ВЕТРОАГРЕГАТ Российский патент 2003 года по МПК F03D7/02 

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для использования в ветроэнергетических установках (ВЭУ).

Известен ветряной двигатель [1] с поворотной головкой, размещенной на башне, с лопастным колесом, установленным на горизонтальном валу, соединенном с электрическим генератором (ЭГ) посредством редуктора.

Недостатками такого двигателя являются низкий КПД и зависимость выходных параметров энергоустановки от скорости ветра.

Известен ветродвигатель [2], содержащий размещенную на башне поворотную головку с редуктором, связанную с валом ЭГ, и горизонтально расположенными валами, на которых закреплены ветроколеса на неравных расстояниях относительно оси вращения поворотной головки и имеющие радиальные лопасти, а также устройство стабилизации частоты вращения.

Такой двигатель представляет собой сложную конструкцию, в том числе и в отношении обеспечения стабилизации частоты вращения ветроколес, и, как следствие, обладает низкой надежностью и КПД.

Преимущества предлагаемой конструкции ветроагрегата (ВА) заключаются в простоте автоматического регулирования частоты вращения ветроколеса в широком диапазоне скоростей потока воздуха, простоте перестройки диапазонов ветровых нагрузок, высоком КПД, упрощении конструкции, мобильности монтажа, малой металлоемкости, повышении надежности и низкой стоимости.

Для достижения этих преимуществ в ветроагрегате, содержащем размещенную на башне поворотную головку с редуктором, связанным с валом электрического генератора, и горизонтальным валом, на котором на неравных расстояниях от оси вращения поворотной головки установлены два ветроколеса, имеющие закрепленные на осях радиальные лопасти. Ветроколесо, установленное на большем расстоянии, кроме силовой функции, выполняет также и функцию устройства ориентации на ветер. ВА имеет устройство стабилизации частоты вращения. Отличительной особенностью ветроагрегата является то, что ветроколеса имеют ступицу и перфорированный по окружности обод, связанные между собой спицами, а в ступице и в подпятниках установлены оси вращения лопастей, пропущенные через втулки, закрепленные в отверстиях перфорации. Устройство стабилизации частоты вращения ветроколес представляет собой систему упругих элементов в виде цилиндрических пружин, одни концы которых закреплены на лопастях, а другие - на ободе асимметрично относительно оси вращения каждой лопасти, кроме того, на ободе в отверстиях установлены штыревые упоры, ограничивающие поворот лопастей в определенных пределах.

Выполнение ВА в виде оголовка, устанавливаемого на башне, позволяет повысить мобильность монтажа ветроэнергетической установки.

Применение в поворотной головке редуктора-мультипликатора дает возможность использовать в ВЭУ быстроходный электрогенератор, что снижает металлоемкость конструкции.

Применение многолопастного ветроколеса в сочетании с предлагаемой конструкцией устройства стабилизации частоты вращения ветроколеса, элементы которого автономно воздействуют на каждую отдельную лопасть, обеспечивает сокращение времени на перестройку ВЭУ на различные ветровые нагрузки.

Установка ветроколес производится таким образом, чтобы их лопасти находились в прозоре (просвете) одни относительно других. Это позволяет повысить аэродинамические показатели ВЭУ, а следовательно, и ее КПД.

Вращение ветроколес в одну сторону позволяет применить более простой, а следовательно, более надежный и дешевый редуктор.

Применение перфорации на лопастях по их ширине, приближенных к ободу ветроколеса, и перфорации на самом ветроколесе позволяет упростить и ускорить перенастройку ветроколес на ветровую нагрузку.

Лопасти ветроколес закреплены на осях со смещением на 1/3 их ширины, что позволяет повысить чувствительность ветроколеса к малым скоростям ветра с одновременным повышением плавности регулирования частоты вращения.

На фиг.1 изображен ветряной электрический генератор.

На фиг.2 изображено ветроколесо.

На фиг. 3 изображено устройство стабилизации частоты вращения ветроколеса.

Ветроагрегат (фиг. 1) содержит основание 1, электрический генератор 2, поворотную головку 3 с редуктором-мультипликатором, ветроколеса 4 и 5, установленные на горизонтальном валу 6 и закрепленные на нем на неравных расстояниях относительно оси вращения поворотной головки (L₄<L₅), где:
L₄ - расстояние одного ветроколеса 4 от оси головки;
L₅ - расстояние второго ветроколеса 5 от оси головки.

Горизонтальный вал 6 посредством редуктора-мультипликатора связан с валом ЭГ 2.

Ветроколесо 5 конструктивно выполнено аналогично ветроколесу 4.

Ветроколеса 4 и 5 (фиг.2) имеют ступицу 7 и перфорированный по окружности обод 8, связанные между собой спицами 10, а в ступице 7 и в подпятниках 9 установлены оси 11 поворота лопастей 12, пропущенные через втулки 13, закрепленные в отверстиях перфорации 14.

Устройство стабилизации частоты вращения ветроколес (фиг.3) представляет собой систему упругих элементов, например цилиндрических пружин 15, одни концы которых закреплены на лопастях 12, а другие - на ободе 8 асимметрично относительно оси 11 поворота каждой лопасти 12. На ободе 8 в отверстиях 14 перфорации установлены ограничители поворота лопастей 12 в виде штыревых упоров 16.

Концы пружин 15 закреплены: одни - на ободе 8 в отверстиях 14 перфорации обода, другие - в отверстиях 17 перфорации лопастей, выполненных по их ширине на краях, приближенных к ободу ветроколеса.

Ветроагрегат работает следующим образом.

Набегающий поток воздуха вращает ветроколеса 4 и 5, приводя через редуктор во вращение ротор электрического генератора 2, который вырабатывает напряжение, поставляемое потребителю.

Отличительной особенностью работы ветроагрегата является то, что при изменении скорости воздуха в диапазоне, обусловленном настройкой ветроколеса, происходит следующее: в результате давления воздушного потока на лопасти 12 ветроколес 4 и 5 возникает неуравновешенный момент, который растягивает пружины 15 и поворачивает плоскость лопасти по направлению воздушного потока до "правого" упора 16, изображенного на фиг.3. При этом давление на лопасть резко уменьшается, а скорость вращения стремится к нулю, что оказывает стабилизирующее действие при резких и внезапных порывах ветра.

При ослаблении напора воздушного потока пружины 15 возвращают плоскость лопасти в исходное положение до "левого" упора 16 (фиг.3). Угол поворота лопасти регулируется изменением расстояния между упорами 16. Усилие, поворачивающее лопасти при максимальной скорости воздушного потока, устанавливается натяжением пружин 15 путем закрепления их концов в отверстиях перфорированного обода 8.

Таким образом, при работе ветроагрегата происходит автоматическое регулирование частоты вращения ветроколеса в зависимости от скорости потока воздуха. При этом обеспечивается возможность расширения диапазона регулирования оборотов ветроколеса, а в конечном счете - расширение диапазона ветровых нагрузок, при которых возможна эффективная эксплуатация предлагаемого ветроагрегата. Простота конструкции и переналадки на воспринимаемую ветроколесом ветровую нагрузку, стабильность работы и малая металлоемкость конструкции являются преимуществами изобретения.

Источники информации
1. "Ветроэнергетика", под редакцией Д. де Рензо, перевод с английского Я.И. Шафтера, Москва, "Энергоиздат", 1982 г.

2.Патент РФ 2018030, кл. 5 F 03 D 7/02.

Ветроагрегат относится к ветроэнергетике и предназначен для использования в ветроэнергетических установках. Технический результат, заключающийся в упрощении автоматического регулирования частоты вращения ветроколеса в широком диапазоне скоростей потока воздуха, упрощении перестройки диапазонов ветровых нагрузок, повышении КПД, упрощении конструкции, мобильности монтажа, малой металлоемкости, повышении надежности и низкой стоимости, обеспечивается за счет того, что в ветроагрегате, содержащем размещенную на башне поворотную головку с редуктором, связанным с валом электрического генератора и горизонтальным валом, на котором на неравных расстояниях от оси вращения поворотной головки установлены два ветроколеса, имеющие закрепленные на осях радиальные лопасти, при этом ветроколесо, установленное на большем расстоянии, кроме силовой функции выполняет также и функцию устройства ориентации на ветер, и устройство стабилизации частоты вращения, согласно изобретению ветроколеса имеют ступицу и перфорированный по окружности обод, связанные между собой спицами, а в ступице и в подпятниках закреплены оси вращения лопастей, пропущенные через втулки, установленные в отверстиях перфорации, при этом устройство стабилизации частоты вращения ветроколес представляет собой систему упругих элементов в виде цилиндрических пружин, одни концы которых закреплены на лопастях, а другие - на ободе, асимметрично относительно оси вращения каждой лопасти, кроме того, на ободе в отверстиях установлены ограничители поворота лопастей в виде штыревых упоров. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветроагрегат, содержащий размещенную на башне поворотную головку с редуктором, связанным с валом электрического генератора и горизонтальным валом, на котором на неравных расстояниях от оси вращения поворотной головки установлены два ветроколеса, имеющие закрепленные на осях радиальные лопасти, при этом ветроколесо, установленное на большем расстоянии, кроме силовой функции, выполняет и функцию устройства ориентации на ветер, а также содержащий устройство стабилизации частоты вращения, отличающийся тем, что ветроколеса имеют ступицу и перфорированный по окружности обод, связанные между собой спицами, а в ступице и в подпятниках закреплены оси вращения лопастей, пропущенные через втулки, установленные в отверстиях перфорации, устройство стабилизации частоты вращения ветроколес представляет собой систему упругих элементов в виде цилиндрических пружин, одни концы которых закреплены на лопастях, а другие - на ободе, асимметрично относительно оси вращения каждой лопасти, кроме того, на ободе в отверстиях установлены ограничители поворота лопастей в виде штыревых упоров. 2. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен в виде оголовка, установленного на башне. 3. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что в поворотной головке в качестве редуктора использован редуктор-мультипликатор. 4. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что ветроколеса выполнены многолопастными (более двух). 5. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что ветроколеса установлены на валу таким образом, что их лопасти находятся в прозоре (просвете) одни относительно других. 6. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что ветроколеса вращаются в одном направлении. 7. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что лопасти по ширине на краях приближенных к ободу ветроколеса имеют перфорацию. 8. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что лопасти закреплены на осях со смещением по ширине на 1/3. 9. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что в устройстве стабилизации частоты вращения ветроколеса концы пружины закреплены в отверстиях перфорации обода и лопасти. 10. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что устройством стабилизации частоты вращения оснащены оба ветроколеса.