ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С БЕСКОНСОЛЬНЫМ КРЕПЛЕНИЕМ ЛОПАСТЕЙ И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВЕТРОКОЛЕСА Российский патент 1999 года по МПК F03D1/00 F03D7/00 

Ветроэнергетическое устройство с бесконсольным креплением лопастей и способ регулирования частоты вращения ветроколеса относится к ветроэнергетическим двигателям большой мощности для использования энергии ветра и выработки электрической энергии.

Уровень техники.

Известны ветродвигатели с диффузором и ветроколесом лопасти, которого консольно закреплены в центральной втулке, расположенной на оси вращения вместе с подшипником, механизмом изменения угла установки лопастей, системой передачи вращающего момента, редуктором и генератором. [1] с. 134. Такая конструкция обуславливает большие изгибающие моменты в лопастях ветроколеса, особенно в месте их крепления к втулке, накладывает ограничение на диаметр ветроколеса, обуславливает высокую удельную стоимость лопастей ветроэнергетических устройств. Большая масса ветроколеса создает при вращении большие силы инерции, что затрудняет его быструю остановку без повреждений.

Сущность изобретения.

Целью изобретения является создание ветроэнергетического устройства с ветроколесом, обеспечивающим равномернораспределенную передачу реакции ветрового потока от вращающихся лопастей к неподвижным элементам.

Предлагаемое ветроэнергетическое устройство с бесконсольным креплением лопастей содержит поворотную платформу 1 (фиг. 1) для ориентации устройства по направлению ветра. На платформе 1 для концентрации энергии ветра находится диффузор 2. В диффузоре 2 размещены радиальные неподвижные стойки 3 на которых установлен осевой подшипник 4 с горизонтальной осью 5. Подшипник 4 может перемещаться вдоль своей оси относительно стоек 3 и фиксироваться в заданном положении.

Ветроколесо содержит передний (по ходу ветрового потока) обод 6 и задний обод 7 с горизонтальной осью вращения, вращающиеся на ведомых колесах 8 и свободных роликах 9, равномерно размещенных по внутреннему периметру диффузора 2. (фиг. 4). Для устойчивого положения ободьев 6 и 7 ведомые колеса 8 и свободные ролики 9 расположены с противоположных сторон по периметру поперечного сечения ободьев 6 и 7 (фиг. 2). Ведомые колеса 8 контактирующие с ободьями 6 и 7 расположены соосно и соединены попарно валами 10. Для управления взаимным перемещением (поворотом) ободьев 6 и 7 валы 10 содержат управляемые, например электромагнитные, муфты 11 обеспечивающие соединение и разъединение валов 10. При включенных муфтах 11 обеспечивается синхронное вращение ободьев 6 и 7, а при отключенных муфтах 11 ободья 6 и 7 имеют возможность поворота относительно друг друга и вращения с различными угловыми скоростями. Валы 10 соединяют ведомые колеса 8 с синхронными генераторами 12, которые преобразуют механическую энергию ветроколеса в электрическую. Синхронные генераторы 12 системой управления могут отключаться и подключаться к нагрузке как параллельно, так и последовательно. Равномерное распределение генераторов 12 на ободьях 6 и 7 обеспечивает их равномерное нагружение по всему периметру моментами сопротивления вращению, со стороны генераторов 12, что в свою очередь уменьшает требования к жесткости ободьев, позволяет уменьшить их массу.

Для крепления лопастей ветроколесо содержит радиально расположенные передние тросы 13 и задние тросы 14. (фиг. 5). Передние тросы 13 подвешены одним концом на внутреннем ребре жесткости переднего обода 6, а другим концом на фланце горизонтальной оси 5. Задние тросы 14 подвешены одним концом на внутреннем ребре жесткости заднего обода 7, а другим концом на фланце горизонтальной оси 5. Плоскость вращения центральных точек подвеса 15 и 16 тросов 13 и 14 (фиг. 3) смещена относительно плоскости вращения периферийных точек подвеса 17 и 18 (фиг. 2) в направлении противоположном ветровому потоку так, чтобы при ветровой нагрузке линии прогиба тросов 13 и 14 в данных точках располагались в направлении, обеспечивающем равномерное нагружение ободьев 6 и 7 например, по касательной к плоскости их вращения. Такое расположение точек подвеса обеспечивает уменьшение нагрузки от лобового сопротивления лопастей 19, передаваемой на ободья 6 и 7, ведомые колеса 8, свободные ролики 9 и диффузор 2. Перемещением горизонтальной оси 5 вдоль оси вращения ветроколеса обеспечивается регулировка натяжения и линии прогиба в точках подвеса передних 13 и задних 14 тросов.

Каждая лопасть 19 (фиг. 5) ветроколеса закреплена между передним тросом 13 и задним тросом 14. Требуемый угол наклона лопасти 19 к направлению ветрового потока обеспечивается относительным смещением периферийных точек подвеса 17 и 18 соответственно переднего троса 13 и заднего троса 14. Передние растяжки 20 крепятся одним концом к промежуточным точкам передних тросов 13, а другим концом к внутреннему ребру жесткости переднего обода 6 в направлении противоположном реакции ветрового потока. Аналогично задние растяжки 21 крепятся одним концом к промежуточным точкам задних тросов 14, а другим концом к внутреннему ребру жесткости заднего обода 7 в направлении противоположном реакции ветрового потока. Точки крепления передних растяжек 20 и задних растяжек 21 на ободьях 6 и 7 распределены так, чтобы обеспечить равномерное распределение усилий передаваемых на ободья от лопастей 19. Наличие растяжек 20 и 21 также обеспечивает снижение требований к жесткости лопастей 19, что позволяет уменьшить их массу и стоимость.

Для торможения ветроколеса в целях управления и в экстренных ситуациях служат тормозные прокладки 22 и 23 обеспечивающие торможение соответственно переднего обода 6 и заднего обода 7 при контакте с боковыми поверхностями внутренних ребер жесткости 24 (фиг. 2).

При набегании потока воздуха на лопасти 19, установленные под соответствующим углом, начинают действовать силы передающиеся через передние тросы 13 и растяжки 20 на передний обод 6, а через задние тросы 14 и растяжки 21 на обод 7. Часть этих сил создает крутящий момент, приложенный к ветроколесу, а другая образует силу лобового сопротивления потоку воздуха (фиг. 5). Лобовое сопротивление лопастей 19 ветровому потоку воспринимается через передние тросы 13, задние тросы 14, передние и задние растяжки 20 и 21 ободьями 6 и 7, а под действием крутящего момента ободья 6 и 7 приводятся во вращение против часовой стрелки, если смотреть со стороны набегающего потока. От ободьев 6 и 7 крутящий момент передается на ведомые колеса 8, а от них через вал 10 синхронным генераторам 12. Вращение синхронных генераторов 12 приводит к созданию в цепи электродвижущей силы (ЭДС).

Частота вращения ветроколеса при изменении скорости ветрового потока регулируется изменением угла установки лопастей 19, и/или изменением количества и схемы подключения к нагрузке генераторов 12.

При увеличении скорости ветрового потока и, соответственно, угловой скорости ветроколеса, система автоматического управления (на схеме не показана) одновременно отключает электромагнитные муфты 11 и включает тормозные прокладки 23. Тормозные прокладки 23 прижимаются к боковым поверхностям ребра жесткости обода 7 с таким усилием, чтобы суммарный момент сопротивления вращению переднего обода 6 оказался меньше суммарного момента сопротивления вращению заднего обода 7. В результате обод 7 замедлится и повернется относительно обода 6, а угол наклона лопасти 19 по отношению к набегающему потоку уменьшится. После уменьшения до заданного угла наклона лопастей 19, муфты 11 включаются, а тормозные прокладки 23 отводятся от обода 7 и ободья 6 и 7 продолжают вращаться синхронно. Уменьшение угла наклона лопастей 19 приводит к уменьшению крутящего момента, создаваемого ветровым потоком и, соответственно сохранению заданной угловой скорости.

При уменьшении скорости ветрового потока и, соответственно, угловой скорости ветроколеса, система автоматического управления одновременно отключает электромагнитные муфты 11 и включает тормозные прокладки 22. Тормозные прокладки 22 прижимаются к боковым поверхностям ребра жесткости переднего обода 6 с таким усилием, чтобы суммарный момент сопротивления вращению переднего обода 6 оказался больше суммарного момента сопротивления вращению заднего обода 7. В результате передний обод 6 замедлится и повернется относительно заднего обода 7, а угол наклона лопасти 19 по отношению к набегающему потоку увеличится. После увеличения до заданного угла наклона лопастей 19, муфты 11 включаются, а тормозные прокладки 22 отводятся от обода 6. Увеличение угла наклона лопастей 19 приводит к увеличению крутящего момента, создаваемого ветровым потоком и, соответственно сохранению заданной угловой скорости.

При работе с минимальной нагрузкой (скоростью ветрового потока) все генераторы 12 подключены к электрической нагрузке последовательно. При низкой угловой скорости вращения генераторов 12, каждый из них создает небольшую по величине ЭДС переменного тока и постоянной частоты, но суммарная ЭДС, последовательно подключенных генераторов 12, достаточна для подачи элетроэнергии в сеть. Общая мощность вырабатываемой электроэнергии также минимальна. Увеличение скорости ветрового потока, при постоянном угле наклона лопастей 19, приведет к увеличению скорости вращения ветроколеса, силы тока, ЭДС на каждом генераторе и суммарной мощности, создаваемой всеми последовательно подключенными генераторами. Автоматическая система управления при этом поочередно отключает генераторы 12 так, чтобы суммарная ЭДС находилась в заданном диапазоне, а увеличение крутящего момента, действующего со стороны ветра, уравновесилось суммарным моментом сопротивления вращению со стороны последовательно подключенных к нагрузке генераторов 12. Когда скорость вращения ветроколеса под влиянием ветрового потока увеличится до скорости, при которой система управления оставит в цепи генераторов 12 только один, то она же начнет поочередно подключать генераторы 12 к сети, но не последовательно друг другу, а параллельно. При этом каждый генератор вырабатывает ЭДС с номинальным для данных генераторов и сети напряжением. Общая мощность электроэнергии вырабатываемой генераторами продолжает увеличиваться.

За счет большого количества установленных генераторов 12 поочередное их отключение или отключение позволяет многоступенчато регулировать момент сопротивления вращению ветроколеса и обеспечивать этим регулирование угловой скорости вращения ветроколеса.

Для остановки ветроколеса в экстренных ситуациях тормозные прокладки 22 и 23 прижимаются системой управления к боковой поверхности ребра жесткости ободьев 6 и 7, создавая момент сил трения направленный противоположно вращению ветроколеса. Размещение тормозных прокладок 22 и 23 (фиг. 2) на периферии ветроколеса позволяет увеличить эффективность торможения и уменьшить возможность поломки лопастей.

Источники информации
1. Под ред. Д.де Рензо. Ветроэнергетика, М.: Энергоатомиздат, 1982, с. 134.

Ветроэнергетическое устройство с бесконсольным креплением лопастей и способ регулирования частоты вращения ветроколеса относятся к ветроэнергетическим двигателям большой мощности для использования энергии ветра и выработки электрической энергии. Технический результат заключается в увеличении нагрузочной способности лопастей и ветроколеса, единичной мощности ветроагрегата, уменьшении массы лопастей, обеспечивается наличием тросов и растяжек, обеспечивающих равномернораспределенную передачу реакции ветрового потока от лопастей ветроколеса на его ободья. Повышение эффективности отбора мощности воздушного потока, обеспечение переменного напряжения постоянной частоты для подачи электроэнергии в сети существующих систем в более широком диапазоне изменения скорости ветра и скорости вращения ветроколеса обеспечивается изменением угла наклона лопастей, что осуществляется поворотом ободьев ветроколеса относительно друг друга. Этим же целям служит сначала поочередное отключение от нагрузки генераторов, соединенных последовательно при минимальной скорости ветроколеса, а затем поочередное подключение к нагрузке параллельно, пропорционально увеличению скорости ветроколеса. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ветроэнергетическое устройство с бесконсольным креплением лопастей ветроколеса, содержащее центральный подшипник, периферийные опоры, горизонтальную ось вращения, концентратор энергии в виде входного сужающегося конусообразного диффузора, генератор и систему управления поворотом лопастей, отличающееся тем, что ветроколесо содержит не менее двух вращающихся ободьев, между которыми на передних и задних тросах крепятся лопасти, причем передние и задние кромки соединены передними и задними растяжками с ободьями, а плоскость вращения центральных точек подвеса тросов, на которых крепятся лопасти, смещена относительно плоскости вращения периферийных точек подвеса в направлении, противоположном ветровому потоку. 2. Способ регулирования частоты вращения ветроколеса, кинематически связанного с генераторами путем изменения угла наклона лопастей к набегающему потоку, отличающийся тем, что изменение угла наклона лопастей осуществляют поворотом ободьев ветроколеса относительно друг друга. 3. Способ регулирования по п.2, отличающийся тем, что генераторы, соединенные последовательно при минимальной скорости ветроколеса, поочередно отключают от нагрузки (из цепи), а затем поочередно подключают к нагрузке параллельно (в цепь), пропорционально увеличению скорости ветроколеса.