элементами 35.

Таким техническим решением обеспечивается получение двойного эффекта - повышение экономичности за счет увеличения КПД и снижения массы ВЭУ, попутного насыщения водоема растворенным атмосферным кислородом для повышения его самоочищающей способности.

Использование: в ветроэнергетических установках. Сущность изобретения: ветроэнергетическая установка снабжена кольцевой камерой, сообщенной с водоемом емкостью с размещенным в ней понтоном с разгрузочной полостью и конусообразной верхней частью, по крайней мере одной парой ковшовых турбин с генераторами и подводящими патрубками с сопловыми насадками, причем обе турбины с генераторами расположены взаимно- противоположно и связаны компенсационным стержнем, сопловые насадки расположены соответственно в зонах верхней и нижней частей турбин, подводящие патрубки сообщены с кольцевой камерой , разгрузочная полость понтона - с емкостью и атмосферой, а конусообразная верхняя часть понтона связывает полость последнего с полостью вала. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая ветроколесо с лопастями, связанными траверсами с вертикальным валом, укрепленным при помощи тяг и растяжек, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности и расширения функциональных возможностей, она снабжена кольцевой камерой, сообщенной с водоемом емкостью с размещенным в ней понтоном с разгрузочной полостью и конусообразной верхней частью, по крайней мере одной парой ковшовых турбин с генераторами и подводящими патрубками с сопловыми насадками, причем обе турбины с генераторами расположены взаимно противоположно и связаны компенсационным стержнем, сопловые насадки установлены соответственно в зонах верхней и нижней частей турбины, подводящие патрубки сообщены с кольцевой камерой, разгрузочная полость понтона - с емкостью и атмосферой, а конусообразная верхняя часть понтона связывает полость последнего с полостью вала. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каждый сопловой насадок снабжен левым воздушным каналом. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что емкость снабжена подшипником скольжения, выполненным в виде цилиндрического стакана, установленного с возможностью осевого перемещения в заполненной жидкостью герметичной полости, связанной с насосом запорной аппаратурой, причем дно стакана обращено к дну понтона, выполнено вогнутым и покрыто антифрикционным материалом.