Ветродвигатель

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветродвигатель содержит горизонтальный вал, конусный направитель воздушного потока и ступицы разного уровня, на которых равномерно размещены лопасти. Лопасти имеют аэродинамическую форму. К горизонтальному валу крепится конусный направитель и ступица первого уровня. Горизонтальный вал с помощью проходных подшипников через поворотную головку с механизмом ориентации и муфту соединен с валом обращенного генератора, на корпусе которого закреплена ступица второго уровня и при наличии радиальных и соединительных стержней равномерно размещены аэродинамические лопасти второго уровня. Узлы и детали первого уровня относятся к первой ветротурбине ветродвигателя, а узлы и детали второго уровня – ко второй ветротурбине, и они вращаются в противоположных направлениях. Выходное напряжение обращенного генератора через электронный редуктор и регулятор зарядного тока подключено к блоку аккумуляторов. К выходу последнего подключен сетевой инвертор. Подстанция управления обеспечивает уровень зарядного тока, который поддерживает постоянство заданного коэффициента скорости кромок лопастей λ для каждой из ветротурбин. Техническим результатом является повышение эффективности и надежности. 3 ил.

 

В мировом эксплуатируемом парке ветровые энергетические установки (ВЭУ) с горизонтальной осью (ВЭУГО) составляет более 90%, их серийным выпуском занимаются тысячи предприятий. Эффективность ВЭУГО достижима только при условии обеспечения постоянной коллинеарности оси ветротурбины (ВТ) и направления воздушного потока (ВП). Недостатком данной конструкции ВЭУГО является малая поверхность лопасти, а как следствие этого - начальный крутящий момент близок к нулю, и поэтому запуск таких ветродвигателей затруднен. Крупные установки вообще приходится раскручивать от постороннего источника. Скорость концов лопастей ВТ при сильном ВП может приближаться к скорости звука, создавая шум как у винтомоторного самолета и помехи для электронных устройств, а также лопасти бьют птицу и другую летающую живность. При повороте ветродвигателя с изменением направления ВП на лопасти действует гироскопический момент, стремящийся дважды на каждом обороте изогнуть лопасть (вперед и назад), а это может вызывать большие напряжения, приводящие иной раз и к отрыву лопастей. Чтобы избежать этого, лопасти максимально облегчают и применяют специальные устройства - виндрозы, осуществляющие очень медленный поворот ветродвигателя. Система виндроз и другие дополнительные устройства значительно усложняют и повышают стоимость ВЭУГО. Важным показателем работы ВЭУГО является коэффициент скорости кромки ее лопасти ВТ

ВТ, у которых коэффициент мощности ротора максимальный при передаточном числе λ<3 называются тихоходными. При λ>3 они описываются как быстроходные. Различия между двумя этими формами ВТ вызваны поведением при запуске и в процессе работы. ВТ может быть выполнена с различным количеством лопастей; от однолопастных с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). В ВЭУГО значительной мощности окружная скорость на длине лопасти возрастает по мере удаления его элементов от оси вращения ВТ, относительная скорость W набегания ВП на лопасть также возрастает. Вместе с этим убывает угол атаки α, и при некоторой окружной скорости ωR, где ω - угловая скорость, этот угол станет отрицательным. При отсутствии контроля за линейной скоростью концов лопастей не все ее элементы будут иметь максимальную подъемную силу. При разработке конструкции нового Ветродвигателя решалась задача по минимизации ряда недостатков ВЭУГО.

Известен энергопреобразователь, содержащий ветротурбину, выполненную в виде лопастей, установленных на горизонтальном рабочем валу, приводной вал, кинематически связанный с рабочим валом генератора, и направляющий хвостовик (см. патент RU №2253747, кл. F03D 3/00 от 10.06.2005 г.). Рассмотрим его конструкцию в качестве аналога. Рабочий вал и приводной вал установлены с возможностью вращения на одном кронштейне и связаны друг с другом через коническую передачу. В рассматриваемом аналоге применена лопастная ветротурбина, наиболее распространенная для современных ветроэнергетических установок. Однако она имеет ряд недостатков, ограничивающих область ее применения.

Ветродвигатель по патенту №2508468 (кл. F03D 1/06 от 28.12.20911 г, Бюлл. №19,2013 г) принимаем в качестве прототипа к нашему Ветродвигателю. Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветродвигатель содержит горизонтальный вал с установленным на нем колесом с лопастями. Ветродвигатель дополнительно содержит закрепленный на обечайке ступицы колеса конусный направитель воздушного потока и наружную обечайку. На наружной обечайке равномерно размещены лопасти второго уровня, при этом лопасти первого уровня крепятся к обечайке ступицы колеса и конусному направителю, а образующие лопастей первого и второго уровня выполнены криволинейными с возрастающим углом атаки воздушному потоку. Технической сущностью настоящего изобретения является значительное повышение суммарной площади лопастей с целью уменьшения диаметра ветроколеса, увеличения крутящего момента на валу ветродвигателя и лучшего использования силы ветра центральной, средней и периферийной зонами ветроколеса.

Основным недостатком прототипа является отсутствие узла управления задающего обороты ветродвигателя в зависимости от текущей скорости ВП. Неизвестно как подсоединен генератор к рабочему валу, непосредственно или через редуктор. Каков рабочий диапозон оборотов этого вала. Без функционирования этого узла только случайно при некоторой нагрузке и некоторой скорости ВП и оборотов горизонтального рабочего вала возможен эффективный режим работы Ветродвигателя-прототипа при таком количестве лопастей.

Технический результат конструкции предлагаемого Ветродвигателя достигается за счет поддержания заданного при наладке коэффициента скорости кромки его аэродинамических лопастей λ по (1), которое предполагается, например, диапазоне 1,5-3 для каждой из двух ВТ. Ветродвигатель содержит горизонтальный вал, конусный направитель воздушного потока и ступицы, на которых равномерно размещены лопасти первого и второго уровня, причем лопасти имеют аэродинамическую форму. К горизонтальному валу крепится конусный направитель и ступица первого уровня. Гризонтальный вал с помощью проходных подшипников через поворотную головку с механизмом ориентации и муфту соединен с валом обращенного генератора, на корпусе которого закреплена ступица второго уровня при наличии радиальных и соединительных стержней равномерно размещены аэродинамические лопасти второго уровня. Узлы и детали первого уровня относятся к первой ВТ, а узлы и детали второго уровня- ко второй ВТ которые вращаются в противоположных направлениях. Выходное напряжение обращенного генератора через электронный редуктор и регулятор зарядного тока (РЗТ) подключено к блоку аккумуляторов, а к выходу последнего подключен сетевой инвертор. Подстанция управления обеспечивает на выходе РЗТ уровень зарядного тока, который поддерживает постоянство заданного коэффициента скорости кромок лопастей для λ каждой из ВТ. Поддержание постоянного значения коэффициента λ на каждой отдельной ВТ обеспечивает постоянное направление результирующего вектора ВП, действующего на его аэродинамические лопасти [Л1]. Это дает возможность предварительной наладки их положения на определенный оптимальный угол атаки α наладочными винтами. При этом обычно снижаются рабочие обороты генераторов и их выходное напряжение. Проблему повышения выходного напряжения генератора в ВЭУ обычно решают с помощью ускоряющих редукторов, что существенно усложняет, утяжеляет конструкцию ветродвигателя. В нашем Ветродвигателе применен электронный редуктор [Л2], автоматически повышающий напряжение с генератора до заданного постоянного напряжения аккумуляторов (U_Акк+δ). К выходу электронного редуктора через регулятор зарядного нагрузочного тока (РЗТ), подключен аккумулятор и сетевой инвертор.

Чтобы вычислить коэффициент λ по (1) и поддерживать его значение в процессе работы Ветродвигателя, необходимо с помощью подстанции управления сформировать на выходе РЗТ зарядный (нагрузочный) ток определенной величины. Для этого необходимо установить общий для ветродвигателя датчик скорости текущего ВП и датчик угловой скорости вала обращенного генератора, а также блок деления, блок умножителя, сумматор и т.д.

На Фиг. 1 показан (вид сверху) вариант конструкции заявляемого Ветродвигателя с двумя ветротурбинами (ВТ). В его состав входит: 1 - конусный направитель, 2 - аэродинамические лопасти первой ВТ, 3 - радиальные стержни первого ВТ, 4 - наладочные винты лопастей первой ВТ, 5 - ступица первой ВТ, 6 - вал первой ВТ, 7 - проходные подшипники поворотной головки и механизма ориентации - 9 башня ветродвигателя, 8 - соединительный горизонтальный вал, 10 - соединительные муфты между валами первой и второй ВТ, 11 - вал обращенного генератора, 12 - наладочные винты крыльев второго ВТ, 13 - аэродинамические лопасти второго ВТ, 14 - радиальные стержни второго ВТ, 15 - ступица на корпусе обращенного генератора второго ВТ, 16 - обращенный генератор.

На Фиг. 2 показан (вид со стороны ВП) вариант конструкции заявляемого Ветродвигателя с двумя ветротурбинами (ВТ). В его состав входит: 1 - конусный направитель, 2 - аэродинамические лопасти первой ВТ 3 - радиальные стержни первого ВТ, 4 - наладочные винты лопастей первой ВТ, 12 - наладочные винты лопастей второй ВТ, 13 - аэродинамические лопасти второй ВТ, 14 - радиальные стержни второй ВТ, 15 - ступица на корпусе генератора, 16 - корпус обращенного генератора, 17 - соединительные стержни второй ВТ.

На Фиг. 3 дана блок-схема подстанции управления рассматриваемого варианта ветродвигателя с двумя ВТ, вращающимися в противоположных направлениях. В его состав входит: 18 - тахогенератор с выходным напряжением - установленный на валу - 11 обращенного генератора - 16, 19 - блок умножителя , 20 - блок деления, 21 - датчик скорости ВП с выходным напряжением - U_ВП, 22-1-выходной сигнал с блока деления 22 - сумматор, 22-2-заданный предварительно промежуточный коэффициент - K=constant, 23 - выходной сигнал сумматора -сигнал задания зарядного тока + ΔK, который подается на вход РЗТ, 24 - блок выпрямителей с LC-фильтром, 25 - электронный редуктор постоянного напряжения т.е. напряжению аккумуляторной батареи - 26, 27 - РЗТ (в его состав обычно входит ПИ - регулятор тока, датчик обратной связи по зарядному току, силовой блок), на выходе которого формируется зарядный ток Lap, 27-1 отрицательная обратная с вязь по зарядному току, 27-2 датчик зарядного тока, 28 - сетевой инвертор, 29 - башня Ветродвигателя.

Работа Ветродвигателя. Перед его рабочим пуском необходимо с помощью наладочных винтов - 4,12 настроить оптимальное положение аэродинамических лопастей обеих ВТ с учетом принятых коэффициентов скорости кромок их лопастей. Переменное (обычно 3-х фазное) напряжение с выхода обращенного генератора - 16 поступает в блок выпрямителей с LC-фильтром - 24. Постоянное напряжение с выхода выпрямителя 24 подается на электронный редуктор постоянного выходного напряжения - где U_Акк - рабочее напряжение аккумуляторной батареи. Подстанция управления Ветродвигателя обеспечивает вычисление текущего значения коэффициента скорости кромки лопастей + λ(t) для обеих ВТ. При включении Ветродвигателя его ВТ начинают вращаться на холостом ходу, пока угловая скорость по (1) и значение заданного предварительно коэффициента К

где - сигнал пропорциональный угловой скорости вращающегося электрического поля обращенного генератора-16, причем скорость электрического поля должна в 1,5 раза превышать угловую скорость вала генератора-16.

U_вп - сигнал, пропорциональный текущей скорости ВП.

-сигнал, пропорциональный угловой скорости вала генератора-16.

и когда K(t)-K=+ΔK, тогда коэффициенты скорости кромок лопастей обеих ВТ будут равны λ. Такой режим работы облегчает запуск ВТ, т.е. до определенного уровня угловой скорости генератора зарядный ток Iзар=0, отсутствует подтормаживание генератора и беих ВТ. В рассматриваемом варианте ветродвигателя пусть R₂=2R₁, λ₁=λ₂, и при одинаковой линейной скорости кромок лопастей обеих ВТ, у второго может быть становлено в два раза больше лопастей. Так как результирующий вектор ВП, действующий на аэродинамические лопасти -2, 13 ВТ при постоянных значениях λ=λ₁=λ₂ постоянен, то удобно с помощью наладочных винтов - 4, 12 аэродинамических лопастей выставлять их на оптимальный угол атаки предварительно при наладке. Это существенно подымает эффективность Ветродвигателя. Лопасти первой и второй ВТ будут работать примерно одинаково. После получения на выходе сумматора + ΔK формируются зарядный ток 24 - Iзар, который с рабочим напряжением (U_Aкк+δ) поступает на вход батареи аккумуляторов - 26. К аккумуляторной батарее подключен сетевой инвертор - 27. Предлагаемая конструкция Ветродвигателя с двумя ВТ и контролируемой линейной скоростью кромок лопастей каждой из них обеспечивает его высокую эффективность и экологичность. Рекомендуем применение предложенного Ветродвигателя на мощности более 1 мгватта из-за его экологичности, механической надежности и энергоэффективности.

Литература

Л1. Ю.Б. Соколовский, В.М. Роткин. Теоретические и технические основы оптимизации ветровых энергетических установок. LuluPress, Inc. 2017. 112 с

Л2. Лимонов Леонид Григорьевич, Соколовский Юлий Борисович. Вiтроэнерггетична установка без редуктора. На корисну модель №142412, от 10.06.2020, Бюл. №11.

Ветродвигатель, содержащий горизонтальный вал, конусный направитель воздушного потока и ступицы, на которых равномерно размещены лопасти первого и второго уровня, отличающийся тем, что лопасти имеют аэродинамическую форму, к горизонтальному валу крепится конусный направитель и ступица первого уровня, а горизонтальный вал с помощью проходных подшипников через поворотную головку с механизмом ориентации и муфту соединен с валом обращенного генератора, на корпусе которого закреплена ступица второго уровня и при наличии радиальных и соединительных стержней равномерно размещены аэродинамические лопасти второго уровня, узлы и детали первого уровня относятся к первой ветротурбине, узлы и детали второго уровня - ко второй ветротурбине, которые вращаются в противоположных направлениях, выходное напряжение обращенного генератора через электронный редуктор и регулятор зарядного тока подключено к блоку аккумуляторов, к выходу последнего подключен сетевой инвертор, причем подстанция управления обеспечивает уровень зарядного тока, который поддерживает постоянство заданного коэффициента скорости кромок лопастей λ для каждой из ветроротурбин.