ЗОНТИЧНО-КАРКАСНЫЙ ВИНДРОТОР Российский патент 2013 года по МПК F03D3/00 

Изобретение используется для получения промышленно значимых мощностей электроэнергии от возобновляемого природного источника - ветра, в условиях нестабильной аэродинамической среды.

Сущность технического решения состоит в применении крупногабаритной турбины с развитой боковой площадью, ортогонально-парусные элементы которой вынесены за пределы несущего каркаса зонтичной конструкции, стянуты горизонтальными ободами, фиксируемыми и опирающимися на ролики, относящиеся к колоннам упомянутого каркаса и установленные на пружинных рессорах. Вероятность неравномерного вращения турбины и ее вибраций по аэродинамическим причинам понижается оснащением траверс направляющими лопатками.

Настоящий виндротор относится к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) с вертикально расположенным турбинно-роторным валом и ортогонально-парусными элементами.

Практической ветроэнергетикой установлено, что ВЭУ указанного класса (виндроторы) более приспособлены к работе в условиях переменчивых по направлению и умеренных по силе ветров. Их турбины при меньшем лобовом сопротивлении более чувствительно воспринимают воздушный напор, не требуют ориентации на ветер, являются скоростными с частотой вращения 400-600 об/м, что позволяет напрямую передавать вращение от турбины непосредственно на ротор электрогенератора, без применения повышающих зубчатых передач и планетарных редукторов. Однако природа преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию такова, что для получения значимой мощности ветрогенератора его турбина должна ометать поверхность, как можно большей площади. По аналогичному показателю - боковой площади турбины, имея более низкие прочностные качества конструктивно-силовых схем, виндроторные установки многократно уступают горизонтально-роторным ВЭУ с пропеллерными турбинам, в силу чего не в состоянии развить мощности более 20-30 кВт.

Попытки решить указанную проблему заменой турбин Савониуса в их различных модификациях на ортогональные турбины не дает ожидаемой прибавки мощности до промышленных значений, поскольку уже незначительное увеличение размаха парусных элементов на консольных траверсах вызывает вибрационные явления с увеличивающейся амплитудой по мере возрастания частоты вращения турбины данного типа. Указанный недостаток имеет место вследствие неорганизованного, хаотичного вытеснения отработанного воздуха набегающими на ортогональную турбину потоками ветра с образованием вихрей и турбулентностей. Вращение турбин при этом имеет нестабильную частоту, непредсказуемую пульсацию и смену периодов ускорения и замедления, от чего страдает в конечном счете качество вырабатываемой электроэнергии.

Из развития техники известен роторный ветродвигатель (патент RU №2210000), устанавливаемый на местности с применением несущего каркаса из по меньшей мере трех вертикальных колонн вместо опорной мачты, что увеличивает устойчивость, жесткость и прочность конструкции. Его турбина со спирально-дуговыми лопастями относится в осевому типу, т.е. непосредственного прикреплена к оси вращения, и расположена внутри каркаса. Аналогично смонтирован ветродвигатель (патент RU №2283968), где усиление прочностных характеристик ортогональной турбины решено при помощи роликов на концах траверс, опирающихся на кольцевые элементы, которыми дополнены колонны несущего каркаса. В обоих случаях возможности достижения развитой боковой площади турбин, а следовательно, получения промышленной мощности от ветрогенератора, сдерживается габаритами несущего каркаса, а также в первом случае - осевым типом турбины, исключающим получение высокого крутящего момента на роторном валу, во втором - ошибочным отнесением усиливающих жесткость кольцевых элементов не к турбине, где они целесообразны, а напротив, к колоннам каркаса, где необходимость в них отсутствует. В ветроагрегате (заявка на изобретения от 22.02.2011 №2011106392) в основном решена проблема прочности и жесткости ортогонального виндротора с боковой площадью, достаточной для получения промышленно значимых мощностей, улучшены эксплуатационные показатели. Вместе с тем имеются ограничения по габаритам турбины, обусловленные размерами пролета между колоннами несущего каркаса.

В приведенных, как и в прочих известных, видроторах не предусмотрены меры против вибраций турбин, возникающих по аэродинамическим причинам. Вместо этого она усугубляется из-за размещения виндроторных турбин внутри несущих каркасов, колонны которых наводят дополнительные помехи, из-за чего парусные лопасти вращаются с еще более нестабильной частотой.

Целью изобретения является получение большей промышленной мощности от виндроторной ВЭУ, стабилизация частоты вращения и снижение вибрации ортогональной турбины.

Указанная цель достигается тем, что ортогонально-парусные элементы размещены снаружи несущего каркаса, что обеспечивается его зонтичной конструкцией, образованной вертикально-осевым, горизонтально-радиальным и отвесно-коаксиальным относительно оси симметрии каркаса участками по меньшей мере четырех (оптимально шести) колонн; траверсы дополнены лопатками, создающими поднимающийся вверх воздушный поток; опорно-роликовые соединения ортогонально-парусных элементов с колоннами несущего каркаса усилены наличием на них роликов, прижимающих ободы турбины сверху. Все опорные и фиксирующие ортогональную турбину узлы, на которые передается вращение турбины, оснащены пружинными рессорами.

На фиг.1 представлен общий вид зонтично-каркасного виндротора; на фиг.2 - вид сверху на тот же виндротор (турбина условно не показана).

Виндротор содержит несущий каркас, образующий зонтичную конструкцию из колонн, имеющих вертикально-осевые 1, горизонтально-радиальные 2 и отвесно-коаксиальные 3 участки. Наверху вертикально-осевого участка колонн установлен генератор 4, от роторного вала 5 которого отходят траверсы 6 с лопатками 7 и отвесно подвешенными на их концах ортогонально-парусными элементами 8. Данные элементы стянуты ободами 9, опирающимися на ролики 10 и прижатые сверху роликами 11. Узлы установки опорных и прижимных роликов на отвесно-коаксиальном участке колонн несущего каркаса оснащены пружинными рессорами 12. При необходимости жесткость несущего каркаса может быть усилена стержневыми спицами 13.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Под напором ветра на ортогонально-парусные элементы 8 начинается вращение турбинного узла ВЭУ, которое через траверсы 6 предается на вертикальный роторный вал 5. В статоре генератора 4 начинает вырабатываться электрический ток далее через коллектор, аккумуляторную батарею и инвертор, поступающий к потребителям.

За счет большой боковой площади виндроторной турбины, достигаемой размещением ортогонально-парусных элементов 8 снаружи несущего каркаса, ветрогенератор вырабатывает промышленно значимую мощность. Прочность и жесткость конструкции при крупных габаритах ее вращающихся аэродинамических частей обеспечивается стягивающими ободами 9, их опорой на несущий каркас на отвесно-коаксиальном участке колонн 3 через ролики 10 и фиксацией дополнительными прижимными роликами 11. Последние узлы, а также пружинные рессоры 12 необходимы, поскольку при больших диаметрах ободов 9 невозможно достигнуть их идеальных геометрических параметров, всегда существует некоторая овальность и отклонения в горизонтальной плоскости.

Оснащение траверс 6 лопатками 7, при вращении создающими поднимающийся воздушный поток, позволяет организованно и в оптимальном направлении, а именно вертикально вверх, выводить из объема и окружающего ортогональную турбину пространства отработанные массы воздуха, снизив тем самым нестабильность вращения ортогональной турбины и вероятность вибраций элементов конструкции, подверженных данному явлению по аэродинамическим причинам.

Зонтичный каркас виндротора позволяет использовать турбины, в которых большой крутящий момент создается за счет значительного диаметра окружности, описываемой ортогонально-парусными элементами. В тех же устройствах, где эта задача обеспечивается высотой турбины, из-за разницы в скоростях ветра нижних и верхних слоев воздуха наблюдаются дополнительные напряжения конструкции.

Главным фактором, сдерживающим развитие ветроэнергетики, является высокая себестоимость получаемого из возобновляемого источника электричества порядка 30-50 руб. против 3-4 руб. за 1 кВт час от сетевого поставщика. Только создание ВЭУ большой промышленной производительности позволит сделать ветроустановки рентабельными. Это однако не значит, что иными факторами, составляющими цену электроэнергии от вертикально-роторных ВЭУ можно пренебречь, в т.ч. затратами на аренду земли под сооружение крупногабаритных установок. Данная слагаемая цены в предлагаемом автономном зонтично-каркасном виндроторе ввиду меньшей площади фундамента ниже, чем у его упомянутых прототипов. В целях безопасности вокруг ВЭУ создаются зоны отчуждения. Имея более надежную конструктивно-силовую схему зонтично-каркасный виндротор не требует под это столь значительных по площади земельных участков, как промышленные горизонтально-роторные установки с пропеллерными турбинами и особенно состоящие из них ветропарки.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для преобразования энергии ветра. Виндротор выполнен из несущего каркаса, соосно которому установлен генератор, имеющий вертикальный роторный вал и радиальные траверсы с отвесно закрепленными ортогонально-парусными элементами, стянутыми ободами, опирающимися на колонны каркаса через ролики. Ортогонально-парусные элементы расположены снаружи несущего каркаса. Каркас выполнен в виде зонтичной конструкции благодаря наличию в составе его колонн вертикально-осевого, горизонтально-радиального и отвесно-коаксиального участков. Траверсы оборудованы лопатками, создающими поднимающийся воздушный поток. Опорные ролики дополнены аналогичными узлами, прижимающими обода сверху, причем все упомянутые узлы оснащены пружинными рессорами. Изобретение направлено на получение большей промышленной мощности от виндроторной ВЭУ, обеспечивает стабилизацию частоты вращения и снижение вибрации ортогональной турбины. 2 ил.

Зонтично-каркасный виндротор, состоящий из несущего каркаса, соосно которому установлен генератор, имеющий вертикальный роторный вал и радиальные траверсы с отвесно закрепленными ортогонально-парусными элементами, стянутыми ободами, опирающимися на колонны каркаса через ролики, отличающийся тем, что ортогонально-парусные элементы расположены снаружи несущего каркаса, имеющего зонтичную конструкцию благодаря наличию в составе его колонн вертикально-осевого, горизонтально-радиального и отвесно-коаксиального участков, траверсы оборудованы лопатками, создающими поднимающийся воздушный поток, опорные ролики дополнены аналогичными узлами, прижимающими обода сверху, причем все упомянутые узлы оснащены пружинными рессорами.