МУЛЬТИРОТОРНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2020 года по МПК F03D1/02 F03B3/04 

Изобретение относится к группе мультироторных энергетических установок, и может быть использована для получения энергии из воздушных потоков и от водных потоков, а именно к установкам, преобразующим энергию ветра или воды в электрическую при помощи лопастного устройства.

Предшествующий уровень техники

Ограниченное распространение получили двух- и трехлопастные агрегаты, имеющие сложные по конструкции лопасти, дорогой редуктор с большим передаточным числом, генератор, механизм управления положением лопастей и ориентированием колеса на ветер, большой массой ветроколеса и лопастей системы регулирования. В результате этих недостатков, коэффициент использования установленной мощности ветроэнергетических систем (далее ВЭС) не превышает 10-23%. Для получения возможности использования ветра любого направления известны конструкции ВЭА с вертикальным расположением лопастей, типа Дарье [Robert Gasch (Hrsg). Windkraftanlagen B.G. Teubner Stuttgart, 1993; Siegfried Heier. Windkraftanlagen im Netzbetrieb, B.G. Teubner Stuttgart, 1996], ротор Савониуса].

Тем не менее, идея роторно-лопастной машины (далее РЛМ) постоянно привлекает внимание потребителей из-за ряда преимуществ. Согласования угловых скоростей валов РЛМ является радикальным решением проблемы надежности этого устройства.

В результате патентного поиска были отобраны следующие патенты.

Известно изобретение (патент РФ 2237817), в котором предлагается

установить на валы роторно-лопастной машины обратимые электрические машины (ОЭМ), но для удержания задней лопасти от вращения в обратном направлении предусматривается использовать стопорное устройство или храповик, что делает устройство практически неработоспособным.

Известен ветрогенератор (РФ полезная модель №109806). Один из вариантов содержит электрогенератор со статором и ротором, установленными с возможностью вращения относительно друг друга, и два ветродвижителя, выполненных в виде соосных лопастных колес, одно из которых соединено со статором электрогенератора, а второе - с ротором электрогенератора, лопасти лопастных колес развернуты в разные стороны для вращения статора и ротора в противоположные стороны. При этом электрогенератор размещен в корпусе, а лопастные колеса выполнены с одинаковыми диаметрами. Второй вариант ветрогенератора содержит электрогенератор со статором и ротором, установленными с возможностью вращения относительно друг друга, и два ветродвижителя, выполненных в виде соосных вертикальных цилиндров с большим количеством вертикальных пластинчатых лопастей, один из цилиндров соединен со статором электрогенератора, а второй - с его ротором, вал нижнего цилиндра выполнен пустотелым и сквозь него пропущен вал верхнего цилиндра, пластинчатые лопасти цилиндров развернуты в разные стороны для вращения статора и ротора в противоположные стороны. Нижний цилиндр соединен с торцевой стороной статора электрогенератора.

Известен ветроэнергогенератор (полезная модель РФ №86672), содержащий, по меньшей мере, один энергетический модуль, выполненный с возможностью вертикальной установки дополнительных энергетических модулей над основным и, включающий выполненный с вертикальной осью вращения ротор, образованный прикрепленными к несущему цилиндру лопастями и размещенный внутри статора, образованного выполненной соосно с ротором неподвижной системой вертикально расположенных ветронаправляющих пластин, и связанный с несущим цилиндром основной электроэнергетический узел, размещенный в нижней части основного энергетического модуля. Ветроэнергогенератор содержит также, по меньшей мере, один связанный с несущим цилиндром дополнительный электроэнергетический узел, один из которых установлен в верхней части основного энергетического модуля, а другие установлены в нижней и верхней частях каждого дополнительно энергетического модуля. При этом основной и дополнительные электроэнергетические узлы выполнены каждый в виде распределенного магнитоэлектрического генератора. Каждая ветронаправляющая пластина снабжена связанным с регулятором скорости вращения ротора подвижным сектором, установленным с возможностью телескопического изменения ее площади, лопасти ротора выполнены плоскими и снабжены завихрителями, выполненными в виде изогнутых полосок, а размещение лопастей ротора относительно несущего цилиндра выполнено с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора.

Общими недостатками перечисленных ветротурбинных установок является: достаточно однотипная компоновка; низкая эффективность по использованию энергии потока по сравнению с газовыми или гидротурбинами; сложная компоновка системы; наличие инфразвука, низких звуковых частот в диапазоне 0-12 Гц; невозможность сохранения постоянства числа оборотов ротора электрогенератора при снижении скорости ветра ниже 20% от номинальной.

Известна группа двухроторных ветроэнергетических установок (РФ 2574194), выбранная в качестве прототипа, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор. Каждый ротор турбины имеет число лопастей более 3-х, которые спроектированы как вращающиеся крылья. Лопасти во втулке устанавливаются на подшипниках скольжения. Привод от турбины к генератору выполнен с помощью конической зубчатой передачи. Мультипликатор представляет собой двухконтурный зубчатый механизм, размещенный в одном корпусе, каждый конкур которого передает движение и крутящий момент от одного из роторов турбины независимо от движения другого контура, а кинематическая схема контура представляет собой планетарный редуктор и зубчатый одноступенчатый перебор.

Существующие установки имеют, как правило, 3-х лопастные системы и один ротор. Такой механизм имеет конструктивные недостатки, приводящие к снижению эффективности. В среднем она составляет 30%. Снижение мощности однороторных 3-х лопастных установок происходит из-за потока, образующегося за лопастями, он снижает величину перепада давления и приводит к потере мощности.

Технической задачей является нахождение простого и надежного способа согласования вращения валов без применения каких-либо механических связей, влияющих на характер вращения валов роторно-лопастной установки.

Технический результат заключается: в повышении коэффициента полезного действия установки (КПД), в том числе при малых скоростях ветра; в практически полном использовании энергии входного сигнала, что приводит к повышению мощности установки при достаточно простой конструкции; возможности вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне нестабильных ветровых и водных нагрузок; в повышении надежности работы всей установки в случае выхода из строя одного генераторного блока; в устранении потерь на редукцию крутящего момента. Повышение эффективности осуществляется за счет практически полного устранения потерь передаваемой энергии на трение и за счет каскадной обработки приходящей мощности потока.

Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.

Технический результат достигается за счет использования мультироторной энергетической установки, закрепленной на вращающейся платформе, включающей центральный вал с установленными на нем соосными роторами турбин с лопастями, механический зубчатый редуктор, генератор и подшипники качения, при этом роторы турбин образуют блок (А), согласно изобретению, на центральном валу установлены дополнительно блоки (Б) и (В), включающий в себя статор и ротор генератора, при этом угловая скорость каждого последующего ротора блока (В) увеличивается на передаточное число равное 1,618, количество блоков определяется количеством роторов турбины, в корпусе каждого последующего ротора турбины установлен механический зубчатый редуктор, включающий редукционные шестерни, шестерни вала и подшипники качения, на центральном валу установлен блок (Б), состоящий из трех магнитных подшипников, а центральный ротор магнитного подшипника не закреплен на валу, два статора других магнитных подшипников, установленных по краям, закреплены на валу.

Предлагаемое техническое решение поясняется на фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 показан общий вид мультиротора и принцип работы установки с указанием блоков. Блоки установлены на центральном валу (8) по модульному принципу.

Блок А содержит передний ротор турбины (1) и последующий ротор турбины (2) с лопастями (3), редукционные шестерни (4).

Блок Б содержит два статора магнитного подшипника (11), центральный ротор магнитного подшипника (12).

Блок В содержит два ротора генератора (9), статор генератора (10).

На фигуре 2 приведена принципиальная схема устройства, где передний ротор турбины - 1, последующий ротор турбины - 2, лопасти - 3, шестерни редукционные - 4, шестерни вала - 5, опора последующего ротора турбины - 6, мачта - 7, центральный вал - 8, роторы генератора - 9, статор генератора - 10, статор магнитного подшипника - 11, ротор магнитного подшипника - 12, подшипники качения - 13, платформа - 14. На фигуре 3 приведена кинематическая схема мультиротора, Принцип работы установки заключается в следующем. На лопасти переднего ротора турбины (1) поступает сигнал в виде любого направленного механического воздействия (ветер, вода). Основная часть воздействия совершает работу по вращению переднего ротора турбины (1), создавая крутящий момент на валу по часовой стрелке.

Некоторая часть сигнала отражается от лопастей, стоящих под углом и поступает в область за передним ротором турбины (1), осуществляя давление на лопасти последующего ротора турбины (2) и тем самым создавая дополнительный крутящий момент в обратную сторону.

Через механический зубчатый редуктор, состоящий из двух шестерней редукционных (4), шестерни вала (5) и подшипников качения (13), часть сигнала направляется на вращение последующего ротора турбины (2) в противофазе и создает ускоренное вращение на последующем роторе турбины (2).

Передаточное число механизма увеличивает угловую скорость вращения каждого последующего ротора в 1,618 раз.

При этом, ускоренное вращение первого ротора турбины (1) и вращение последующего ротора турбины (2) создают вакуумное разрежение между ними и ускоренное поступление дополнительного сигнала со всех сторон, что придает дополнительную мощность всей системе.

В системе возможно использование нескольких блоков (Б и В) по модульному принципу, где каждый последующий развернут по фазе и ускорен по отношению к предыдущему на ту же величину.

Количество роторов турбины может быть увеличено при увеличении мощности потока без ограничения по числу роторов. Каждый последующий ротор вращается в противоположенном направлении. Каждый ротор имеет лопасти, приводящие его в движение числом от 2 и более.

Механический зубчатый редуктор содержит компактный механизм с зубчатой передачей, каждый контур которого передает крутящий момент от одного ротора к другому с изменением угловой скорости вращения. Механический зубчатый редуктор установлен в корпусе последующего ротора турбины (2).

Схема механического зубчатого редуктора выполнена по принципу ω_n+1=Кω_n, где ω_n+1 угловая скорость вращения любого из последующих роторов, ω_n угловая скорость вращения предыдущего ротора, К - передаточное число механизма редуктора, зависит от конкретной кинематической схемы.

В зависимости от диапазона скорости потока на роторы могут устанавливаться лопасти (3) различных типов наиболее эффективные для данного диапазона скоростей.

Центральный вал (8) крепится к корпусу установки через систему магнитных подшипников (11, 12) блока (Б) и фактически находится в воздухе, снижая нагрузку на единственную точку опоры (6) последующего ротора турбины (6), что практически полностью убирает потери на трение.

Таким образом, энергия проходящего потока может проходить через несколько роторов, отдавая запас кинетической энергии почти полностью.

Предложенный принцип работы на порядок эффективней, чем имеющиеся до сих пор образцы.

Использование предложенного технического решения мультироторной энергетической установки позволяет повысить его коэффициент полезного действия. По сравнению с известными аналогичными устройствами обеспечиваются повышение коэффициента полезного действия на 10-15% и возможность работы при скорости воздушных потоков от 3 м/с. Функционирование мультироторной энергетической установки не зависит от направления сигнала, он устойчив к резким его порывам и требует минимальную площадь для размещения. Реализованный в нем модульный принцип построения упрощает конструкцию и позволяет легко наращивать его суммарную мощность.

Изобретение относится к мультироторным энергетическим установкам, преобразующим энергию ветра или воды в электрическую энергию. Установка закреплена на вращающейся платформе, включающей центральный вал с установленными на нем соосными роторами турбин (1, 2) с лопастями (3), механический зубчатый редуктор, генератор и подшипники качения (13). Роторы (1, 2) образуют блок (А). На центральном валу установлены дополнительно блоки (Б) и (В). Блок (В) включает в себя статор (9) и ротор (10) генератора. Угловая скорость каждого последующего ротора блока (В) увеличивается. Количество блоков определяется количеством роторов турбины. В корпусе каждого последующего ротора турбины установлен механический зубчатый редуктор, включающий редукционные шестерни (4), шестерни вала и подшипники качения (13). На центральном валу установлен блок (Б), состоящий из трех магнитных подшипников (11, 12). Центральный ротор (12) магнитного подшипника не закреплен на валу. Два статора (11) других магнитных подшипников, установленных по краям, закреплены на валу. Изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия установки. 3 ил.

Мультироторная энергетическая установка, закрепленная на вращающейся платформе, включающая центральный вал с установленными на нем соосными роторами турбин с лопастями, механический зубчатый редуктор, генератор и подшипники качения, при этом роторы турбин образуют блок (А), отличающаяся тем, что на центральном валу установлены дополнительно блоки (Б) и (В), включающий в себя статор и ротор генератора, при этом угловая скорость каждого последующего ротора блока (В) увеличивается на передаточное число, равное 1,618, количество блоков определяется количеством роторов турбины, в корпусе каждого последующего ротора турбины установлен механический зубчатый редуктор, включающий редукционные шестерни, шестерни вала и подшипники качения, на центральном валу установлен блок (Б), состоящий из трех магнитных подшипников, а центральный ротор магнитного подшипника не закреплен на валу, два статора других магнитных подшипников, установленных по краям, закреплены на валу.