ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветроэнергетическим установкам, которые предназначены для преобразования кинетической энергии ветрового потока в электрическую с возможным накоплением этой энергии во время снижения ее использования. С использованием как с вертикальной, так и с горизонтальной осью вращения роторов. Как с осевой центровкой роторов посредством вала, так и кольцевых (с внеосевой центровкой) роторов.

Наиболее близкими к заявляемым решениям по технической сущности и достигаемому техническому результату являются:

- Ветроэнергетическая установка (для первого варианта) по патенту Великобритании №2036881, опубл. 1980.07.02, МПК B65G 21/20; F03D 9/00, содержит, по крайней мере, два электрогенератора, при этом первый и, по крайней мере, второй роторы указанных электрогенераторов закреплены на валу, который выполнен разделенным на части по числу соответственно закрепленных на них роторов, первая часть вала соединена с ветроколесом для вращения первого и, по крайней мере, второго роторов, части вала первого и, по крайней мере, второго роторов соединены посредством ведущих и ведомых полумуфт муфт зацепления/расцепления (МЗР), датчик давления ветрового потока (ДВП) для последовательного подключения к вращению первого и, по крайней мере, второго роторов. В этой установке в качестве МЗР применены фрикционные муфты. А в качестве датчика ДВП - анемометр, который оценивает значение скорости внешнего ветрового потока и по сигналу с которого инициируется трансмиссионное подключение стандартных электрогенераторов посредством фрикционных муфт, а также изменение скорости этих электрогенераторов.

- Ветроэнергетическая установка (для второго варианта) по патенту Великобритании №2036881, опубл. 1980.07.02, МПК B65G 21/20; F03D 9/00, содержит, по крайней мере, два электрогенератора, при этом первый и, по крайней мере, второй роторы указанных электрогенераторов закреплены на валу, который выполнен разделенным на части по числу соответственно закрепленных на них роторов, первая часть вала соединена с ветроколесом для вращения первого и, по крайней мере, второго роторов, части вала первого и, по крайней мере, второго роторов соединены посредством ведущих и ведомых полумуфт муфт зацепления/расцепления (МЗР), датчик давления ветрового потока (ДВП) для последовательного подключения к вращению первого и, по крайней мере, второго роторов. В этой установке в качестве МЗР применены фрикционные муфты. А в качестве датчика ДВП - анемометр, который оценивает значение скорости внешнего ветрового потока и по сигналу с которого инициируется трансмиссионное подключение стандартных электрогенераторов посредством фрикционных муфт, а также изменение скорости этих электрогенераторов.

- Ветроэнергетическая установка (для третьего варианта) по патенту Великобритании №2036881, опубл. 1980.07.02, МПК B65G 21/20; F03D 9/00, содержит ветроколесо, которое расположено на первом валу, первый электрогенератор с первыми ротором и статором, второй электрогенератор со вторыми ротором и статором, при этом первый ротор закреплен на первом валу, датчик давления ветрового потока (ДВП) для подключения к вращению второго ротора через муфту зацепления/расцепления (МЗР). В этой установке в качестве МЗР применены фрикционные муфты. А в качестве датчика ДВП - анемометр, который оценивает значение скорости внешнего ветрового потока и по сигналу с которого инициируется трансмиссионное подключение стандартных электрогенераторов посредством фрикционных муфт, а также изменение скорости этих электрогенераторов.

Основным недостатком данной ветроэнергетической установки по трем вариантам ее исполнения является использование датчика ДВП в виде анемометра только как измерителя скорости внешнего ветрового потока и по сигналу с которого инициируется изменение скорости электрогенераторов и их трансмиссионное подключение один к другому посредством МЗР, которые срабатывают по этому же сигналу. А это приводит к излишнему расходу вырабатываемой энергии электрогенераторами на обеспечение своей собственной работы, что снижает эффективность работы ветроэнергетической установки (не достаточно обеспечивается повышение выработки электроэнергии при увеличении энергии ветрового потока).

В основу изобретения положена задача создания эффективной ветроэнергетической установки. Это обеспечивается путем использования только энергии самого внешнего ветрового потока, при изменении его скорости и соответственно оказываемого давления, для обеспечения зацепления и расцепления МЗР между роторами электрогенераторов. А это обеспечит отбор мощности ветрового потока только на повышение выработки электроэнергии при повышении давления ветрового потока в широком диапазоне скоростей ветрового потока. Кроме того, обеспечит сохранение скорости вращения электрогенератора, а соответственно и частоты вырабатываемой им электроэнергии.

Поставленная задача по первому варианту решается тем, что ветроэнергетическая установка содержит, по крайней мере, два электрогенератора, при этом первый и, по крайней мере, второй роторы указанных электрогенераторов закреплены на валу, который выполнен разделенным на части по числу соответственно закрепленных на них роторов, первая часть вала соединена с ветроколесом для вращения первого и, по крайней мере, второго роторов, части вала первого и, по крайней мере, второго роторов соединены посредством ведущих и ведомых полумуфт муфт зацепления/расцепления (МЗР), датчик давления ветрового потока (ДВП) для последовательного подключения к вращению первого и, по крайней мере, второго роторов. При этом вал с первой части и по предпоследнюю выполнен полым, в указанных полых частях вала соответственно расположены штоки, которые посредством средств зацепления взаимодействуют соответственно с указанными частями вала с возможностью осевого упругого смещения указанных штоков, шток первой части вала соединен с датчиком ДВП с возможностью их совместного упругого осевого смещения, при этом соединение частей вала первого и, по крайней мере, второго роторов посредством ведущих и ведомых полумуфт муфт МЗР выполнено через соответствующие штоки в указанных частях вала. Осевое упругое смещение указанных штоков частей вала может быть выполнено в виде гидропружин. Кроме того, шток первой части вала может быть соединен с датчиком ДВП с возможностью их совместного упругого осевого смещения посредством гидропередачи, при этом входной поршень гидропередачи входным штоком соединен с датчиком ДВП, выходной поршень гидропередачи соединен со штоком первой части вала, а первая часть вала разделена на входную часть с ветроколесом и выходную часть с первым ротором, входная и выходная части первой части вала соединены посредством узла передачи вращающего момента. При этом узел передачи вращающего момента может быть выполнен в виде гидротрансформатора. Средства зацепления частей вала с соответствующими в них штоками могут быть выполнены в виде шлицевых соединений. МЗР могут быть выполнены в виде гидромуфт, ведущие и ведомые полумуфты которых выполнены смещаемыми по оси. Упругое смещение первой и последующих частей вала выполнено соответственно с возможностью последовательного зацепления ведущих и ведомых полумуфт МЗР по мере увеличения давления ветрового потока выше номинального и соответствующего обратного расцепления при снижении давления ветрового потока ниже номинального. Датчик ДВП может быть расположен в центре ветроколеса. Кроме того, датчиком ДВП может быть ветроколесо, при этом шток первой части вала соединен с ветроколесом с возможностью его упругого осевого смещения. Также каждый ротор может быть соединен с соответствующим маховиком.

Поставленная задача по второму варианту решается тем, что ветроэнергетическая установка содержит, по крайней мере, два электрогенератора, при этом первый и, по крайней мере, второй роторы указанных электрогенераторов закреплены на валу, который выполнен разделенным на части по числу соответственно закрепленных на них роторов, первая часть вала соединена с ветроколесом для вращения первого и, по крайней мере, второго роторов, части вала первого и, по крайней мере, второго роторов соединены посредством ведущих и ведомых полумуфт муфт зацепления/расцепления (МЗР), датчик давления ветрового потока (ДВП) для последовательного подключения к вращению первого и, по крайней мере, второго роторов. При этом ведущие и ведомые полумуфты МЗР выполнены с возможностью смещения вдоль внешней поверхности соответствующих частей вала посредством средств зацепления, которые взаимодействуют с указанными частями вала, при этом для последовательного подключения к вращению первого и, по крайней мере, второго роторов датчик ДВП расположен в первой части вала и при осевом смещении взаимодействует с ведущими и ведомыми полумуфтами муфт для их последовательного зацепления или расцепления при их смещении вдоль внешней поверхности соответствующих частей вала. Датчик ДВП при осевом смещении может взаимодействовать с ведущей полумуфтой первой части вала посредством первой гидропередачи, а во второй и по предпоследнюю частях вала ведомая и последующая ведущая полумуфты соединены также соответствующими гидропередачами. А осевое упругое смещение ведущих и ведомых полумуфт МЗР вдоль внешней поверхности соответствующих частей вала выполнено в виде гидропружин. Также первая часть вала может быть разделена на входную и выходную части, при этом входная и выходная части первой части вала соединены посредством узла передачи вращающего момента, входной поршень первой гидропередачи входным штоком соединен с датчиком ДВП, выходной поршень первой гидропередачи является поршнем ведущей полумуфты первой части вала. Узел передачи вращающего момента может быть выполнен в виде гидротрансформатора. А средства зацепления ведущих и ведомых полумуфт МЗР с соответствующими частями вала могут быть выполнены в виде шлицевых соединений. Также МЗР могут быть выполнены в виде гидромуфт, ведущие и ведомые полумуфты которых выполнены смещаемыми по оси.

Поставленная задача по третьему варианту решается тем, что ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо, которое расположено на первом валу, первый электрогенератор с первыми ротором и статором, второй электрогенератор со вторыми ротором и статором, при этом первый ротор закреплен на первом валу, датчик давления ветрового потока (ДВП) для подключения к вращению второго ротора через муфту зацепления/расцепления (МЗР). При этом МЗР выполнена в виде гидромуфты с ведущей и ведомой полумуфтами, а первый вал выполнен полым, внутри которого расположен шток, который посредством первых средств зацепления взаимодействует с внутренней поверхностью первого вала с возможностью осевого упругого смещения штока, при этом с одной стороны штока закреплен датчик ДВП, а с другой стороны шток соединен с ведущей полумуфтой гидромуфты, ведомая полумуфта которой соединена со вторым валом второго ротора. Кроме того, ведущая и ведомая полумуфты гидромуфты могут быть выполнены с сопряженными круговыми поверхностями, при этом шток соединен с ведущей полумуфтой посредством рычагов для обеспечения возможности поворота ее сопряженной круговой поверхности относительно сопряженной круговой поверхности ведомой полумуфты. Также ведущая полумуфта может быть выполнена в виде радиальных лопаток, которые при осевом смещении взаимодействует с внутренней поверхностью ведомой полумуфты. При этом внутренняя поверхность ведомой полумуфты выполнена в виде призматической поверхности. Кроме того, ведомая полумуфта соединена со вторым валом второго ротора посредством планетарной передачи. Также второй вал со вторым ротором может быть соединен с маховиком.

Использование во всех трех вариантах исполнения ветроэнергетической установки осевого смещения датчика ДВП для последовательного подключения роторов электрогенераторов к вращению путем последовательного приведения этим датчиком ДВП в зацепление МЗР (при увеличении давления ветрового потока на датчик ДВП) или расцепления МЗР (при снижении давления ветрового потока на датчик ДВП) позволяет максимально повысить отбор мощности ветрового потока и соответственно повысить выработку электроэнергии при повышении давления ветрового потока. При этом не требуется отключать вращение ветроколеса ветроэнергетической установки или переводить его лопасти во флюгерное положение во избежание поломки ветроэнергетической установки при сильном давлении ветрового потока. Кроме того, это позволяет обеспечить сохранение скорости вращения роторов электрогенераторов, а соответственно и частоты вырабатываемой ими электроэнергии при повышении давления ветрового потока выше номинального.

Выполнение, по первому варианту воплощения изобретения, вала с первой части и по предпоследнюю полым со штоками, смещаемыми датчиком ДВП для приведения зацепления или расцепление МЗР и соответственно роторов электрогенераторов, позволяет обеспечить реализацию ветроэнергетической установки с передачей смещения датчика ДВП внутри полых частей валов. Это также направлено на максимальное повышение отбора мощности ветрового потока и соответствующее повышение выработки электроэнергии при повышении давления ветрового потока. При этом обеспечивается работа ветроэнергетической установки как с горизонтальной осью вращения роторов, так и с вертикальной (например, в ветроэнергетических установках башенного типа).

А расположение в первой части вала, по второму варианту воплощения изобретения, датчика ДВП, который при своем осевом смещении взаимодействует с ведущими и ведомыми полумуфтами МЗР для их последовательного зацепления или расцепления, позволяет обеспечить реализацию ветроэнергетической установки с передачей смещения ведущих и ведомых полумуфт МЗР вдоль внешней поверхности соответствующих частей вала. Это также направлено на максимальное повышение отбора мощности ветрового потока ветроэнергетической установкой. При этом также обеспечивается работа ветроэнергетической установки как с горизонтальной осью вращения роторов, так и с вертикальной (например, в ветроэнергетических установках башенного типа).

Выполнение, по третьему варианту воплощения изобретения, МЗР в виде гидромуфты, а первого вала полым со штоком, который взаимодействует с внутренней поверхностью первого вала с возможностью осевого упругого смещения штока, и соответственно ведущей полумуфты гидромуфты, позволяет реализовать плавное подключение к вращению второго ротора при увеличении давления ветрового потока на датчик ДВП. А это также направлено на максимальное повышение отбора мощности ветрового потока ветроэнергетической установкой. Этот вариант исполнения преимущественно используется в ветроэнергетических установках с вертикальной осью вращения (например, в ветроэнергетических установках башенного типа). При этом обеспечивается также компактная конструкция ветроэнергетической установки. На компактность конструкции ветроэнергетической установки также направлено использование планетарной передачи для передачи вращающего момента от первого ротора ко второму ротору. А выполнение ведущей полумуфты гидромуфты в виде радиальных лопаток и внутренней поверхности ведомой полумуфты в виде призматической поверхности, позволяет обеспечить один из вариантов эффективной передачи вращающего момента.

Использование в первом и втором вариантах воплощения изобретения гидропередачи для обеспечения взаимодействия смещения датчика ДВП с ведущими и ведомыми полумуфтами муфт зацепления/расцепления позволяет обеспечить решение поставленной задачи при использовании узла передачи вращающего момента от ветроколеса к роторам электрогенераторов. А выполнение узла передачи вращающего момента в виде гидротрансформатора позволяет осуществить мягкий режим изменения скорости вращения роторов относительно скорости вращения ветроколеса.

Использование во всех трех вариантах воплощения изобретения шлицевых соединений позволяет обеспечить осевую передачу смещения датчика ДВП при одновременном обеспечении передачи вращающего момента на разделенные части валов или от этих частей валов.

Использование во всех трех вариантах воплощения изобретения в качестве муфт зацепления/расцепления гидромуфт позволяет обеспечить мягкий (без рывков) режим последовательного подключения к вращению последующих роторов к вращаемому первому ротору или их отключения.

Использование во всех трех вариантах воплощения изобретения расположения датчика ДВП в центре ветроколеса позволяет использовать предлагаемое решение в ветроэнергетических установках большой мощности. А использование в качестве датчика ДВП непосредственно ветроколеса позволяет использовать предлагаемое решение в ветроэнергетических установках малой и средней мощности.

Использование во всех трех вариантах воплощения изобретения соединения роторов с соответствующими маховиками позволяет обеспечить постоянство вырабатываемой электроэнергии при возможных порывах ветрового потока как в сторону его увеличения, так и уменьшения.

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

Данная совокупность существенных признаков по сравнению с прототипами по ветроэнергетическим установкам позволяет обеспечить повышение отбора мощности ветрового потока и соответственно повышение выработки электроэнергии при повышении давления ветрового потока. Кроме того, позволяет обеспечить сохранение скорости вращения электрогенераторов, а соответственно и частоты вырабатываемой ими электроэнергии.

По мнению авторов, заявляемое техническое решение отвечает критериям изобретения «новизна» и «изобретательский уровень» потому, что совокупность существенных признаков, которые характеризуют варианты ветроэнергетических установок, является новой и не вытекает явно из известного уровня техники.

Заявленное изобретение поясняется чертежами ветроэнергетических установок. На чертежах одинаковые элементы, в пределах одного варианта воплощения изобретения, обозначены одинаково и где: на Фиг.1 изображена схема ветроэнергетической установки по первому варианту с узлом передачи вращающего момента, общий вид, вертикальный разрез; на Фиг.2 изображена схема ветроэнергетической установки по первому варианту с датчиком ветрового потока в виде ветрового колеса и с узлом передачи вращающего момента, общий вид, вертикальный разрез; на Фиг.3 изображена схема ветроэнергетической установки по первому варианту без узла передачи вращающего момента, общий вид, вертикальный разрез; на Фиг.4 изображена схема ветроэнергетической установки по первому варианту с датчиком ветрового потока в виде ветрового колеса и без узла передачи вращающего момента, общий вид, вертикальный разрез; на Фиг.5 изображена аксонометрия по виду W на Фиг.1, с вырезом одной четверти, в вариантах с узлом передачи вращающего момента; на Фиг.6 изображена схема ветроэнергетической установки по второму варианту с датчиком ветрового потока и с узлом передачи вращающего момента, общий вид, вертикальный разрез; на Фиг.7 изображена в увеличенном масштабе часть ведущей полумуфты по виду Х на Фиг.6; на Фиг.8 изображен в увеличенном масштабе вид W на Фиг.1 и вид Y на Фиг.6; Фиг.9 изображено сечение Z - Z на Фиг.1 и Фиг.6; на Фиг.10 изображена схема ветроэнергетической установки по второму варианту с датчиком ветрового потока в виде ветрового колеса и с узлом передачи вращающего момента, общий вид, вертикальный разрез; на Фиг.11 изображена схема ветроэнергетической установки по третьему варианту с датчиком ветрового потока, общий вид, вертикальный разрез; на Фиг.12 изображен разрез по А-А на Фиг.11; на Фиг.13 изображен разрез по В-В на Фиг.11; на Фиг.14 изображен разрез по С-С на Фиг.11; на Фиг.15 изображена схема ветроэнергетической установки по третьему варианту с торцевыми расположениями статоров и роторов, общий вид, вертикальный разрез; на Фиг.16 изображены четыре положения ведущей полумуфты по третьему варианту на Фиг.11.

Предпочтительный вариант ветроэнергетической установки выполнен по первому варианту воплощения изобретения. В соответствии с Фиг.1, 8, 9 ветроэнергетическая установка содержит: ветроколесо 1 с горизонтальной осью 2 вращения; по крайней мере, два электрогенератора, в которых первый ротор 3.1, второй ротор 3.2 и последний ротор 3.N расположены с зазором относительно соответствующих статоров 4.1 - 4.М; вал выполнен разделенным на части 5.1 - 5.К по числу соответственно закрепленных на них роторов 3.1 - 3.N. При этом вал с первой 5.1 части и по последнюю 5.К выполнен полым. В упомянутых полых частях 5.1 - 5.К вала соответственно расположены штоки 6.1- 6.L, которые посредством средств зацепления, в виде шлицевых соединений 7.1-7.Р, взаимодействуют соответственно с указанными частями 5.1 - 5.К вала с возможностью осевого упругого смещения указанных штоков 6.1- 6.L. Шток первой части 5.1 вала соединен с датчиком 8 давления ветрового потока (ДВП) с возможностью их совместного упругого осевого смещения. Датчик 8 ДВП расположен на оси 2 в центре ветроколеса 1. При этом штоки в первой 6.1 и последующих 6.2- 6.L частях вала соединены между собой посредством ведущих 9.1 - 9.G и ведомых 10.1- 10.F полумуфт муфт 11.1- 11.R зацепления/расцепления (МЗР) первого ротора 3.1, по крайней мере, со вторым ротором 3.2. Муфты МЗР 11.1- 11.R выполнены в виде гидромуфт. Шток 6.1 первой части 5.1 вала соединен с датчиком 8 ДВП с возможностью их совместного упругого осевого смещения посредством гидравлической передачи 12. При этом входной поршень 13 гидропередачи 12 входным штоком 14 соединен с датчиком 8 ДВП. Выходной поршень 15 гидропередачи 12 соединен со штоком 6.1 первой части 5.1 вала. Первая часть 5.1 вала разделена на входную часть 16 с ветроколесом 1 и выходную часть 17 с первым ротором 3.1. Входная 16 и выходная 17 части первой части 5.1 вала соединены посредством узла 18 передачи вращающего момента. Узел 18 передачи вращающего момента выполнен в виде гидротрансформатора. Упругое смещение первой 5.1 и последующих частей 5.2 - 5.К вала выполнено соответственно с возможностью последовательного зацепления ведущих 5.1-5.К и ведомых 10.1-10.F полумуфт муфт МЗР 10.1-10.F по мере увеличения давления ветрового потока выше номинального и соответствующего обратного расцепления при снижении давления ветрового потока ниже номинального. Осевое упругое смещение указанных штоков 6.1- 6.L частей 5.1 - 5.К вала выполнено в виде гидропружин 19.1- 19.S с соответствующими поршнями 20.1- 20.Т. Гидропружины 19.1- 19.S представляют собой заполненные жидкостью и газом гидроцилиндры с поршнями 20.1- 20.Т. Стенками указанных гидроцилиндров являются внутренние поверхности соответствующих частей 5.1 - 5.К вала. Все вращаемые части ветроэнергетической установки закреплены в корпусе 21 посредством подшипников 22.

В одном из исполнений по первому варианту вал также может быть выполнен полым с первой части и по предпоследнюю. Соответственно последняя часть вала может быть выполнена цельной, т.к. ветроэнергетическая установка может работать и без упругого смещении ведомой полумуфты последней части вала.

По первому варианту также, в соответствии с Фиг.3, ветроэнергетическая установка может быть выполнена без узла 18 передачи вращающего момента. При этом датчик 8 ДВП может быть дополнительно подпружинен пружиной 24.

Также в одном из исполнений по первому варианту датчиком ДВП может быть ветроколесо 1. При этом, в соответствии с Фиг.2, входной шток 14 соединен с ветроколесом 1 и передает вращение на входную часть 16 первой части 5.1 вала посредством шлицевого соединения 23. А в соответствии с Фиг.4 шток 6.1 первой части 5.1 вала соединен с ветроколесом 1 с возможностью его упругого осевого смещения посредством дополнительной пружины 24.

Также в одном из исполнений по первому варианту каждый ротор 3.1 - 3.N может быть закреплен на соответствующем маховике (не показано) для снижения влияния порывов ветрового потока на работу электрогенераторов.

Способ работы ветроэнергетической установки по первому варианту воплощения осуществляется следующим образом.

При номинальном давлении ветрового потока (номинальной его скорости) ветроэнергетическая установка работает в обычном режиме вырабатывания номинальной мощности электроэнергии. Эта номинальная мощность обеспечивается работой только первого электрогенератора с первым ротором 3.1 от ветроколеса 1. В случае повышения давления ветрового потока, при повышении его скорости выше номинальной, к вращению первого ротора 3.1 первого электрогенератора последовательно подключают роторы 3.2- 3.N последующих электрогенераторов. Это обеспечивается тем, что при повышении давления ветрового потока выше номинального датчик 8 ДВП смещается вдоль оси 2 вместе с входным штоком 14 и входным поршнем 13 гидропередачи 12. Это смещение через жидкость гидропередачи 12 передается на смещение ее выходного поршня 15 и соответствующее смещение первого штока 6.1 с поршнем 20.1 гидропружины 19.1. Далее это смещение через муфты 11.1- 11.R МЗР последовательно передается на штоки 6.2- 6.L для последовательного подключения к вращению последующих частей 5.2 - 5.К вала. Вращающий момент от части 5.1 вала передается через шлицевое зацепление 7.1 на шток 6.1. А от штоков 6.2- 6.L вращающий момент через шлицевые зацепления 7.2-7.Р передается на части 5.2 - 5.К вала. При этом осевое смещение штоков 6.2- 6.L с одновременным их вращением приводит к мягкому (без рывков) зацеплению ведущих 9.1- 9.G и ведомых 10.1 -10.F полумуфт гидромуфт 11.1 -11.R МЗР. Упругое сжатие гидропружин 19.1 -19.S обеспечивает последующее обратное расцепление ведущих 9.1- 9.G и ведомых 10.1 -10.F полумуфт гидромуфт 11.1 -11.R МЗР при снижении давления ветрового потока ниже его номинального значения. Вращающий момент от входной части 16 вала мягко (без рывков) передается на выходную часть 17 первой части 5.1 вала посредством узла 18 передачи вращающего момента в виде гидротрансформатора.

Ветроэнергетическая установка по второму варианту воплощения изобретения, в соответствии с Фиг.6-9, содержит: ветроколесо 25 с горизонтальной осью 26 вращения; по крайней мере, два электрогенератора, в которых первый ротор 27.1, второй ротор 27.2 и последний ротор 27.N расположены с зазором относительно соответствующих статоров 28.1 - 28.М; вал выполнен разделенным на части 29.1 - 29.К по числу соответственно закрепленных на них роторов 27.1 - 27.N. При этом первая часть 29.1 вала соединена с ветроколесом 25. Указанные части 29.1 - 29.К вала соединены посредством ведущих 30.1- 30.G полумуфт и ведомых 31.1- 31.F полумуфт муфт 32.1- 32.R МЗР. Указанные ведущие 30.1- 30.G и ведомые 31.1- 31.F полумуфты муфт 32.1- 32.R МЗР взаимодействуют посредством средств 33.1-33.3 зацепления с соответствующими частями 29.1 - 29.2 вала с возможностью осевого упругого смещения ведущих 30.1- 30.G и ведомой 31.1 полумуфт муфт 32.1 -32.R МЗР вдоль внешней поверхности соответствующих частей 29.1 - 29.2 вала. При этом в первой части 29.1 вала расположен датчик 34 давления ветрового потока (ДВП). Указанный датчик 34 ДВП при его осевом смещении взаимодействует с ведущими 30.1 -30.G и ведомыми 31.1 -31.F полумуфтами муфт 32.1 -32.R МЗР для их последовательного зацепления или расцеплении при их смещения вдоль внешней поверхности соответствующих частей 29.1 - 29.2 вала. Осевое упругое смещение ведущих 30.1 -30.G и ведомой 31.1 полумуфт вдоль внешней поверхности соответствующих частей 29.1 - 29.2 вала выполнено в виде пружин 35.1 -35.3, которые подпружинивают с одной стороны соответствующие поршни 36.1 -36.3. С другой стороны на поршни 36.1 -36.3 воздействует жидкость соответствующих гидропередач 37.1-37.2. Датчик 34 ДВП взаимодействует с ведущей полумуфтой 30.1 первой части 29.1 вала посредством первой гидропередачи 37.1. Во второй и по предпоследнюю частях 29.2 (в этом воплощении предпоследняя часть вала является второй его частью) вала ведомая 31.1 и последующая ведущая 30.G полумуфты соединены также соответствующей гидропередачей 37.2. Первая часть 29.1 вала может быть разделена на входную 38 и выходную 39 части. При этом входная 38 и выходная 39 части первой части 29.1 вала соединены посредством узла 40 передачи вращающего момента, который выполнен в виде гидротрансформатора. Входной поршень 41 первой гидропередачи 37.1 входным штоком 42 соединен с датчиком 34 ДВП, выходным поршнем гидропередачи 37.1 являются поршни 36.1 ведущей полумуфты 30.1 первой части 29.1 вала. Средства 33.1-33.3 зацепления ведущих 30.1 -30.G и ведомой 31.1 полумуфт муфт 32.1- 32.R МЗР с соответствующими частями вала 29.1 - 29.2 выполнены в виде шлицевых соединений. Все вращаемые части ветроэнергетической установки закреплены в корпусе 43 посредством подшипников 44. При этом средства зацепления муфт 32.1- 32.R с частями разделенного вала, а также для передачи осевого смещения указанных муфт расположены симметрично по кругу вокруг оси 26.

В одном из воплощений изобретения по второму варианту муфты 32.1- 32.R МЗР могут быть выполнены в виде гидромуфт, ведущие 30.1- 30.G и ведомые 31.1- 31.G полумуфты которых выполнены смещаемыми по оси 26.

В одном из исполнений по второму варианту ветроэнергетическая установка может работать и с упругим смещением ведомой полумуфты 31.F последней части 29.К вала.

В одном из исполнений по второму варианту пружины 35.1- 35.3 могут быть выполнены в виде гидропружин, которые представляют собой заполненные жидкостью и газом гидроцилиндры с поршнями 36.1 - 36.3.

Также в одном из исполнений по второму варианту, в соответствии с Фиг.10, 7-9 датчиком ДВП может быть ветроколесо 25, которое закреплено на штоке 42 во входной 38 части (выполненной полой) первой части 29.1 вала. Шток 42 соединен с ветроколесом 25 с возможностью его упругого осевого смещения посредством шлицевого соединения 46 и пружин 35.1-35.3.

Также в одном из воплощений изобретения по второму варианту каждый ротор 27.1 - 27.N может быть закреплен на соответствующем маховике (не показано).

Способ работы ветроэнергетической установки по второму варианту воплощения изобретения осуществляется следующим образом.

При номинальном давлении ветрового потока (номинальной его скорости) ветроэнергетическая установка работает в обычном режиме вырабатывания номинальной мощности электроэнергии. Эта номинальная мощность обеспечивается работой только первого электрогенератора с первым ротором 27.1 от ветроколеса 25. В случае повышения давления ветрового потока, при повышении его скорости выше номинальной, к вращению первого ротора 27.1 первого электрогенератора последовательно подключают роторы 27.2- 27.N последующих электрогенераторов. Это обеспечивается тем, что при повышении давления ветрового потока выше номинального, датчик 34 ДВП смещается вдоль оси 26 вместе с входным штоком 42 и входным поршнем 41 гидропередачи 37.1. Это смещение через жидкость гидропередачи 37.1 передается на смещение первой ведущей полумуфты 30.1 с преодолением противодействия пружины 35.1 и дополнительной пружины 45. Дальше это смещение через ведущие 30.1- 30.G и ведомые 31.1 - 31.F муфты 32.1-32.R МЗР посредством гидропередачи 37.2 (и последующих) последовательно передается на части 29.1 - 29.2 вала для последовательного их подключения к вращению совместно с соответствующими роторами 27.1 - 27.N электрогенераторов. Упругое сжатие пружин 35.1- 35.3 обеспечивает последующее обратное расцепление ведущих 30.1- 30.G и ведомых 31.1- 31.F полумуфт муфт 32.1-32.R МЗР при снижении давления ветрового потока ниже его номинального значения.

Также по первому и второму вариантам воплощения изобретения упругое осевое смещение датчика ДВП или ветрового колеса в виде датчика ДВП может быть дополнительно к соответствующим гидропружинам обеспечено дополнительными, например механическими, пружинами 24, 45, как это показано на Фиг.3, 4, 6. А при использовании узла 18 (40 по второму варианту) передачи вращающего момента жидкость гидропередачи 12 (37.1 по второму варианту) проходит, в соответствии с Фиг.1, 2, 5, по каналам 47, 48 и 49 для передачи соответствующего смещения на разделенные части вала. А в качестве узлов передачи вращающего момента по первому и второму вариантам воплощения изобретения могут использоваться любые другие известные узлы, которые выполняют данную функцию.

Ветроэнергетическая установка по третьему варианту воплощения изобретения, в соответствии с Фиг.11-14, содержит: ветроколесо 50, которое расположено на первом валу 51 с вертикальной осью 52 вращения; первый электрогенератор с первыми ротором 53.1 и статором 54.1, при этом первый ротор закреплен на первом валу 51; второй электрогенератор со вторыми ротором 53.2 и статором 54.2, при этом второй ротор 53.2 закреплен на втором валу 55; датчик 56 давления ветрового потока (ДВП), расположенный в центре ветроколеса 50 и закрепленный с одной стороны штока 57; ведущая 58.1-58.4 и ведомая 59.1-59.4 полумуфты гидромуфты; планетарная передача; маховик 60, закрепленный на втором валу 55. При этом первый вал 51 выполнен полым, внутри которого расположен шток 57. Шток 57 посредством первых средств 61 зацепления в виде шлицевого соединения взаимодействует, с возможностью осевого упругого смещения, с внутренней поверхностью первого вала 51. С другой стороны шток 57 соединен с ведущей полумуфтой 58.1-58.4 гидромуфты. Ведомая полумуфта 59.1-59.4 соединена со вторым валом 55 второго ротора 53.2. Ведущая 58.1-58.4 и ведомая 59.1-59.4 полумуфты гидромуфты выполнены с сопряженными круговыми поверхностями. Шток 57 соединен с ведущей полумуфтой 58.1-58.4 посредством рычагов 62.1-62.4 для обеспечения возможности поворота ее сопряженной круговой поверхности относительно сопряженной круговой поверхности ведомой полумуфты 59.1-59.4. Ведомая полумуфта 59.1-59.4 соединена с вторым валом 55 второго ротора 53.2 посредством планетарной передачи. Солнечная шестерня 63 планетарной передачи закреплена на втором валу 55, а сателитные шестерни 64.1-64.4 соединены водилом 65 и взаимодействуют с внутренней поверхностью цилиндрического углубления в ведомой полумуфте 59.1-59.4. Датчик 56 ДВП подпружинен пружиной 66. Все вращаемые части ветроэнергетической установки закреплены в корпусе 67 посредством подшипников 68.

Ось вращения ведущей полмуфты 58.1-58.4 может быть расположена как в центре их круга, так со смещением ее в соответствии с Фиг.11, 15, 16. При этом возможно применение ограничителей этого вращения.

В одном из воплощений изобретения по третьему варианту ведущая полумуфта 58.1-58.4 может быть выполнена в виде радиальных лопаток (без использования рычагов 62.1-62.4), которые при осевом смещении взаимодействует с внутренней поверхностью ведомой полумуфты 59. При этом внутренняя поверхность ведомой полумуфты 59 может быть выполнена в виде призматической поверхности или в виде иной другой поверхности, которая обеспечивает достаточное взаимодействие с ведущей полумуфтой 58.1-58.4.

Кроме того, в одном из воплощений изобретения по третьему варианту между внутренней поверхностью первого вала 51 и поверхностью штока 57 может быть использовано дополнительно лабиринтное уплотнение.

Расположение первого и второго роторов относительно своих статоров может быть как в торцевом исполнении (Фиг.15), так и в концентрическом или в их комбинации (Фиг.11).

На Фиг.16 заштрихованной зоной 69 показано увеличение площади взаимодействия через вязкую жидкость 70 гидромуфты ведущих полумуфт 58.1-58.4 при их смещении относительно ведомых полумуфт 59.1-59.4.

Способ работы ветроэнергетической установки по третьему варианту воплощения изобретения осуществляется следующим образом.

При номинальном давлении ветрового потока (номинальной его скорости) ветроэнергетическая установка работает в обычном режиме вырабатывания номинальной мощности электроэнергии. Эта номинальная мощность обеспечивается работой только первого электрогенератора с первым ротором 53.1 от ветроколеса 50. В случае повышения давления ветрового потока, при повышении его скорости выше номинальной, к вращению первого ротора 53.1 первого электрогенератора подключают второй ротор 53.2 второго генератора. Это обеспечивается тем, что при повышении давления ветрового потока выше номинального датчик 56 ДВП смещается вдоль оси 52 вместе с входным штоком 57. Это смещение, в соответствии с четырьмя положениями ведущих полумуфт 58.1-58.4 на Фиг.16, вызывает увеличение угла между рычагами 62.1-62.4 и соответствующее смещение круговых поверхностей ведущей полумуфты 58.1-58.4 относительно сопряженной поверхности ведомой полумуфты 59.1-59.4. Это обеспечивает мягкий (без рывков) режим передачи вращающего момента через планетарную передачу (для повышения скорости вращения второго ротора 53.2) на второй ротор 53.2. Использование маховика 60 обеспечивает сглаживание изменений выходного напряжения второго электрогенератора при порывах ветрового потока.

Все три варианта воплощения изобретения могут быть использованы для ветроэнергетических установок как с горизонтальной осью вращения, так и с вертикальной осью вращения. А при использовании маховиков предпочтительным является использования с вертикальной осью вращения из-за возможного влияния гироскопического эффекта.

Хотя здесь показаны и описаны варианты, которые признаны лучшими для осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что можно осуществлять разнообразные изменения и модификации и элементы можно заменять на эквивалентные, не выходя при этом за пределы объема притязаний настоящего изобретения. В частности, такие термины как «первый», «второй», «третий» приведены в настоящей заявке из соображений удобства и не являются терминами, которые ограничивают объем прав по заявке. При этом термин «соответствующие» следует понимать как первый элемент установки с другим первым элементом, второй - со вторым и т.д. А термины «предпоследний» и «последний» следует понимать как конечные элементы в ряду, начиная от первого к последнему.

Соответствие заявляемого технического решения критерию изобретения «промышленная применимость» подтверждается указанными примерами вариантов выполнения ветроэнергетической установки.

Ветроэнергетическая установка содержит, по крайней мере, два электрогенератора, при этом первый и, по крайней мере, второй роторы указанных электрогенераторов закреплены на валу, который выполнен разделенным на части по числу соответственно закрепленных на них роторов. Первая часть вала соединена с ветроколесом для вращения первого и, по крайней мере, второго роторов. Части вала первого и, по крайней мере, второго роторов соединены посредством ведущих и ведомых полумуфт муфт зацепления/расцепления. Установка содержит датчик давления ветрового потока для последовательного подключения к вращению первого и, по крайней мере, второго роторов. Вал, с первой части и по предпоследнюю, выполнен полым. В указанных полых частях вала соответственно расположены штоки, которые посредством средств зацепления взаимодействуют соответственно с указанными частями вала с возможностью осевого упругого смещения указанных штоков. Шток первой части вала соединен с датчиком давления ветрового потока с возможностью их совместного упругого осевого смещения. Соединение частей вала первого и, по крайней мере, второго роторов посредством ведущих и ведомых полумуфт муфт зацепления/расцепления выполнено через соответствующие штоки в указанных частях вала. Изобретение позволяет повысить отбор мощности ветрового потока и соответственно повысить выработку электроэнергии при повышении давления ветрового потока. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая, по крайней мере, два электрогенератора, при этом первый и, по крайней мере, второй роторы (3.1-3.N) указанных электрогенераторов закреплены на валу, который выполнен разделенным на части (5.1-5.К) по числу соответственно закрепленных на них роторов (3.1-3.N), первая часть (5.1) вала соединена с ветроколесом (1) для вращения первого и, по крайней мере, второго роторов (3.1-3.N), части (5.1-5.К) вала первого и, по крайней мере, второго роторов (3.1-3.N) соединены посредством ведущих (9.1-9.G) и ведомых (10.1-10.F) полумуфт муфт (11.1-11.R) зацепления/расцепления (МЗР), датчик (8) давления ветрового потока (ДВП) для последовательного подключения к вращению первого и, по крайней мере, второго роторов (3.1-3.N), отличающаяся тем, что вал с первой части (5.1) и по предпоследнюю (5.2) выполнен полым, в указанных полых частях (5.1-5.2) вала соответственно расположены штоки (6.1-6.2), которые посредством средств (7.1-7.2) зацепления взаимодействуют соответственно с указанными частями (5.1-5.2) вала с возможностью осевого упругого смещения указанных штоков (6.1-6.2), шток (6.1) первой части (5.1) вала соединен с датчиком (8) ДВП с возможностью их совместного упругого осевого смещения, при этом соединение частей (5.1-5.К) вала первого и, по крайней мере, второго роторов (3.1-3.N) посредством ведущих (9.1-9.G) и ведомых (10.1-10.F) полумуфт муфт (11.1-11.R) МЗР выполнено через соответствующие штоки (6.1-6.2) в указанных частях (5.1-5.2) вала.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что осевое упругое смещение указанных штоков (6.1-6.2) частей (5.1-5.2) вала выполнено в виде гидропружин (19.1-19.2).

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что шток (6.1) первой (5.1) части вала соединен с датчиком (8) ДВП с возможностью их совместного упругого осевого смещения посредством гидропередачи (12), при этом входной (13) поршень гидропередачи (12) входным (14) штоком соединен с датчиком (8) ДВП, выходной (15) поршень гидропередачи (12) соединен со штоком (6.1) первой (5.1) части вала, а первая (5.1) часть вала разделена на входную (16) часть с ветроколесом (1) и выходную (17) часть с первым (3.1) ротором, входная (16) и выходная (17) части первой (5.1) части вала соединены посредством узла (18) передачи вращающего момента.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что узел (18) передачи вращающего момента выполнен в виде гидротрансформатора.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средства (7.1-7.2) зацепления частей (5.1-5.2) вала с соответствующими в них штоками (6.1-6.2) выполнены в виде шлицевых соединений.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что МЗР (11.1-11.R) выполнены в виде гидромуфт, ведущие (9.1-9.G) и ведомые (10.1-10.F) полумуфты которых выполнены смещаемыми по оси (2).

7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упругое смещение первой (5.1) и последующих (5.2-5.К) частей вала выполнено соответственно с возможностью последовательного зацепления ведущих (9.1-9.G) и ведомых (10.1-10.F) полумуфт МЗР (11.1-11.R) по мере увеличения давления ветрового потока выше номинального и соответствующего обратного расцепления при снижении давления ветрового потока ниже номинального.

8. Установка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что датчик (8) ДВП расположен в центре ветроколеса (1).

9. Установка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что датчиком ДВП является ветроколесо (1), при этом шток (6.1) первой (5.1) части вала соединен с ветроколесом (1) с возможностью его упругого осевого смещения.

10. Установка по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что каждый ротор (3.1-3.N) соединен с соответствующим маховиком.

11. Ветроэнергетическая установка, содержащая, по крайней мере, два электрогенератора, при этом первый и, по крайней мере, второй роторы (27.1-27. N) указанных электрогенераторов закреплены на валу, который выполнен разделенным на части (29.1-29.К) по числу соответственно закрепленных на них роторов (27.1-27.N), первая часть (29.1) вала соединена с ветроколесом (25) для вращения первого и, по крайней мере, второго роторов (27.1-27.N), части (29.1-29.К) вала первого и, по крайней мере, второго роторов (27.1-27.N) соединены посредством ведущих (30.1-30.G) и ведомых (31.1-31.F) полумуфт муфт (32.1-32.R) зацепления/расцепления (МЗР), датчик (34) давления ветрового потока (ДВП) для последовательного подключения к вращению первого и, по крайней мере, второго роторов (27.1-27.N), отличающаяся тем, что ведущие (30.1-30.G) и ведомые (31.1) полумуфты МЗР (32.1-32.R) выполнены с возможностью смещения вдоль внешней поверхности соответствующих частей (29.1-29.2) вала посредством средств (33.1-33.3) зацепления, которые взаимодействуют с указанными частями (29.1-29.2) вала, при этом для последовательного подключения к вращению первого и, по крайней мере, второго (27.1-27.N) датчик (34) ДВП расположен в первой части (29.1) вала и при осевом смещении взаимодействует с ведущими (30.1-30.G) и ведомыми (31.1-31.F) полумуфтами муфт (32.1-32.R) для их последовательного зацепления или расцепления при их смещении вдоль внешней поверхности соответствующих частей (29.1-29.2) вала.

12. Установка по п.11, отличающаяся тем, что датчик (34) ДВП при осевом смещении взаимодействует с ведущей (30.1) полумуфтой первой части (29.1) вала посредством первой (37.1) гидропередачи, а во второй и по предпоследнюю частях (29.2-29.К) вала ведомая (31.1) и последующая ведущая (30.G) полумуфты соединены также соответствующими гидропередачами (37.2).

13. Установка по п.11, отличающаяся тем, что осевое упругое смещение ведущих (30.1-30.G) и ведомых (31.1) полумуфт МЗР (32.1-32.R) вдоль внешней поверхности соответствующих частей (29.1-29.2) вала выполнено в виде гидропружин.

14. Установка по п.11, отличающаяся тем, что первая (29.1) часть вала разделена на входную (38) и выходную (39) части, при этом входная (38) и выходная (39) части первой (29.1) части вала соединены посредством узла (40) передачи вращающего момента, входной (41) поршень первой (37.1) гидропередачи входным (42) штоком соединен с датчиком (34) ДВП, выходной поршень первой (37.1) гидропередачи является поршнем (36.1) ведущей (30.1) полумуфты первой (29.1) части вала.

15. Установка по п.14, отличающаяся тем, что узел (40) передачи вращающего момента выполнен в виде гидротрансформатора.

16. Установка по п.11, отличающаяся тем, что средства (33.1-33.3) зацепления ведущих (30.1-30.G) и ведомых (31.1) полумуфт МЗР (32.1-32.R) с соответствующими частями (29.1-29.2) вала выполнены в виде шлицевых соединений.

17. Установка по п.11, отличающаяся тем, что МЗР (32.1-32.R) выполнены в виде гидромуфт, ведущие (30.1-30.G) и ведомые (31.1) полумуфты которых выполнены смещаемыми по оси (26).

18. Ветроэнергетическая установка, содержащая ветроколесо (50), которое расположено на первом (51) валу, первый электрогенератор с первыми ротором (53.1) и статором (54.1), второй электрогенератор со вторыми ротором (53.2) и статором (54.2), при этом первый (53.1) ротор закреплен на первом (51) валу, датчик (56) давления ветрового потока (ДВП) для подключения к вращению второго ротора (53.2) через муфту зацепления/расцепления (МЗР), отличающаяся тем, что МЗР выполнена в виде гидромуфты с ведущей (58.1-58.4) и ведомой (59.1-59.4) полумуфтами, а первый (51) вал выполнен полым, внутри которого расположен шток (57), который посредством первых (61) средств зацепления взаимодействует с внутренней поверхностью первого (51) вала с возможностью осевого упругого смещения штока (57), при этом с одной стороны штока (57) закреплен датчик (56) ДВП, а с другой стороны шток (57) соединен с ведущей (58.1-58.4) полумуфтой гидромуфты, ведомая (59.1-59.4) полумуфта которой соединена со вторым (55) валом второго (53.2) ротора.

19. Установка по п.18, отличающаяся тем, что ведущая (58.1-58.4) и ведомая (59.1-59.4) полумуфты гидромуфты выполнены с сопряженными круговыми поверхностями, при этом шток (57) соединен с ведущей (58.1-58.4) полумуфтой посредством рычагов (62.1-62.4) для обеспечения возможности поворота ее сопряженной круговой поверхности относительно сопряженной круговой поверхности ведомой (59.1-59.4) полумуфты.

20. Установка по п.18, отличающаяся тем, что ведущая (58.1-58.4) полумуфта выполнена в виде радиальных лопаток, которые при осевом смещении взаимодействуют с внутренней поверхностью ведомой (59.1-59.4) полумуфты.

21. Установка по п.20, отличающаяся тем, что внутренняя поверхность ведомой (59.1-59.4) полумуфты выполнена в виде призматической поверхности.

22. Установка по п.18, отличающаяся тем, что ведомая (59.1-59.4) полумуфта соединена со вторым (55) валом второго (53.2) ротора посредством планетарной передачи.

23. Установка по п.18, отличающаяся тем, что второй (55) вал со вторым (53.2) ротором соединен с маховиком (60).