ВЕТРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА С РОТОРОМ ДАРЬЕ
WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH DARRIEUS ROTOR

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям с вертикальной осью вращения с так называемым ротором Дарье.
Известны ветросиловые установки (ВСУ) с различными разновидностями ротора Дарье, в которых ротор с изогнутыми или прямыми лопастями закрепляют на вершине мачты вместе с редуктором и генератором. При этом ротор крепят к валу редуктора, а в безредукторном варианте - непосредственно к валу генератора. Недостаток этих устройств заключается в том, что мачта может быть подкреплена растяжками только в точках, расположенных ниже ротора [1, с.68, рис.3.3]. Иначе говоря, при такой компоновке невозможно подкрепить растяжками верхнюю часть ротора, что сильно ограничивает его возможные размеры, а следовательно, и мощность. Кроме того, при такой схеме в местах крепления вала ротора к редуктору или генератору возникают большие изгибающие нагрузки. Поэтому мощность подобных установок ограничена.
В качестве прототипа взята ветроустановка с ротором Дарье, в которой вал ротора выполняет одновременно роль мачты. Поэтому в таких ВСУ ротор занимает значительную часть общей высоты установки. В подобных ВСУ вал - это, как правило, труба большого диаметра, на вершину которой выше ротора надета мощная втулка с радиально-упорными подшипниками. К втулке прикреплены серьги, на которых закреплены растяжки (ванты) для фиксации вала в вертикальном положении. Растяжки, чаще всего три, идут от втулки на вершине вала поверх лопастей ротора к анкерам, установленным на уровне земли. Нижняя часть вала ротора также опирается на втулку с радиально-упорными подшипниками [1, с.67, рис.3.2].
Недостаток данного устройства в том, что вал ротора работает одновременно на кручение и продольное сжатие от натяжения растяжек. Для противодействия сильным ветровым нагрузкам натяжение растяжек должно быть достаточно большим. Нагруженный продольной силой вал подвержен потере устойчивости по Эйлеру особенно легко при одновременном действии на него поперечных колебаний при вращении ротора. Следует заметить, что хорошая динамическая балансировка ротора не исключает его колебаний, которые возникают от флуктуации скорости воздушных потоков, обтекающих ротор. Поэтому для обеспечения устойчивости таких установок вал выполняют в виде трубы большого диаметра. Например, на установке мощностью 500 кВт диаметр трубы, выполняющей роль вала и одновременно мачты, превышает 1 метр [2]. Такой вал имеет большую массу и создает аэродинамическую тень, которая ухудшает условия работы ротора.
В известных ветросиловых установках с ротором Дарье лопасти выполняют из алюминиевых сплавов методом экструзии, а также из стекло- или углепластиков [1, с.247, рис.7.5]. За счет большой длины лопасть в определенных пределах может упруго изгибаться под действием сил тяжести, центробежных и аэродинамических сил. При этом лопасть классического ротора Дарье принимает форму кривой, примерно соответствующей уравнению цепной линии. Такая форма снижает величину механических напряжений в материале лопасти. Однако это не устраняет другой недостаток. Он заключается в том, что турбулентные потоки и порождаемые ими механические колебания лопасти приводят к циклическим знакопеременным напряжениям в материале лопасти и других деталях конструкции, которые особенно велики на резонансных частотах. Лопасти для крупных установок имеют большую массу, что увеличивает инерционные нагрузки. Со временем это вызывает появление усталостных трещин и разрушение установки.
Вообще форма лопастей для ротора Дарье проще, чем конфигурация консольных лопастей для ветротурбин с горизонтальной осью вращения, так как в роторе Дарье лопасти по всей длине имеют одинаковый аэродинамический профиль. Однако процесс производства больших лопастей из алюминиевых сплавов или изготовление их из волокнистых композитов также трудоемок и дорог и требует специального технологического оборудования.
Цель изобретения - создание такой ветросиловой установки с ротором Дарье, которая позволила бы существенно снизить массу вала и лопастей ротора с целью возможности строительства ВСУ с более высокой единичной мощностью с одновременным повышением их устойчивости и надежности.
Поставленная цель достигается тем, что в ветросиловой установке с ротором Дарье, содержащей ротор, выполненный в виде вертикального вала с прикрепленными к нему с помощью траверс изогнутыми или прямыми лопастями, вал ротора подвешен с помощью вертлюга на подшипнике, установленного с нижней стороны пластины, от которой отходят растяжки, другие концы которых перекинуты через блоки и закреплены на мачтах, симметрично расставленных вокруг ротора, в свою очередь каждая мачта закреплена по меньшей мере двумя растяжками и анкерами, а нижний конец подвешенного вала ротора соединен с валом приемника энергии, при этом вал ротора нагружен продольной растягивающей силой, которая вверху воспринимается радиально-упорными подшипниками вертлюга, а внизу - радиально-упорными подшипниками вала приемника энергии или отдельной втулкой, закрепленной анкерами.
Ветросиловая установка с ротором Дарье, выполненным с вертикальной осью вращения и в виде вала с прикрепленными к нему напрямую или с помощью траверс лопастями, отличающаяся тем, что лопасти выполнены в виде герметичной оболочки из ткани, оболочка выполнена в виде рукава с размещенными внутри рукава нервюрами аэродинамического профиля, нервюры прикреплены по своему периметру к материалу оболочки, а внутреннее пространство оболочки соединяется воздуховодом с источником сжатого воздуха для поддержания внутри лопасти заданного избыточного давления.
Нервюры лопастей выполнены в виде сеток или из ткани, прикрепленных по своему периметру к материалу оболочки.
Давление воздуха внутри лопастей задают в зависимости от величины ветровых нагрузок, действующих на лопасти.
Между источником сжатого воздуха и лопастями размещен регулирующий клапан, при этом циклограмму работы клапана задают для двух режимов: для гашения автоколебаний лопастей и/или предотвращения их обледенения.
На фиг.1 представлен общий вид ветросиловой установки с ротором Дарье. На фиг.2 показаны упругая деформация лопастей и положение траверс во время вращения ротора. На фиг.3 показаны вариант установки Дарье с так называемым Н-ротором и форма упругой деформации лопастей во время вращения ротора. На фиг.4 изображен фрагмент полой лопасти с жесткими нервюрами. На фиг.5 показан фрагмент полой лопасти с нервюрами из гибкой сетки или ткани. На фиг.2 и 3 стрелками обозначено вращение ротора.
На фиг.1-5 позиции обозначают:
1 - мачта, 2 - блок, 3 - центральные растяжки, 4 - пластина, 5 - боковые растяжки, 6 - вертлюг с подшипником, 7 - вал ротора, 8 - шарнир, 9 - траверса, 10 - лопасть, 11 - муфта, 12 - вал приемника энергии, 13 - приемник энергии (генератор и др.), 14 - оболочка лопасти из технической ткани, 15 - жесткая нервюра, 16 - крепежная лента, 17 - нервюра, выполненная в виде гибкой сетки или из высокопрочной ткани.
Описание устройства и его работы
Несущая часть ветросиловой установки состоит по меньшей мере из трех мачт 1 с блоками 2 на вершинах (фиг.1). Мачты 1 симметрично расставлены относительно центра ветроустановки. От пластины 4, находящейся в верхней части установки, отходят центральные растяжки 3, концы которых переброшены через блоки 2 и закреплены на мачтах 1. Каждая мачта 1 закреплена по меньшей мере двумя боковыми растяжками 5, концы которых прикреплены к анкерам на уровне земли (не показаны). С нижней стороны пластины 4 установлен вертлюг 6 с радиально-упорным подшипником. На вертлюге подвешен вал 7 ротора. К валу с помощью шарниров 8 прикреплены траверсы 9 (фиг.1-3). Слева и справа от вала к траверсам прикреплены через шарниры 8 лопасти 10. Нижний конец вала ротора с помощью муфты 11 соединяется с валом 12 приемника энергии (редуктора, генератора и т.д.) 13. Талрепы (не показаны), расположенные на растяжках 3 и 5, и крепление приемника энергии 13 к фундаменту позволяют задать оптимальную растягивающую нагрузку на вертикальный вал 7 ротора с целью обеспечения его устойчивости при штормовом ветре. Растягивающая нагрузка исключает потерю поперечной устойчивости вала 7, поэтому его диаметр задают исходя преимущественно из величины передаваемого вращающего момента. Это позволяет существенно уменьшить диаметр и массу вала 7 по сравнению со случаем в прототипе, когда длинный вал работает на продольное сжатие и кручение. Из-за наличия мачт 1 общая масса несущей части ветроустановки может и не снизится. Однако, что намного важнее, значительно уменьшатся масса и момент инерции подвижной части установки - вала 7. Кроме того, благодаря такой конструктивной схеме, центральные растяжки 3 отходят от пластины 4 вверх, а не вниз, как в прототипе. Это позволяет поднять лопасти 10 ротора выше (фиг.2 и 3), а также увеличить по сравнению с прототипом ометаемую лопастями поверхность, придав им для этого более выгодную форму.
Увеличение отчуждаемой площади земельного участка под ВСУ указанной конструкции из-за далеко отходящих от мачт боковых растяжек во многих случаях не имеет особого значения. Например, когда речь идет об использовании ВСУ в малонаселенных северных или степных районах России, Канады и других стран.
Для снижения массы и стоимости лопастей ротора Дарье они выполнены в виде герметичной оболочки из тонкого гибкого материала, например из высокопрочной воздухонепроницаемой технической ткани на основе арамидного или полиамидного волокна (фиг.4 и 5). Оболочка 14 может быть сшита, склеена или сварена в виде прямого рукава заданной длины. Внутрь оболочки на определенном расстоянии друг от друга вставляют жесткие нервюры 15 (фиг.4) из легких материалов, принятых в авиационных конструкциях. При использовании жесткой нервюры 15 ее крепление возможно охватом периметра нервюры сверху оболочки крепежной лентой 16.
Поскольку ВСУ с вертикальным ротором обычно имеют число быстроходности в интервале 4…6, то для лопасти целесообразны симметричные профили ЦАГИ или NACA большой относительной толщины (от 18 до 25%). Это увеличивает пневматическую жесткость лопасти, что благоприятно для передачи большого вращающего момента от лопасти к траверсам 9 и далее на вал ротора.
В конструкции заявляемой пневматической лопасти возможно также использование мягкой нервюры 17 (фиг.5), выполненной из гибкой сетки или из прочной ткани с окантованным отверстием для свободной циркуляции воздуха внутри лопасти. Избыточное давление воздуха внутри оболочки, которое создается источником сжатого воздуха (не показан), растягивает нервюру из сетки или ткани и на участках между нервюрами оболочка принимает форму лопасти с профилем, близким к заданному. Точно также жесткая нервюра 15, скрепленная по периметру с оболочкой, задает нужную форму лопасти. Мягкая конструкция лопастей сильно облегчает их изготовление, доставку, монтаж и ремонт ветросиловых установок с ротором Дарье большой мощности.
2
Диапазон применимости пневматических лопастей в роторах Дарье различной мощности зависит от размеров лопасти и величины давления воздуха в ней. В то же время допустимая величина давления воздуха в лопасти зависит от длительной прочности материала оболочки. Например, технические ткани для средств индивидуальной бронезащиты на основе арамидного волокна при поверхностной плотности 130 г/мимеют предел прочности 2640 Н для полоски ткани шириной 25 мм [3]. Если сравнить эквивалентные по массе образцы алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu и арамидной ткани, то удельная прочность последней окажется в 4,7 раза больше. Ткань из арамидных или полиамидных волокон с защитным покрытием от УФ-облучения может иметь срок службы более 20 лет при достаточно простой замене старых пневматических лопастей на новые. Конструктивные, технологические и экономические преимущества пневматических лопастей нелинейно возрастают с увеличением мощности ветросиловой установки с ротором Дарье.
При увеличении скорости ветра выше номинальной величины давление воздуха в лопастях ротора автоматически увеличивают. Это повышает жесткость системы и способность ее противостоять штормовому ветру.
Между источником сжатого воздуха и лопастями размещен регулирующий клапан. Изменение давления воздуха в лопастях с помощью этого клапана, производимое по программе с различной частотой и длительностью открытого состояния клапана, порождает колебания лопастей с соответствующей частотой и амплитудой. При этом циклограммы работы клапана задают для двух режимов: для гашения автоколебаний лопастей и/или предотвращения их обледенения.
Испытание макета ВСУ и проведенные расчеты показывают, что устройство работоспособно и конструктивно-технологически осуществимо.
Источники информации
1. Erich Hau. Windkraftanlagen. Springer-Verlag. Berlin, Heidelberg. - 2008. 910 Seiten.
2. DOE′s 500-kW variable speed Darrieus machine. -< >.
3. Свойства технических тканей для средств индивидуальной бронезащиты. 2010. -< >.