СДВОЕННАЯ ОРТОГОНАЛЬНАЯ ЦИКЛОИДНАЯ ВЕТРОТУРБИНА Российский патент 2016 года по МПК F03D3/02 F03D7/06 

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано при создании новых типов эффективных и многофункциональных ветродвигателей разной мощности. Известен наиболее близкий аналог (прототип) - ветроагрегат и гидроагрегат (1); известны также ветродвигатель и гидрогенератор (2) и циклоидный ветродвигатель (3), номера которых приведены в конце описания. Однако конструктивные и схемные решения прототипа не позволяют в полной мере реализовать свое функциональное назначение и менее пригодны для создания ряда модификаций перспективных энергоустановок разной мощности.

Целью изобретения является улучшение конструкции и повышение эффективности работы ветротурбины, особенно в условиях ее длительной эксплуатации при преобладающих умеренных и низких скоростях ветра.

Заявленный технический результат достигается тем, что в ветротурбине, содержащей два встречно и соосно установленных ветроагрегата с противоположным направлением вращения их ветряных колес, генераторные узлы, несущую раму с каркасом, удерживающие их в вертикальном положении тросовые растяжки и мачту с цапфой в нижней части, несущая рама и каркас выполнены в виде прочной шестигранной конструкции и в любом варианте исполнения содержит каркасное ограждение только нижнего ветряного колеса, при этом трубчатая мачта состоит из составных секций, содержащих по меньшей мере одну треугольную или крестовидную краспицу и тросы с регулируемым натяжением, а цапфа трубчатой мачты снабжена прямоугольным хомутом и боковыми прижимными кронштейнами, один из которых съемный. Ветряные колеса удалены от выполненных съемными генераторных узлов и удерживаются с помощью полых валов отбора вырабатываемой мощности, закрепленных концами к основаниям кожухов планетарных редукторов.

Лопасти на обоих торцах снабжены пластинчатыми накладками овальной формы с выступающими кромками, а на концах лопастей соосно с их осями вращения установлены штифты с резьбой, обеспечивающие возможность дополнительного присоединения к ним распределенных по окружности трубчатых или ленточных перемычек с посадочными отверстиями на концах.

Ветряные колеса снабжены инерционными стабилизаторами их оборотов, работающими в условиях избыточных скоростей ветра и обеспечивающими ограничение вырабатываемой мощности многополюсными электрогенераторами в более широком диапазоне сильных воздушных потоков, а также устойчивость во время бури самопроизвольной остановкой при достижении равенства противоположно направленных рабочих и тормозящих крутящих моментов на валах отбора вырабатываемой мощности каждого ветряного колеса. Ветротурбина дополнительно содержит выносной пульт управления для возможности принудительной остановки ветряных колес во время бури или с целью проведения профилактических работ.

Из научно-технической и патентной информации автору не известны источники, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих сходные признаки с заявляемым решением.

Изобретение поясняется схематическими изображениями, где:

Фиг. 1 - внешний вид сбоку на ветротурбину в целом.

Фиг. 2 - вид сбоку на верхний ветроагрегат с ветряным колесом и внутреннее размещение составных частей генераторного узла.

Фиг. 3 - вид сверху на верхнее ветряное колесо и каркас нижнего колеса (кронштейны несущей платформы не показаны).

Фиг. 4 - вид сбоку (в разрезе) на узел управления поворотом лопасти.

Фиг. 5 - вид сверху (в разрезе) на лопасть с пластинчатой накладкой.

Фиг. 6 - вид на нижний узел крепления трубчатой мачты:

а) - сбоку; в) - со стороны ее наклона (пунктиром съемный боковой прижимной кронштейн); с) - сверху, со снятым прямоугольным хомутом.

Фиг. 7 - упрощенное изображение принципа «циклоидного качения» осей лопастей ветряного колеса по условным вертикальным плоскостям: верхнего - по m-m^| и нижнего n-n^| (при условии соблюдения ориентации плоскостей лопастей, показанной на фиг.3), а также вид сверху на взаимное расположение тросовых растяжек.

Фиг. 8 - электрическая схема самоориентации лопастей на ветер и остановки ветряного колеса с выносным пультом управления (приведена для одного ветроагрегата, т.к. для второго она аналогична).

Фиг. 9 - схематическое изображение взаимной ориентации лопастей обоих ветряных колес: а) - в рабочем положении; в) - ориентация верхнего и нижнего флюгеров в процессе принудительной остановки ветротурбины; с) - ориентация плоскостей лопастей к набегающему воздушному потоку при остановленных ветряных колесах.

Фиг. 10 - конструкция и схема соединений инерционного стабилизатора оборотов и вырабатываемой мощности ветряных колес на повышенных скоростях ветра.

Фиг. 11 - диаграмма зависимости вырабатываемой мощности от скорости ветра:

зона I - в диапазоне изменяемой скорости ветра до начала стабилизации оборотов ветряных колес; зона II - стабилизация вырабатываемой мощности при избыточных скоростях ветра; зона III - не используемая энергия воздушного потока.

Ветротурбина содержит два соосно и встречно установленных ветроагрегата (I_B и II_H, фиг. 1), несущую платформу 1, шестигранный каркас 2 нижнего ветроагрегата, муфты 3 углового сочленения труб, съемное основание 4 каркаса с такелажным рым-болтом 5, составную трубчатую мачту 6 с верхней присоединительной втулкой 7 и нижней цапфой 8, удерживающие ветротурбину сдвоенные тросовые растяжки 9 со скобами 10 и талрепами 11, сочлененные с рым-болтами 12 бетонных стоек 13. Мачта 6 дополнительно усилена натяжными тросами 14 и треугольной или крестовидной краспицей 15.

Ветряное колесо содержит лопасти 16, удерживающие их полые кронштейны 17, кожухи 18 для крепления лопастей, а также планетарный редуктор 19 с заторможенной центральной конической шестерней 20 и сателлитными коническими шестернями 21, размещенные в кожухе 22. Генераторный узел размещен внутри съемного корпуса 23, установленного на несущей платформе 1, многополюсный низкооборотный электрогенератор 25 (нижний - 25′), кинематически связанный посредством пары цилиндрических шестерен 26-27, обгонной или фрикционной муфты 28, мультипликатора 29 и пары цилиндрических шестерен 30-31 с полым валом отбора вырабатываемой мощности 32, нижней частью находящемся внутри генераторного корпуса 23, а верхней жестко соединенным с основанием кожуха 22.

Центральная вертикальная ось 24 на верхнем конце содержит флюгерный узел 24′ и жестко связана с конической шестерней 20, а внизу заторможена червячной шестерней реверсивного электропривода 33. Несущая платформа 1 (фиг. 2) опирается на вертикальные трубы 34 каркаса и для большей жесткости связана с ними посредством косынок 35. Верхние и нижние горизонтальные трубы 36 связаны посредством муфт углового сочленения 3 и элементов крепления 37 с несущими вертикальными трубами 34 шестигранного каркаса 2 (фиг. 2 и 3). Кожух 18 удерживает на подшипниках вертикальную лопастную ось 38, кинематически связанную посредством пары цилиндрических шестерен 39-40 и сателлитного вала 41 с конической шестерней 21.

Лопасть 16 на обоих торцах содержит пластинчатые накладки 42, а на внешнем - дополнительно штифт 43 с резьбой для возможности соединения его с трубчатыми или ленточными перемычками 44 (фиг. 5, в). Цапфа 8 (фиг. 6) дополнительно удерживается в вертикальном положении двумя накладками 45 и 46, закрепленными на верхних концах боковых прижимных кронштейнов 47 и 48, при этом кронштейн 48 является съемным. Цапфа 8 размещена в пазу между опорными уголками 49-50 и удерживается с помощью болтового крепления 51. Уголки 49-50 закреплены болтами 52 на основании 53. Дополнительная фиксация основания мачты 6 в вертикальном положении осуществляется с помощью прямоугольного хомута 54. Основание 53 установлено и закреплено фундаментными болтами на опорной бетонной плите 55.

На вертикальной заторможенной оси 24 закреплен коллекторный токосъемник 56 (фиг. 2 и 8). Сдвоенный переключатель 57 и выключатель цепи питания 58 размещены в отдельном кожухе выносного пульта управления 59 (показан пунктиром). Питание всех электрических цепей осуществляется от аккумуляторной батареи 60 или от внешнего аналогичного источника 61.

Ветротурбина снабжена инерционным стабилизатором оборотов 62 ветряных колес, в диапазоне повышенных скоростей ветра (фиг. 8 и 10), содержащем в корпусе 63 подвижный шток 64 с четырьмя пружинящими контактами 65, две стойки 66 и одну 68 с клеммами, а также пружину 67 с регулируемым натяжением. Стойка 68 может фиксированно смещаться для создания при регулировке требуемого зазора t. Стабилизатор 62 каждого ветряного колеса закреплен в концевой части одного полого кронштейна 17 (фиг. 2 и 3) в строго горизонтальном положении и электрически связан с группой переключателей флюгерного узла 24′, электродвигателем постоянного тока червячного привода 33 и аккумуляторной батареей 60.

Сборка, установка и работа ветротурбины осуществляется следующим образом.

Энергетические узлы и другие составные части монтируются на месте эксплуатации на ровной площадке с предварительной разметкой и установкой трех бетонных стоек 13 с расширенными основаниями и опорной бетонной плиты 55. Мачта 6 в сборе соединяется верхним концом посредством втулки 7 со снятым с каркаса основанием 4, цапфа 8 устанавливается, в пазу между кронштейнами 49-50 и фиксируется болтом 51 (фиг. 6). При этом предварительно должны быть сняты прижимной кронштейн 48 и прямоугольный хомут 54.

К основанию 4 присоединяются концы трех тросовых растяжек 9, а с их противоположной стороны два талрепа 11 соединяются с рым-болтами 12. Мачта 6 поднимается и устанавливается в вертикальном положении, талреп третьего натяжного троса соединяется с третьим рым-болтом 12, прижимной кронштейн 48 и прямоугольный хомут 54 устанавливается на место и производится контрольное равномерное натяжение талрепами 11 тросовых растяжек 9.

Подъем и установка на мачте сдвоенной ветротурбины осуществляется двумя основными способами:

1. При установленной в вертикальном положении мачты 6 с основанием 4 собранная ветротурбина поднимается с помощью строительного автокрана с выдвижной стрелой или транспортного вертолета и соосно стыкуется с основанием 4 каркаса болтовыми соединениями. Производится вторичная регулировка равномерности натяжения тросовых растяжек.

2. При собранной и вертикально расположенной мачте 6 с предварительно отрегулированным натяжением тросовых растяжек 9 и, при необходимости, дополнительно присоединенном к такелажному рым-болту 5 прочном страховочном канате (длиной более длины мачты - не показан) с узла крепления цапфы 8 снимаются кронштейн 48 и прямоугольный хомут 54. Собранная ветротурбина располагается в горизонтальном положении (со стороны снятого кронштейна 48) на расстоянии от мачты, равном ее длине и с ориентацией присоединенного к каркасу основания 4 в сторону основания мачты 6. Расположенный с противоположной стороны от ветротурбины натяжной трос 9 ослабляется с помощью талрепа 11, после натяжения страховочного каната отсоединяется от рым-болта 12 и стыкуется (с той же стороны) с тросом лебедки, или подъемного крана, с помощью которого мачта 6 наклоняется в сторону оси вращения ветротурбины. После соединения верхнего конца мачты 6 с втулкой 7 основания 4 мачта 6 совместно с ветротурбиной возвращается в рабочее вертикальное положение. Кронштейн 48 устанавливается на место и дополнительно стягивается прямоугольным хомутом 54. Натяжной трос 9 отсоединенной растяжки возвращается на место и производится рабочая регулировка равномерности натяжения всех тросовых растяжек.

В обоих случаях монтажа после контрольной проверки работоспособности ветротурбина в целом готова к длительной эксплуатации.

В процессе работы ветряных колес после каждого изменения направления ветра (в любую сторону и соответствующего этому одновременного разворота лопастей в ту же сторону и на тот же угол) плоскость флюгера снова располагается по воздушному потоку, а флюгерные переключатели при ослаблении давления на них коромысла самопроизвольно возвращаются в исходное нейтральное положение. Условные вертикальные линии A_B и A_H (фиг. 3 и 7) образуются проекциями одновременно ориентирующихся на них плоскостей вращающихся лопастей. На фиг. 3 и 9_а показано оптимальное расположение плоскостей лопастей верхнего и нижнего ветряных колес относительно набегающего воздушного потока.

Инерционный стабилизатор 62 оборотов ветряного колеса, и соответственно электрогенератора, работает следующим образом.

При увеличении скорости ветра, превышающей расчетное значение, например 12 м/с, достаточное для достижения электрогенератором максимальной мощности, подвижный шток 64 под действием возросших сил инерции преодолевает натяжение пружины 67 и размыкает группы контактов стоек 66, обесточивает флюгерный узел 24′, замыкает группы контактов 65 на стойке 68 и включает напрямую реверсивный электродвигатель червячного привода 33. Заторможенная ось 24 через посаженную на ней центральную коническую шестерню 20 (и далее по приведенной выше кинематической цепи) начнет разворачивать лопасти в сторону их разориентации относительно воздушного потока, при этом обороты ветряного колеса начнут снижаться, а заодно с ними и центробежные силы инерции штока 64, в связи с чем он под воздействием отрегулированной на эти усилия пружины 67 обратно замкнет группы контактов стоек 66. При этом снова замкнется цепь группы контактов флюгерного узла 24′ и под воздействием ветра на плоскость развернувшегося в сторону на небольшой угол флюгера лопасти обратно развернутся в оптимальное рабочее положение (фиг. 3 и 9а). Ветряное колесо, при не снизившейся или возрастающей скорости ветра, снова начнет увеличивать обороты, шток 64 снова разомкнет группы контактов стоек 66 и т.д. Этот цикл переключений будет повторяться до тех пор, пока скорость ветра не уменьшится ниже установленного значения стабилизации (например, менее 12 м/с). Далее в диапазоне пониженных скоростей ветра вырабатываемая электрогенератором мощность будет зависеть в третьей степени (Р_r=V³) от изменения скорости ветра, т.е. при снижении ее в два раза вырабатываемая мощность уменьшится в 2³=8 раз, и наоборот.

Важной особенностью этой системы с расширенным диапазоном стабилизации оборотов ветряных колес (фиг. 11, в) является то, что при возрастающей избыточной скорости ветра продолжающаяся их разориентация относительно набегающего воздушного потока (фиг. 11в, c) приведет в буревых потоках ветра к равновесию практически сравнявшихся, но разнонаправленных, крутящих моментов каждого ветряного колеса (фиг. 9 c) и они самопроизвольно остановятся, при этом с наименьшим суммарным сопротивлением набегающему буревому потоку. Очевидно, что в регионах с преобладающими повышенными ветровыми потоками усиленная конструкция лопастей и ветротурбины позволит, при более высоких скоростях ветра и большей мощности электрогенератора, значительно увеличить в целом годовую выработку электроэнергии при тех же габаритных размерах ветряных колес.

Соответственно, при любом варианте конструктивного исполнения, после уменьшения скорости ветра ниже верхнего уровня стабилизации оборотов ветряных колес, флюгерная система снова самопроизвольно восстанавливает оптимальную ориентацию лопастей к набегающему воздушному потоку.

Мощными, например стальными, в генераторных узлах должны быть выполнены только передающие крутящие моменты втулки 32, а также пары цилиндрических шестерен 26, 27 и 30, 31. Конические шестерни 20, 21 планетарных редукторов и 39, 40 лопастных узлов осуществляют только медленный поворот симметричных лопастей (с ω_л=0,5 ω_в.к.) вокруг своих осей и могут быть выполнены из легких металлических сплавов, капролона или твердой морозоустойчивой пластмассы.

В отличие от гондол «пропеллерных» крыльчатых ветроустановок генераторные узлы ветротурбины не разворачиваются вслед изменяющемуся направлению ветра, при этом плоскости лопастей исключают сложную и дорогостоящую технологию изготовления профилей по стандартам «HACA» и имеют простые симметричные, слегка выпуклые, рабочие поверхности.

Совместно работающие с ветротурбиной серийные трехфазные силовые выпрямители, преобразователи и стабилизаторы напряжения переменного тока (не показаны), а также аккумуляторную батарею 60, для удобства обслуживания предпочтительней размещать внизу, у основания мачты 6 во влагозащищенных кожухах.

Источники информации

1. RU 2052658, кл. F03D 3/2, 7/06.

2. RU 2050466, кл. F03D 7/06.

3. RU 2518727, кл. F03D 5/0.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Сдвоенная ортогональная циклоидная ветротурбина, содержащая два встречно и соосно установленных ветроагрегата с противоположным направлением вращения их ветряных колес, генераторные узлы, несущую раму с каркасом, удерживающие их в вертикальном положении тросовые растяжки и трубчатую мачту с цапфой в нижней части. Несущая рама и каркас имеют прочную шестигранную конструкцию, каркас размещен только вокруг нижнего агрегата. Генераторные узлы выполнены съемными и кинематически связаны с ветряными колесами посредством полых валов отбора вырабатываемой мощности, закрепленных концами на основаниях кожухов планетарных редукторов. Изобретение направлено на повышение прочности и устойчивости ветротурбины. 4 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Сдвоенная ортогональная циклоидная ветротурбина, содержащая два встречно и соосно установленных ветроагрегата с противоположным направлением вращения их ветряных колес, генераторные узлы, несущую раму с каркасом, удерживающие их в вертикальном положении тросовые растяжки и трубчатую мачту с цапфой в нижней части, отличающаяся тем, что несущая рама и каркас имеют прочную шестигранную конструкцию, каркас размещен только вокруг нижнего агрегата, а генераторные узлы выполнены съемными и кинематически связаны с ветряными колесами посредством полых валов отбора вырабатываемой мощности, закрепленных концами на основаниях кожухов планетарных редукторов.

2. Ветротурбина по п. 1, отличающаяся тем, что трубчатая мачта выполнена из составных секций, снабженных по меньшей мере одной треугольной или крестовидной краспицей и тросами с регулируемым натяжением, а цапфа трубчатой мачты снабжена прямоугольным хомутом и боковыми прижимными кронштейнами, один из которых съемный.

3. Ветротурбина по п. 1, отличающаяся тем, что лопасти на обоих торцах содержат пластинчатые накладки овальной формы с выступающими кромками, а на концах лопастей соосно с их осями вращения установлены штифты с резьбой, обеспечивающие возможность дополнительного присоединения к ним распределенных по окружности трубчатых или ленточных перемычек с посадочными отверстиями на концах.

4. Ветротурбина по п. 1, отличающаяся тем, что каждое ветряное колесо снабжено инерционным стабилизатором его оборотов и мощности электрогенератора в диапазоне избыточных скоростей ветра, дополнительно обеспечивающим противоаварийную устойчивость лопастей во время бури путем самопроизвольной остановки при достижении равенства противоположно направленных рабочего и тормозящего крутящих моментов на полом валу отбора вырабатываемой мощности.

5. Ветротурбина по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит выносной пульт управления для возможности принудительной остановки ветряных колес во время бури или при проведении профилактических работ.