ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03D1/00 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности энергетическим ветроустановкам.

В современной ветроэнергетике наибольшее распространение получили ветроэнергетические установки (ВЭУ), использующие для преобразования энергии ветра ветроколеса пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения и числом лопастей менее четырех, обладающие высокой быстроходностью, доходящей до 5 7 модулей, благодаря чему эти ВЭУ имеют относительно высокий коэффициент использования энергии ветра и хорошую стабильность в работе (Фатеев Е.М. Системы ветродвигателей. Т.Э. из-во, М.Л. 1933, с. 131).

Однако высокая концентрация преобразуемой мощности потока на двух трех лопастях ветроколеса приводит к увеличению центробежных и вибрационных нагрузок на них и усложняет конструкцию ВЭУ за счет ввода дополнительных устройств и систем, ограничивающих скорость вращения ветроколеса и ориентацию его на ветер.

Ограничение скорости вращения ветроколеса, обусловленное прочностью лопастей на инерционную нагрузку, обозначает ограничение рабочей скорости ветра, вплоть до вывода установки из работы, когда скорость ветра превышает расчетную, что снижает эффективность ВЭУ.

В качестве привода ВЭУ также заслуживают внимания многолопастные ветроколеса с горизонтальной осью вращения, обладающие высокой приемистостью и плавностью хода. Они обеспечивают ветровым установкам эффективную работу при малых скоростях ветрового потока.

К их недостаткам можно отнести тихоходность и большое лобовое сопротивление, что снижает производительность работы ВЭУ при средней и большой скорости ветра.

Цель изобретения создание ветроэнергетической установки, способной работать с высоким КПД во всем диапазоне скоростей ветрового потока, несложной в изготовлении и надежной в работе.

Поставленная цель достигается с помощью ВЭУ, изображенной на фиг.1, 2, состоящей из неподвижной вертикальной опоры 1, установленной на фундаменте 2 и раскрепленной оттяжками 3, оголовка 4, свободно вращающегося вокруг вертикальной оси на вершине опоры, включающего в себя электрогенератор 5, трубчатую консоль 7, рабочий вал 8 и многолопастную ветротурбину 9, состоящую из рабочих лопаток 10, внутреннего бандажного кольца 11, наружного бандажного кольца 12, лонжеронов 13, ступицы 14, укрепленной на трубчатой консоли при помощи подшипников 15.

Лопаточный аппарат ветротурбины 9, расположенной за опорой 1, вынесен на периферию ометаемой поверхности, что обеспечивает максимальный крутящий момент. Лопаточный аппарат собран из наружного 12 и внутреннего 11 бандажных колец и большого количества рабочих лопаток 10, закрепленных на радиальных осях между ними.

Бандажные кольца ограничивают верхние и нижние кромки лопаток, предотвращая перетекание набегающего потока через них, а также возникновение паразитных завихрений на концах лопаток. Кроме того, бандажные кольца являются несущей конструкцией для рабочих лопаток, что позволяет равномерно распределить массу ветротурбины и центробежные нагрузки по всей окружности, а значит уменьшить количество и массу лонжеронов.

Для улучшения аэродинамических и прочностных качеств турбины бандажные кольца выполнены профилированными, образующими кольцевой диффузор, в зоне максимальной скорости которого размещены рабочие лопатки.

Профили рабочих лопаток совместно с профилированными бандажными кольцами образуют сопловой аппарат рабочей ступени ветротурбины. Данный сопловой аппарат формирует набегающий поток, обеспечивает оптимальные параметры при его прохождении через рабочую ступень ветротурбины и организует покидающий ступень поток, снижая паразитные завихрения и подключая к его выносу потоки, обтекающие лопаточный аппарат с наружной и внутренней стороны.

Такая конструкция ветротурбины делает невозможным размещение ее за несущей опорой, что обеспечивает установке хорошую реакцию на изменение направления ветрового потока и, что немаловажно, устраняет необходимость в устройстве для ориентации ветротурбины на ветер. Ввиду большого количества лопаток "затенение" потока несущей опорой не вызывает заметного влияния, так как потеря мощности турбины в момент прохождения лопаткой зоны "затенения" незначительна и компенсируется накопленной энергией маховика, роль которого выполняют бандажные кольца турбины.

Рабочие лопатки крепятся к бандажным кольцам не жестко, а на радиальных осях, проходящих вблизи передних кромок лопаток, и подпружинены, что дает им возможность при превышении скорости ветра над расчетной изменять угол атаки, снижая лобовое сопротивление ветротурбины набегающему потоку и увеличивая сопротивление относительному потоку, что снижает коэффициент использования энергии потока, обеспечивая тем самым постоянную скорость вращения ветротурбины при сохранении номинальной нагрузки на всех скоростях ветрового потока.

При работе ВЭУ под нагрузкой на лопатку ветротурбины действуют две силы, стремящиеся отклонить ее от исходного положения. Это давление набегающего потока, имеющего скорость V₀, и подъемная сила, создаваемая относительным потоком со скоростью W₁, возникающим при вращении ветротурбины.

До тех пор, пока скорость ветра не превышает расчетную скорость, обеспечивающую номинальную мощность ветротурбине, сумма указанных сил компенсируется силой натяжения пружины, которая не дает лопатке отклониться от исходного положения (фиг. 3а).

При превышении скорости ветра над расчетной давление набегающего потока на лопатку возрастет и превысит силу натяжения пружины, вследствие чего лопатка отклонится на какой-то угол от исходного положения, повернувшись вокруг оси, и займет позицию, в которой давление относительного потока и натяжение пружины уравновесят возросшее давление набегающего потока (фиг. 3б).

Подобная ситуация может возникнуть также в случае, если при номинальной скорости набегающего потока на валу турбины исчезнет нагрузка. Отсутствие нагрузки вызовет увеличение скорости вращения турбины, а значит, и скорости относительного потока и подъемной силы, им создаваемой. Действие увеличившейся подъемной силы превысит натяжение пружины, в результате лопатки отклонятся от исходного положения. Лопатки будут поворачиваться вокруг оси до тех пор, пока возрастающая сила бокового сопротивления лопаток относительному потоку и натяжение пружин не уравновесят возросшую подъемную силу.

При скорости ветра, превышающей расчетную скорость относительного потока лопатки турбины встанут параллельно набегающему потоку, до минимума снизив лобовое сопротивление набегающему потоку и до максимума увеличив сопротивление относительному потоку (фиг. 3в). Такое положение лопаток соответствует выводу из работы обычного ветроколеса, когда его ставят ребром к потоку. В данном случае работа турбины не прекратится, так как подъемная сила, возникающая при обтекании лопаток набегающим потоком действует в одном направлении по всей окружности турбины, а сила бокового сопротивления предохраняет турбину от разноса.

Жесткость пружины рассчитана такой, чтобы пружина удерживала лопатку в исходном положении до достижения скорости ветра расчетного значения, а при скорости ветра, превосходящей расчетную скорость относительного потока, лопатка занимала бы положение параллельно набегающему потоку.

Лопаточный аппарат ветротурбины соединяется со ступицей 14 посредством нескольких лонжеронов 13, которые выполнены профилированными для уменьшения сопротивления ветровому потоку (фиг. 2).

Ступица ветротурбины вращается на подшипниках 15, установленных снаружи трубчатой консоли 7 оголовка 4, а рабочий вал 8, проходящий внутри консоли, передает вращение ступицы на редуктор 6, закрепленный на оголовке. Благодаря этому с рабочего вала снята функция несущей конструкции ветротурбины, что позволяет облегчить его.

Электрогенератор 5 расположен внутри оголовка и неподвижно закреплен на вершине мачты 1 в вертикальном положении таким образом, что ось вращения его ротора совпадает с осью вращения оголовка. Такое расположение генератора решает проблему токосъема и защиты кабеля от скручивания в процессе работы ВЭУ, что значительно упрощает конструкцию и делает ее надежной в работе.

Вал ротора электрогенератора выполнен полым, что позволяет провести сквозь него органы управления аварийным тормозом ветротурбины.

Использование: применяется в ветроэнергетике. Сущность изобретения: в качестве привода ветровой энергетической установки (ВЭУ) использована быстроходная многолопастная ветротурбина, закрепленная на трубчатой консоли за опорой ВЭУ. Внутри консоли проходит вал отбора мощности, связывающий ступицу турбины с редуктором. Быстроходность ветротурбины достигается за счет того, что ее профилированные лопатки размещены на периферии ометаемой поверхности между профилированными бандажными кольцами, соединенными со ступицей турбины профилированными лонжеронами. Бандажные кольца с целью увеличения скорости потока выполнены профилированными и совместно с лопатками образуют сопловой аппарат. Для защиты турбины от разгона и уменьшения лобового сопротивления рабочие лопатки крепятся на радиальных осях и подпружинены. Для предотвращения закручивания кабеля при поворотах гондолы электрогенератор установлен вертикально таким образом, что ось вращения совпадает с осью вращения гондолы. Вал ротора генератора выполнен полым для того, чтобы провести сквозь него органы управления тормозом турбины. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветровая энергетическая установка, содержащая вертикальную опору и оголовок, расположенный на ее вершине с возможностью вращения вокруг вертикальной оси опоры, причем на оголовке установлены многолопастная ветротурбина, редуктор и электрогенератор, отличающаяся тем, что рабочие лопасти ветротурбины размещены на периферии ометаемой поверхности, между профилированными бандажными кольцами, совместно с которыми образуют сопловой аппарат, соединенный со ступицей ветротурбины посредством лонжеронов. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что рабочие лопатки крепятся к бандажным кольцам на радиальных осях и подпружинены. 3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что лонжероны выполнены профилированными. 4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что оголовок снабжен трубчатой консолью, ветротурбина вращается на подшипниках, установленных снаружи трубчатой консоли, внутри которой размещен рабочий вал, передающий вращение от ветротурбины редуктору. 5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что ось вращения ротора электрогенератора совпадает с осью вращения оголовка. 6. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что вал ротора электрогенератора выполнен полым.