ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ДЛЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ С ПОТОКОМ СРЕДЫ ЧЕРЕЗ ТРУБУ Российский патент 2008 года по МПК F03B13/00 F03G7/04 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к электрическим машинам для энергоустановок с потоком среды через трубу. При этом электрическая машина может быть выполнена как в виде электрогенератора, приводимого в движение потоком воздуха (газа) или жидкости, так и в виде электродвигателя для перемещения потока воздуха (газа) или жидкости. Предпочтительно данная электрическая машина может найти применение в виде синхронного генератора, в частности, в ветроэлектростанциях средней, большой и сверхбольшой мощности.

Известна электрическая машина для энергоустановок с потоком среды через трубу по авт.св. СССР на изобретение по №1622607, опубл. 1991.01.23, МПК5 F03B 11/06, 13/00, которая содержит статор и ротор, при этом статор расположен концентрично с ротором и с внутренним сечением трубы, ротор выполнен кольцеобразным, а устройство центрирования ротора относительно статора выполнено с элементами качения, при этом внутри трубы, для взаимодействия с потоком среды, расположены лопатки, которые закреплены в роторе. В данной электрической машине лопатки первой и второй турбин закреплены внутри удлиненного цилиндрического обода, с наружной стороны которого посредине закреплен ротор. При этом лопатки первой и второй турбин расположены в плоскости торцов (боков) ротора, а устройство центрирования с элементами качения расположено между поверхностями корпуса электрической машины и краями удлиненного цилиндрического обода.

Основным недостатком данной электрической машины является отсутствие продольного центрирования ротора относительно статора, что не позволяет использовать ее при вертикальных потоках движения среды.

Другим недостатком является повышенная масса вращаемых частей в виде ротора, обода и лопаток, что связано с использованием массы удлиненного цилиндрического обода в центрирующем устройстве. Это снижает КПД электрической машины.

Наиболее близким к заявляемому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является электрическая машина для энергоустановок с потоком среды через трубу по патенту Российской Федерации на полезную модель №33983, опубл. 2003.11.20, МПК7 F03B 13/12, которая содержит статор и ротор, при этом статор расположен концентрично с ротором и с внутренним сечением трубы, ротор выполнен кольцеобразным, а устройство центрирования ротора относительно статора выполнено с элементами качения, при этом внутри трубы, для взаимодействия с потоком среды, расположены лопатки, которые закреплены в роторе. В данной электрической машине, выполненной в виде генератора электрического тока, лопатки выполнены в виде лопастей, а устройство центрирования ротора относительно статора выполнено в виде вала, на котором лопасти также закреплены, при этом вал закреплен посредством элементов качения по оси трубы к ее стенкам.

Преимуществом данного прототипа по сравнению с аналогом является возможность как радиального, так и продольного центрирования ротора относительно статора, что позволяет использовать его при вертикальных и при горизонтальных потоках движения среды.

Вместе с тем основным недостатком данной электрической машины является достаточно большое сопротивление потоку среды, проходящему через вращаемые в трубе лопатки, при расположении устройства центрирования ротора относительно статора в виде вала, с закрепленными на нем лопатками по оси их вращения в трубе, что снижает КПД электрической машины в энергоустановке с потоком среды через трубу.

Другим недостатком является повышенная масса ротора с лопатками с использованием вала центрирующего устройства, что также снижает КПД электрической машины.

В основу изобретения положена задача создания эффективной электрической машины для энергоустановок с потоком среды через трубу, в частности, выполненной в виде синхронного генератора для ветроэнергетической установки, путем снижения сопротивления потока среды, который проходит через вращающиеся в трубе лопатки, что позволит повысить КПД электрической машины. Кроме того, обеспечивается снижение массы ротора с лопатками, что также повышает КПД электрической машины, в частности, при выполнении ее в виде синхронного генератора для ветроэнергетической установки.

Поставленная задача решается тем, что электрическая машина для энергоустановки с потоком среды через трубу содержит первый статор и первый ротор, при этом первый статор расположен концентрично с первым ротором и с внутренним сечением трубы, первый ротор выполнен кольцеобразным, а устройство центрирования первого ротора относительно первого статора выполнено с элементами качения, при этом внутри трубы, для взаимодействия с потоком среды, расположены первые лопатки, которые закреплены в первом роторе. При этом устройство центрирования выполнено в виде обращенных друг к другу поверхностей первых ротора и статора, которые выполнены с конусными поверхностями, в зазоре между которыми расположены элементы качения. Конусные поверхности с элементами качения устройства центрирования первого ротора относительно первого статора расположены с одной из их боковых сторон. Конусные поверхности с элементами качения устройства центрирования первого ротора относительно первого статора могут быть расположены с обеих их боковых сторон. Элементы качения устройства центрирования расположены утопленными в конусные поверхности первого ротора. Также элементы качения устройства центрирования могут быть расположены утопленными в конусные поверхности первого статора. В одном из вариантов выполнения электрическая машина содержит, по крайней мере, второй ротор и второй статор, при этом для взаимодействия с потоком среды в трубе расположены, по крайней мере, вторые лопатки, которые закреплены соответственно во втором роторе, а устройство центрирования также выполнено в виде обращенных друг к другу поверхностей вторых ротора и статора, которые выполнены с конусными поверхностями, в зазоре между которыми расположены элементы качения. При этом конусные поверхности с элементами качения устройства центрирования расположены между боковыми сторонами первого и второго роторов и соответственно первого и второго статоров. Также элементы качения устройства центрирования расположены также утопленными в конусные поверхности, по крайней мере, второго ротора. Также элементы качения устройства центрирования расположены также утопленными в конусные поверхности, по крайней мере, второго статора. Кроме того, все лопатки, для взаимодействия с потоком среды, выполнены в виде турбинных лопаток, которые закреплены по внутренним диаметрам соответствующих роторов. Все статоры и роторы выполнены разъемными по их круговому кольцу. В месте расположения первых ротора и статора и, по крайней мере, вторых ротора и статора с соответствующими лопатками труба выполнена суженной. Все лопатки закреплены с возможностью их поворота для изменения угла атаки.

Выполнение устройства центрирования в виде обращенных друг к другу поверхностей первых ротора и статора, которые выполнены с конусными поверхностями, в зазоре между которыми расположены элементы качения, позволит снизить сопротивление потока среды, который проходит через вращающиеся в трубе лопатки, что тем самым повышает КПД электрической машины, т.к. практически весь проходящий через трубу поток среды контактирует только лишь с рабочей поверхностью лопаток. Кроме того, это обеспечивает также снижение массы ротора с лопатками, что также позволяет повысить КПД электрической машины, в частности, при выполнении ее в виде синхронного генератора для ветроэнергетической установки, т.к. при таком выполнении центрирующего устройства отсутствует вал в электрической машине. Также позволяет обеспечить одновременное как радиальное, так и продольное по оси трубы центрирование первого ротора относительно первого статора, что также позволяет снизить массу ротора.

Расположение конусных поверхностей с элементами качения устройства центрирования первого ротора относительно первого статора с одной и/или другой боковых сторон, соответственно первого ротора и первого статора (на продолжении их, обращенных друг к другу поверхностей), обеспечивает возможные варианты выполнения этого устройства.

Расположение элементов качения утопленными в конусные поверхности первого статора, которые обращены к первому ротору, или утопленными в конусные поверхности первого ротора, которые обращены к первому статору, позволяет обеспечить минимально необходимый зазор между этими ротором и статором.

Выполнение в одном из вариантов электрической машины, содержащей, по крайней мере, второй ротор и второй статор с вторыми лопатками для взаимодействия с потоком среды, с устройством центрирования в виде конусных поверхностей во вторых роторе и статоре, позволяет повысить мощность отдачи электрической машины. И также направлено на обеспечение одновременного как радиального, так и продольного по оси трубы центрирования, по крайней мере, второго ротора относительно второго статора.

Расположение конусных поверхностей с элементами качения устройства центрирования между боковыми сторонами первого и второго роторов и соответственно первого и второго статоров (в промежутке между ними по оси их вращения) также направлено на обеспечение одного из возможных вариантов выполнения этого устройства.

Расположение элементов качения устройства центрирования утопленными в конусные поверхности первого и второго статоров, которые обращены к соответствующим конусным поверхностям первого и второго роторов, или утопленными в конусные поверхности первого и второго роторов, которые обращены к соответствующим конусным поверхностям первого и второго статоров, также позволяет обеспечить минимально необходимый зазор между соответствующими роторами и статорами при этом варианте исполнения.

Выполнение всех статоров и роторов разъемными по их круговому кольцу позволяет повысить как удобство при их сборке, так и ремонтопригодность, т.к. размеры их могут достигать нескольких десятков метров.

Расположение, по крайней мере, первых статора и ротора с лопатками в суженной части трубы позволяет повысить скорость потока среды в этом месте и тем самым повысить КПД электрической машины.

Закрепление всех лопаток с возможностью их поворота для изменения их угла атаки позволит обеспечить регулировку мощности электрической машины при изменении скорости потока среды через трубу.

Изложенное выше подтверждает наличие причинно-следственных связей между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом.

Данная совокупность существенных признаков позволяет по сравнению с прототипом, электрической машиной для энергоустановки с потоком среды через трубу, обеспечить снижение сопротивления потока среды, который проходит через вращающиеся в трубе лопатки, что тем самым позволяет повысить КПД электрической машины. Кроме того, обеспечивается снижение массы ротора с лопатками, что также повышает КПД электрической машины, в частности, при выполнении ее в виде синхронного генератора для ветроэнергетической установки.

По мнению авторов, заявляемое техническое решение отвечает критериям изобретения "новизна» и "изобретательский уровень», потому что совокупность существенных признаков, которые характеризуют заявляемую электрическую машину для энергоустановки с потоком среды через трубу, является новой и не вытекает явным образом из известного уровня техники.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен предпочтительный вариант выполнения электрической машины для энергоустановки с потоком среды через трубу, разрез; на фиг.2 - то же, вид сверху, с лопатками в виде лопастей; на фиг.3 - то же, вид сверху, с турбинными лопатками; на фиг.4 изображен один из вариантов выполнения электрической машины для энергоустановки с потоком среды через трубу, разрез; на фиг.5 изображено расположение элементов качения устройства центрирования в соответствии с фиг.4.

Предпочтительный вариант электрической машины для энергоустановки с потоком среды через трубу, в соответствии с фиг.1-3, выполнен в виде синхронного генератора, который расположен вокруг вытяжной трубы ветроэнергетической установки. При этом в синхронном генераторе первый и второй статоры 1, 2, а также первый и второй кольцеобразно выполненные роторы 3, 4 концентрично расположены с внутренним сечением вытяжной трубы 5, диаметр которого совпадает с диаметром внутреннего сечения первого и второго ротора 3, 4. Внутри трубы 5 расположены закрепленные между первым и вторым ротором 3, 4 лопатки для взаимодействия с потоком среды через трубу 5 и которые выполнены в виде четырех лопастей 6 (фиг.2). Устройство центрирования роторов 3, 4 относительно статоров 1, 2 выполнено в виде обращенных друг к другу поверхностей роторов 3, 4 (их полюсов 10, 11) и статоров 1, 2 (их полюсов 8, 9), выполненных в них конусных поверхностей и элементов качения в виде шариков в зазоре между этими конусными поверхностями. При этом полюса 8, 9 соответственно первого и второго статоров 1, 2 и соответственно полюса 10, 11 соответствующих первого и второго роторов находятся вдоль трубы 5 на промежутке 12 друг от друга, в котором обращенные друг к другу поверхности статоров 1, 2 и роторов 3, 4 выполнены в виде конусных поверхностей. Шарики 7 выполнены утопленными в конусную поверхность между первым и вторым роторами 3, 4, которая обращена соответственно к конусной поверхности между первым и вторым статорами 1, 2. Труба 5 в месте расположения синхронного генератора выполнена суженной. Лопасти 6 закреплены в первом и втором роторах 3, 4 с возможностью их поворота для изменения их угла атаки относительно потока среды через трубу 5. Первый и второй статоры 1, 2 и соответственно первый и второй роторы 3, 4 по их круговому кольцу выполнены разъемными на три равные части для обеспечения удобства сборки и повышения ремонтопригодности, т.к. диаметр электрической машины может достигать нескольких десятков метров.

В одном из вариантов выполнения электрической машины для энергоустановки с потоком среды через трубу, которая также, в соответствии с фиг.4, выполнена в виде синхронного генератора, который расположен вокруг вытяжной трубы 5 и содержит статор 14 и ротор 15 ветроэнергетической установки. При этом устройство центрирования ротора 15 относительно статора 14 выполнено в виде обращенных друг к другу их поверхностей, соответственно полюсов 16 и 17, в которых выполнены конусные поверхности и элементов качения в виде шариков, которые расположены в зазоре между этими конусными поверхностями. В соответствии с фиг.5 шарики 7 устройства центрирования расположены утопленными в поверхность полюсов 16 ротора 15, а обращенная к ним поверхность статора 14 с полюсами 17 и соответствующими промежутками между ними выполнена одного диаметра, т.е. в виде одной гладкой поверхности. Также шарики 7 устройства центрирования могут быть утопленными в поверхность полюсов 17 статора 14, а обращенная к ним поверхность ротора 15 с полюсами 16 и соответствующими промежутками между ними выполнена одного диаметра, т.е. в виде одной гладкой поверхности.

Шарики 7 устройства центрирования могут быть расположены утопленными как в конусную поверхность роторов, так и в конусную поверхность статоров, которые обращены друг к другу, а также конусные их поверхности могут располагаться с одной и/или другой их боковых сторон (на продолжении их, обращенных друг к другу, поверхностей).

Элементы качения могут быть выполнены как в виде шариков 7, так и в других исполнениях, например в виде роликов, а также могут быть выполнены как из металлических, так и из неметаллических материалов.

При выполнении элементов качения из металлических материалов и расположенными в полюсах статора или ротора обеспечивается практически полное замыкание магнитного потока между полюсами статора и ротора, без его рассеивания, которое имеет место в зазоре между полюсами статора и ротора при выполнении устройства центрирования в виде вала по оси ротора.

Лопатки также могут быть выполнены, в соответствии с фиг.3, в виде турбинных лопаток 18, которые расположены вблизи поверхности по внутренним диаметрам роторов и закреплены с возможностью их поворота для изменения их угла атаки относительно потока среды через трубу 5.

В одном из вариантов выполнения электрическая машина для энергоустановки с потоком среды через трубу может быть выполнена в виде электродвигателя для обеспечения перемещения потока среды через трубу.

Также в одном из вариантов выполнения электрическая машина для энергоустановки с потоком среды через трубу может быть выполнена с двумя и более статорами, роторами, лопатками, которые соединены с соответствующим ротором, т.е. первые лопатки соединены с первым ротором, вторые лопатки - с вторым ротором и т.д. При этом лопатки, выполненные в виде лопастей одного ротора, могут быть смещены относительно лопастей соседнего ротора.

В качестве потока среды, проходящего через трубу, может быть как поток воздушной среды через вытяжную трубу, так и поток жидкости или любой другой газовый поток.

Предпочтительный вариант электрической машины для энергоустановки с потоком среды через трубу, выполненной в виде синхронного генератора ветроэнергетической установки, работает следующим образом.

При прохождении воздушного потока через вытяжную трубу 5 лопасти 6 вращаются и приводят во вращение первый и второй роторы 3, 4, источники магнитного поля которых в виде постоянных магнитов (не показаны) наводят в обмотках (не показаны) полюсов 8, 9 статоров 1, 2 электрический ток. При этом благодаря такому выполнению устройства центрирования первого и второго роторов 3, 4 относительно первого и второго статоров 1, 2 весь поток воздушной среды взаимодействует только с рабочей поверхностью лопаток, что обеспечивает повышение КПД электрической машины в виде синхронного генератора. Кроме того, при восходящем потоке среды через трубу 5 за счет взаимодействия его с лопатками создается подъемная сила для ротора, которая разгружает его опорные элементы качения, что тем самым снижает коэффициент трения в них в устройстве центрирования, в качестве которых в предпочтительном варианте выполнения электромашины используются элементы качения устройства центрирования.

Хотя здесь показаны и описаны варианты, которые признаны лучшими для осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной отрасли техники будет понятно, что можно осуществлять разнообразные изменения и модификации и элементы можно заменять на эквивалентные, не выходя при этом за пределы объема притязаний по настоящему изобретению.

Соответствие заявляемого технического решения критерию изобретения "промышленная применимость» подтверждается указанными примерами выполнения электрической машины для энергоустановки с потоком среды через трубу.

Устройство предназначено для преобразования энергии потока жидкости или газа в электрическую энергию. Электрическая машина для энергоустановки с потоком среды через трубу содержит первый статор и первый ротор, при этом первый статор расположен концентрично с первым ротором и с внутренним сечением трубы. Первый ротор выполнен кольцеобразным, а устройство центрирования первого ротора относительно первого статора выполнено с элементами качения. При этом внутри трубы, для взаимодействия с потоком среды, расположены первые лопатки, закрепленные в первом роторе. Устройство центрирования выполнено в виде обращенных друг к другу поверхностей первых ротора и статора, которые выполнены с конусными поверхностями, в зазоре между которыми расположены элементы качения. Устройство может содержать, по меньшей мере, второй ротор и второй статор. Конструкция устройства позволяет повысить КПД электрической машины. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Электрическая машина для энергоустановки с потоком среды через трубу, содержащая первый статор и первый ротор, при этом первый статор расположен концентрично с первым ротором и с внутренним сечением трубы, первый ротор выполнен кольцеобразным, а устройство центрирования первого ротора относительно первого статора выполнено с элементами качения, при этом внутри трубы, для взаимодействия с потоком среды, расположены первые лопатки, которые закреплены в первом роторе, отличающаяся тем, что устройство центрирования выполнено в виде обращенных друг к другу поверхностей первых ротора и статора, которые выполнены с конусными поверхностями, в зазоре между которыми расположены элементы качения.2. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что конусные поверхности с элементами качения устройства центрирования первого ротора относительно первого статора расположены с одной из их боковых сторон.3. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что конусные поверхности с элементами качения устройства центрирования первого ротора относительно первого статора расположены с обеих их боковых сторон.4. Электрическая машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что элементы качения устройства центрирования расположены утопленными в конусные поверхности первого ротора.5. Электрическая машина по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что элементы качения устройства центрирования расположены утопленными в конусные поверхности первого статора.6. Электрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что содержит, по крайней мере, второй ротор и второй статор, при этом, для взаимодействия с потоком среды, в трубе расположены, по крайней мере, вторые лопатки, которые закреплены соответственно во втором роторе, а устройство центрирования также выполнено в виде обращенных друг к другу поверхностей вторых ротора и статора, которые выполнены с конусными поверхностями, в зазоре между которыми расположены элементы качения.7. Электрическая машина по п.6, отличающаяся тем, что конусные поверхности с элементами качения устройства центрирования расположены между боковыми сторонами первого и второго роторов и соответственно первого и второго статоров.8. Электрическая машина по п.6, отличающаяся тем, что элементы качения устройства центрирования расположены также утопленными в конусные поверхности, по крайней мере, второго ротора.9. Электрическая машина по п.8, отличающаяся тем, что элементы качения устройства центрирования расположены также утопленными в конусные поверхности, по крайней мере, второго статора.10. Электрическая машина по п.1 или 6, отличающаяся тем, что все лопатки, для взаимодействия с потоком среды, выполнены в виде турбинных лопаток, которые закреплены по внутренним диаметрам соответствующих роторов.11. Электрическая машина по п.1 или 6, отличающаяся тем, что все статоры и роторы выполнены разъемными по их круговому кольцу.12. Электрическая машина по п.1 или 6, отличающаяся тем, что в месте расположения первых ротора и статора и, по крайней мере, вторых ротора и статора, с соответствующими лопатками, труба выполнена суженной.13. Электрическая машина по п.1 или 6, отличающаяся тем, что все лопатки закреплены с возможностью их поворота для изменения угла атаки.