МОДУЛЬ ВЕТРОКОЛЕСА КАРУСЕЛЬНОГО ТИПА
CAROUSEL-TYPE WIND WHEEL MODULE

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройству ветроколес карусельного типа, в том числе устанавливаемых на мобильные базовые машины, например шасси передвижных буровых установок или автокранов, и может быть использовано для энергоснабжения объектов, удаленных от линий электропередач, например буровых установок геологоразведки.
Известна ветроэнергетическая установка [1], ветроколесо которой содержит силовую колонну с вертикальной осью вращения, а на ней жестко закреплены несколько рассредоточенных по высоте пар подшипниковых узлов с горизонтальным расположением валов и смещением их осей относительно друг друга на угол α.
На выходных концах валов жестко закреплены лопасти, каждая из которых в паре расположена на диаметрально противоположных сторонах силовой колонны и снабжена гидравлическим приводом ее поворота.
Возможность контролируемого поворота лопастей в парусное положение и обратно обеспечивает бесшумность работы ветроэнергетической установки, но только при малых оборотах силовой колонны (не более 150 об/мин), т.к. в этом случае лопасти под действием гидропривода должны будут поменять свое положение более пяти раз в секунду, что недостижимо даже для самых быстродействующих гидроприводов.
Известен модуль ветроколеса карусельного типа [2], содержащий фрагмент силовой колонны, на котором жестко закреплены по меньшей мере три рассредоточенных по его высоте подшипниковых узла с горизонтальным расположением двухконцевых валов и смещением их осей относительно друг друга в горизонтальной плоскости на угол α, например, 60°, а на концах валов жестко закреплены лопасти, каждая из которых в паре расположена на диаметрально противоположных сторонах фрагмента силовой колонны и в совокупности с валом образует жесткую конструкцию с общей осью контролируемого скоростью ветра качения в подшипниковом узле и разворотом лопастей относительно друг друга вокруг общей оси на угол α, например, 90°.
Возможность согласованного со скоростью ветра безприводного перехода лопастей из флюгерного положения в парусное и обратно в процессе вращения силовой колонны обеспечивает известному техническому решению технические преимущества, заключающиеся в стабилизации числа оборотов ветроколеса при любых колебаниях скорости ветра, а также в упрощении конструкции и технологии сборки ветроэнергетической установки, в том числе состоящей из нескольких модулей.
Однако жесткое крепление на фрагменте силовой колонны нескольких подшипниковых узлов, несущих пары лопастей, исключает возможность подбора оптимального их количества в ветроколесе, оптимальной ширины лопастей, находящейся в прямой зависимости от расстояния между смежными подшипниковыми узлами, а также оптимального угла смещения α их осей относительно друг друга в горизонтальной плоскости, т.к. указанные параметры готового изделия являются постоянной величиной и их изменение, например, при сборке ветроколеса мобильной ветроэнергетической установки в полевых условиях практически невозможно.
Кроме того, выполнение фрагмента силовой колонны в виде неразъемной трубы для нескольких подшипниковых узлов существенно усложняет смазку подшипников, установка заглушек между подшипниковыми узлами практически невозможна, а подача смазки в верхние по высоте модуля узлы весьма затруднительна.
1
Заявленный объект содержит фрагмент силовой колонны с вертикальной осью вращения, на котором жестко закреплен по меньшей мере один подшипниковый узел с горизонтальным расположением двухконцевого вала, концы которого выходят на диаметрально противоположные стороны фрагмента силовой колонны и несут на себе лопасти для взаимодействия с ветром, развернутые одна относительно другой в паре вокруг оси несущего их вала на угол α, равный 90°.
На торцевой части каждой лопасти, обращенной к оси вращения модуля, жестко закреплена секторная пластина с резьбовым отверстием при вершине сектора для навинчивания лопасти на хвостовик вала, связанная крепежными болтами со стопорной планкой, установленной на его квадратной проточке, а на крепежных болтах, связывающих секторную пластину лопасти и стопорную планку, может быть установлен дополнительный балластный груз.
Фрагмент силовой колонны выполнен в виде двусторонней резьбовой муфты, на которой жестко закреплен один подшипниковый узел, а элементы связи между ними выполнены в виде патрубков переменной длины с резьбой на обоих концах для свинчивания двухконцевых муфт с подшипниковыми узлами в общую силовую колонну ветроколеса, при этом на конце патрубка, примыкающем к верхней по отношению к нему резьбовой муфте, установлена заглушка, а в стенке патрубка, ближе к заглушке, выполнено отверстие для подачи смазки.
Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с прототипом заключаются в следующем:
- выполнение фрагмента силовой колонны в виде двухконцевой резьбовой муфты, несущей один подшипниковый узел с лопастями на концах его вала, в совокупности с выполнением элементов связи между муфтами в виде патрубков переменной длины с резьбой на обоих концах, существенно упрощает конструкцию модуля и технологии сборки ветроколеса, а также обеспечивает возможность подбора оптимальной ширины лопастей путем изменения длины патрубков, и бесступенчатого регулирования угла α смещения спаренных лопастей смежных модулей ветроколеса относительно друг друга в горизонтальной плоскости в зависимости от местных условий использования заявленного объекта без изменения конструкции смежных узлов и деталей ветроэнергетической установки;
- наличие заглушки на конце патрубка, примыкающем к верхнему по отношению к нему концу резьбовой муфты, в совокупности с отверстием в стенке патрубка, расположенном ближе к заглушке, обеспечивает возможность выполнения замкнутой смазочной камеры для каждого подшипникового узла и исключает перетекание смазки из одного модуля в другой вниз по внутренней полости силовой колонны.
Совокупность указанных технических преимуществ заявленного объекта по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат, заключающийся в упрощении конструкции ветроколеса и технологии его сборки, а также в возможности подбора оптимальной ширины лопастей, бесступенчатого регулирования угла смещения лопастей смежных модулей относительно друг друга в горизонтальной плоскости и в увеличении межремонтного периода ветроэнергетической установки путем улучшения режима смазки всех подшипников ветроколеса, рассредоточенных по высоте силовой колонны.
На приведенных чертежах иллюстрируется модуль ветроколеса карусельного типа, где на фиг.1 показан его общий вид в сборе со смежными модулями; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - то же, разрез по А-А на фиг.2; на фиг.4 - вид Б на фиг.1 (положение спаренной лопасти относительно оси вращения модуля при отсутствии ветра); на фиг.5 - то же, при оптимальной скорости ветра, и на фиг.6 - то же, при ураганной скорости ветра.
Модуль ветроколеса карусельного типа содержит фрагмент силовой колонны с вертикальной осью вращения, на котором закреплен по меньшей мере один подшипниковый узел 1 с горизонтальным расположением двухконцевого вала 2, концы которого выходят на диаметрально противоположные стороны фрагмента и несут на себе лопасти 3 для взаимодействия с ветром, развернутые одна относительно другой на угол α вокруг оси несущего их вала 2.
На торцевой части каждой лопасти 3, обращенной к оси вращения модуля, жестко закреплена секторная пластина 4 с резьбовым отверстием для навинчивания лопасти на хвостовик 5 вала 2, связанная со стопорной планкой 6, установленной на его квадратной проточке 7, а на болтах, жестко связывающих секторную пластину 4 и стопорную планку 6, может быть установлен дополнительный балластный груз 8.
Фрагмент силовой колонны ветроколеса выполнен в виде двусторонней резьбовой муфты 9, на которой жестко закреплен один подшипниковый узел 1, а элементы связи между смежными муфтами 9 выполнены в виде патрубков 10 с резьбой на обоих концах, при этом один конец патрубка 10 ввинчен в муфту 9, на свободном конце установлена заглушка 11, а совокупность муфты 9 с подшипниковым узлом 2 и патрубка 10 с заглушкой 11 образуют модуль ветроколеса.
На цилиндрической части патрубка 10 вне зоны резьбы и в средней части корпуса подшипникового узла 1 выполнены отверстия 12 и 13 для подачи смазки внутрь патрубка 10 и в зону подшипников, а заглушка 11 исключает перетекание смазки в нижние модули, что создает идентичные условия смазки подшипников независимо от их расположения по высоте силовой колонны ветроколеса.
Для фиксации резьбовых соединений патрубка 10 с муфтой 9 в модуле и смежных модулей между собой в стенке муфты 9 в зоне резьбы выполнено по резьбовому отверстию для стопорных винтов 14, на которых дополнительно установлена бобышка 15 для фиксации крышек 16 подшипников, при этом стопорные винты 15 на разных концах резьбовой муфты 9 расположены на диаметрально противоположных сторонах для обеспечения балансировки модуля.
Сборка ветроколеса сводится к навинчиванию первого модуля на опорный узел ветроэнергетической установки и в дальнейшем одного модуля на другой, при этом угол смещения α смежных лопастей 3 в горизонтальной плоскости может быть каким угодно и изменяется бесступенчато, количество модулей в ветроколесе должно соответствовать мощности генератора, а конкретные значения этих величин определяются экспериментально.
Ветроэнергетическая установка с заявленной конструкцией модуля ветроколеса может быть изготовлена в мобильном исполнении. Например, на базе мобильной буровой установки или автокрана устанавливают базовый блок с возможностью его подъема и опускания от горизонтального до вертикального положения, несущий опорный узел ветроколеса, генератор с распределительной и регулирующей аппаратурой, а также аккумуляторную батарею и транспортную тару с уложенным в ней комплектом модулей ветроколеса.
Прибыв на место работ при горизонтальном положении основания на вал опорного узла, несущий резьбовую муфту 9, устанавливают первый модуль, а затем последующие один на другой со смещением лопастей 3 смежных модулей в плоскости, перпендикулярной оси силовой колонны на угол α, а после установки последнего модуля основание с собранным на нем ветроколесом поднимают в вертикальное положение и после минимальной подготовки установка может быть использована по прямому назначению. При выполнении работ по смене места дислокации все операции производят в обратной последовательности.
л
При безветренной погоде ветроколесо находится в неподвижном состоянии, а его лопасти 3 на парусной и флюгерной сторонах располагаются симметрично относительно оси его вращения (фиг.4), при этом массы лопастей 3 (m) на парусной и флюгерной сторонах модуля уравновешивают друг друга, и крутящий момент на валу 2 спаренной лопасти (оси качения) равен нулю.
в
п
1
2
ф
в
При появлении ветра его давление (P), воздействуя на спаренную лопасть 3 на парусной и флюгерной сторонах модуля, создает крутящий момент (M) на валу 2, стремящийся повернуть лопасть 3 по часовой стрелке (фиг.5) до положения, при котором лопасть парусной стороны модуля отклонена от оси его вращения на угол β, лопасть флюгерной стороны отклонена на угол β от направления ветра, а крутящий момент на флюгерной стороне модуля (M), действующий на спаренную лопасть 3 в обратном направлении, фиксирует ее в определенном положении в зависимости от величины (P)
при этом
Подставив выражения (2) и (3) в уравнение (1), после преобразований получим:
л
где m - масса лопасти с учетом балластного груза;
1
l - расстояние между осью качения спаренной лопасти и ее геометрическим центром;
2
l - то же, между осью качения и центром тяжести лопасти.
км
в
3
кп
кф
Крутящий момент на патрубке 10 модуля (M) создается тем же давлением ветра (Р), но с другим плечом (l) и представляет собой разность крутящих моментов на парусной стороне модуля (М) и на его флюгерной стороне (М)
где
откуда
или
Учитывая то, что левая часть уравнения (4) и правая часть уравнения (9) идентичны, получим:
Анализ уравнения (10) позволяет сделать следующие выводы:
1
2
- величина крутящего момента на патрубке 10 модуля прямо пропорциональна величинам конструктивных параметров и опосредованно через значения углов β и β зависит от давления ветра;
1
2
1
2
1
2
- при любой величине колебаний давления ветра, например в разы, значение суммы sinβ+cosβ колеблется в пределах 44% от единицы при β=β=0° до максимума (1,44) при β=β=45°;
1
2
- увеличение углов β и β при дальнейшем увеличении давления ветра невозможно, и спаренная лопасть 3 фиксируется в этом положении, т.к. лопасти на парусной и флюгерной сторонах модуля располагаются симметрично относительно направления ветра и его давление, действующее на обеих сторонах модуля, взаимно уравновешивается;
1
2
- изменение угла между лопастями в паре, равного 90°, в сторону уменьшения или увеличения нецелесообразно, т.к. составляющая уравнения (10) sinβ+cosβ в обоих случаях становится меньше единицы, и крутящий момент на оси вращения модуля уменьшается при тех же параметрах ветра.
Вышеприведенное свидетельствует о том, что заявленная конструкция обеспечивает стабильность оборотов на валу ветроэнергетической установки при любых колебаниях скорости ветра и ее защиту от ураганов без сооружения дополнительных защитных приспособлений.
Источники информации
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1539381 от 12.02.88 г. МПК F03D 3/00.
2. Описание изобретения к патенту РФ заявка №2007145254/06 от 05.12.2007 г. Решение о выдаче патента на изобретение от 15.01.2009 г. (прототип).