ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ Российский патент 2000 года по МПК F03D11/04 

Предлагаемое изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроагрегатах, устанавливаемых в регионах с низкими отрицательными температурами и большой скоростью ветра, например районы Крайнего Севера.

Целью является упрощение конструкции и повышение ее надежности.

В мировой практике широкое распространение получили ветроэнергетические установки с расположением ветроколес на монолитных башнях или мачтах с растяжками.

На изготовление и монтаж башни или мачты расходуется более 30% средств от стоимости установки, кроме того входят затраты на сооружение фундаментных опор.

В условиях Крайнего Севера при наличии вечной мерзлоты сооружение фундаментов настолько увеличивает стоимость монтажа установок, что использование их на Севере становится практически нецелесообразным.

Известно описание ветроагрегата /Шефтер Я. И. и Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. - М.: Сельхозгиз, 1957, с. 33/, содержащего стержневую башню с установленным на ней в подшипниковых опорах валом ветроколеса.

Изготовление и монтаж такого агрегата проще и дешевле, чем монолитных башен, но требует сооружения фундамента.

В качестве прототипа выбран ветроэнергетический агрегат /авт. св. СССР N 1229418 от 04.11.80 г., кл. 4 F 03 D 11/04, публ. 07.05.86 г., бюл. N 17/, включающий стержневую башню, установленный на ней в подшипниковых опора вал ветроколеса, причем одна из граней башни имеет треугольную форму.

В этой конструкции существенным недостатком является низкая надежность и сложность вала, так как он не только передает крутящий момент на узел отбора мощности, но испытывает значительные изгибающие знакопеременные нагрузки от веса ветроколеса, расположенного на валу между подшипниковыми опорами, кроме того на него воздействуют дополнительно осевые нагрузки сжатия и растяжения из-за того, что вал одновременно выполняет функцию и ребра башни.

Большое расстояние между подшипниковыми опорами в условиях низких температур Севера, высоких скоростей ветра и сложного напряженного состояния еще более снижает надежность вала, конструктивно усложняет его и резко повышает стоимость изготовления.

Предлагаемая конструкция представляет собой ветроэнергетический агрегат, в котором помимо общих с прототипом элементов, а именно: наличие стержневой башни, одна из граней которой имеет треугольную форму, вала с ветроколесом, установленного в подшипниковых опорах, имеет отличительные: башня выполнена в виде стержневого четырехгранника, а вал с консольно закрепленным на нем ветроколесом выполнен с подшипниковой опорой, корпус которой закреплен в вершине четырехгранника, и с разъемами на участке между подшипниковой опорой и узлом отбора мощности.

В предлагаемом агрегате башня, выполненная в виде стержневого четырехгранника, обеспечивает простоту конструкции при высокой надежности, так как известно, что стержневые конструкции, состоящие из треугольных элементов, наиболее рациональны и имеют высокую прочность при низкой удельной металлоемкости.

Конструкция вала с консольным креплением на нем ветроколеса, с креплением корпуса подшипниковой опоры в одной из вершин четырехгранника и с разъемами на участке между подшипниковой опорой и узлом отбора мощности позволяет перейти от сложно-напряженного состояния вала в прототипе к более простому распределению нагрузок:
во-первых, верхнее ребро четырехгранника испытывает в этом случае только осевые нагрузки и освобождено от скручивающих и изгибающих нагрузок;
во-вторых, вал ветроколеса испытывает изгибающие нагрузки только на участке консоли и подшипниковой опоры, а на участке большой длины - от подшипниковой опоры до узла отбора мощности - испытывает только скручивание, что позволяет, применяя разъемы, резко уменьшить сечение вала.

Таким образом, сочетание предлагаемой конструкции башни с исполнением вала позволяет резко упростить конструкцию и существенно повысить надежность.

Указанные отличительные признаки не выявлены в известных технических решениях, их использование с аналогичной целью в других конструкциях не обнаружено.

Предлагаемое техническое решение соответствует критериям патентоспособности изобретения.

На фиг. 1 дан вид сбоку на ветроэнергетический агрегат, на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - вид сверху на агрегат (ветроколесо условно не показано).

Ветроэнергетический агрегат содержит стержневую башню, выполненную а виде четырехгранника (тетраэдра), ребрами которого служат стержни 1-6, составной вал, состоящий из элементов 7, 8 и 9, соединенных разъемами 10 и 11. На консольной части основного, наиболее нагруженного элемента 7 вала, крепится ветроколесо 12, а противоположный конец вала - элемент 9 - является составной частью узла 13 отбора мощности. Основной элемент 7 вала проходит через подшипниковую опору 14, корпус которой стержнями 1, 2 и 3 крепится к четырехграннику. Стержни 4, 5 и 6 образуют треугольное основание, которое в своей вершине имеет подшипник 15 для соединения с анкером 16, а колеса 17 опираются на круговой рельсовый путь 18 с центром на оси анкера 16.

Ветроэнергетический агрегат работает следующим образом.

Ветровой поток падает на лопатки ветроколеса 12 и приводит во вращение составной вал, который передает энергию на узел 13 отбора мощности. При этом ветроколесо с четырехгранной башней поворачивается вокруг оси анкера 16, автоматически устанавливаясь на ветер, а колеса - 17 перемещаются по круговому рельсовому пути - 18.

Для расположения узла отбора мощности вблизи поверхности земли и, следовательно, облегчения монтажа и эксплуатации вал ветроколеса имеет наклон к горизонту α = 20 ... 40^o.

Использование в ветроагрегате, наряду с четырехгранной (тетраэдром) башней, составного вала с консольно закрепленным на нем ветроколесом и наклона оси вала ветроколеса к горизонту α = 20...40^o позволяет существенно упростить монтаж и эксплуатацию агрегата без заметного ухудшения аэродинамических свойств, а исполнение колесных опор, перемещающихся по круговому рельсовому пути вокруг заглубленного в вечную мерзлоту анкера, позволяет избежать использование фундамента - дорогостоящего сооружения в условиях Севера.

Таким образом, предлагаемый ветроэнергетический агрегат позволяет упростить конструкцию и увеличить его надежность особенно при использовании в условиях Севера.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроагрегатам, которые могут быть использованы как автономные источники энергии для энергообеспечения небольших поселков, удаленных от энергоисточников и находящихся в районах с очень низкими температурами в зимнее время и большими скоростями ветра, например районы Крайнего Севера. Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции и повышении ее надежности, достигается за счет того, что в ветроэнергетическом агрегате, содержащем стержневую башню, одна из граней которой выполнена в форме треугольника, вал ветроколеса, установленный в подшипниковых опорах, башня выполнена в форме четырехгранника, ветроколесо закреплено на валу консольно, а сам вал выполнен составным с разъемами в местах соединения его с подшипниковой опорой и узлом отбора мощности. 3 ил.

Ветроэнергетический агрегат, содержащий стержневую башню, одна из граней которой выполнена в форме треугольника, вал ветроколеса, установленный в подшипниковых опорах, отличающийся тем, что башня выполнена в форме четырехгранника, ветроколесо закреплено на валу консольно, а сам вал выполнен составным с разъемами в местах соединения его с подшипниковой опорой и узлом отбора мощности.