МОБИЛЬНЫЙ ВЕТРОАГРЕГАТ
MOBILE WINDMILL

Изобретение относится к ветроэнергетике и может использоваться при проектировании мобильных ветроэнергетических установок с вертикальной осью. Известен роторный ветродвигатель по авт. свид. СССР №1467248 А1, содержащий ротор Савониуса (PC) с вертикальной осью, кинематически связанный с электрогенератором через шкив и мультипликатор. В целом конструкция размещена на опоре с растяжками и снабжена поворотным дуговым щитом для направления воздушного потока на ротор с хвостовиком для ориентации поворотного дугового щита по ветру. Прототип обеспечивает повышенный коэффициент использования ветрового потока, но в целом его конструкция малопригодна для мобильного ветроагрегата по следующим причинам:
громоздкая и неразборная конструкция PC с поворотным дуговым щитом;
непригодность для работы при сильных ветровых потоках из-за
отсутствия крепления верхней части PC;
значительные потери на трение из-за наличия между осью PC и осью электрогенератора промежуточных звеньев (шкива и мультипликатора). Наиболее близким известным техническим решением является ветряной ротор по патенту RU №2008515 С1, содержащий вертикальную несущую трубу с элементами подвижного крепления к внешней конструкции ветроагрегата, верхний и нижний пояса ротора с пазами для боковых стенок, боковые лопасти в виде изогнутых по дуге секторов, размещенных вертикально. Прототип обеспечивает преобразование ветрового потока во вращательное движение ротора, однако его применение в мобильном ветроагрегате затруднено следующими причинами:
- конструкция ротора не предусматривает оперативной сборки/разборки из транспортного положения и обратно;
- элементы крепления к внешней опоре размещены снаружи вертикальной несущей трубы, как следствие, возрастают габаритные размеры конструкции ветроагрегата;
- не предусмотрена компактная и без потерь на трение кинематическая связь с осью электрогенератора.
Т
T
2
л
л
2
Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности оперативной сборки/разборки конструкции как ротора, так и ветроагрегата в целом и их работы как при слабых, так и при ураганных ветровых потоках. Для достижения технического результата ветроагрегат снабжен размещенным на основании ветроагрегата электрогенератором, выполненным с полой осью ротора, и проходящей через нее съемной центральной осью, на которую надета вертикальная несущая труба, верхний и нижний пояса ротора выполнены съемными и снабжены узлом поджатия к лопастям, при этом вертикальная несущая труба в нижней части снабжена элементом соединения с ротором электрогенератора. Кроме того, ось ротора электрогенератора снабжена элементом соединения с вертикальной несущей трубой, входящим в зацепление с элементом соединения, выполненным в нижней части вертикальной несущей трубы, а верхний конец несущей оси устройства снабжен 3-12-рожковой консолью для закрепления ветроагрегата с помощью введенных в устройство тросовых растяжек. Также текущий радиус R образующей изогнутых лопастей выбирают по условию: R=(1+α/K)·R, где R - радиус вращения образующей лопасти; α - угол вращения текущего радиуса по образующей лопасти от центральной оси устройства к периферии ротора; K=(2-10).
Структура мобильного ветроагрегата приведена на Фиг.1 (разрез по оси вращения), на Фиг 2 показана конфигурация боковых лопастей ротора ветроагрегата с использованием реактивной силы ветрового потока при его стекании с внутренней кромки лопасти. На Фиг.1 показан ветроагрегат в комплекте с электрогенератором, размещенным на основании 1 с проходящей через полую ось электрогенератора несущей осью 2 ветроагрегата. На несущую ось 2 ветроагрегата через элементы 3 и 4 подвижного крепления одета вертикальная несущая труба 5 ротора, на которой размещен нижний пояс 6 ротора, вертикальные лопасти 7 ротора, верхний пояс 8 ротора и узел поджатия 9 верхнего 8 и нижнего 6 поясов к лопастям 7 ротора. На нижнем конце вертикальной несущей трубы 5 выполнен элемент 10 соединения с осью ротора 11 электрогенератора, которая в свою очередь снабжена элементом 12 соединения с вертикальной несущей трубой 5 ротора ветроагрегата. Как вариант исполнения, на Фиг.1 показано исполнение элементов 9 и 12 в виде торцевых зубчатых колец. На полой оси 11 электрогенератора закреплен ротор 13, полая ось 11 подвижно закреплена через подшипники 14 и 15 в нижней 16 и верхней 17 половинах корпуса электрогенератора, который в свою очередь присоединен к основанию 1 с помощью крепежных элементов 18.
На верхнем конце несущей оси 2 установлена 3-12-рожковая консоль 19 с элементами 20 крепления растяжек 21, которые обеспечивают устойчивость ветроагрегата к сильным ветровым потокам.
При воздействии ветрового потока на лопасти 7 вращение ротора ветроагрегата передается через элементы 5, 10, 12 на полую ось 11 ротора электрогенератора с минимальными потерями на трение.
Сборка ветроагрегата производится в следующей последовательности:
а) на основание 1 с помощью элементов 18 крепления присоединяют электрогенератор;
б) на основании 1 жестко закрепляют несущую ось 2 ветроагрегата;
в) на вертикальную несущую трубу 5 одевают нижний 6 и верхний 8 пояса ротора;
г) в пазы нижнего 6 и верхнего 8 поясов устанавливают лопасти 7 и поджимают сборку с помощью узла 9 поджатия верхнего и нижнего поясов ротора к лопастям 7;
д) одевают вертикальную несущую трубу 5 ротора с установленными в ней элементами 9 и 10 подвижного крепления на несущую ось 2 ветроагрегата;
е) на верхний конец несущей оси 2 одевают консоль 19 и крепят в элементы 20 растяжки 21;
ж) закрепляют растяжки 21 к объекту, на котором размещен ветроагрегат, или за близко расположенные предметы или за колышки, вбитые в землю;
з) обеспечивают равномерное натяжение растяжек 21 при вертикальном положении несущей оси 2 ветроагрегата, после чего сборка и установка ветроагрегата завершены.
Разборку ветроагрегата в транспортное положение производят в обратном порядке. В разобранном состоянии детали ветроагрегата укладывают в упаковочную тару для транспортировки или хранения. Практически весь процесс сборки или разборки ветроагрегата занимает 15-20 минут. Число тросовых растяжек 21 выбирают от 3-12-ти в зависимости от мощности ветроагрегата и максимально возможной скорости ветрового потока. Крепление конструкции через консоль, одетую на верхний конец несущей оси ветроагрегата, обеспечивает его устойчивость при скорости ветровых потоков до 50 м/с.
T
Из множества вариантов конфигураций боковых лопастей 7 ротора ветроагрегата предпочтительна конфигурация с использованием реактивной силы ветрового потока. Для обеспечения повышенной эффективности реактивной силы ветрового потока, стекающего с внутренней кромки каждой лопасти, текущий радиус R образующей изогнутых секторов выбирают по условию:
T
2
л
л
R=(0,01÷0,1)(1+α/K)R, где R - радиус вращения образующей лопасти;
2
α - угол вращения текущего радиуса по образующей лопасти от центральной оси устройства к периферии ротора, К=(2-10). При выполнении этого условия значительная часть ветрового потока, обтекающего выпуклую сторону лопасти, создает дополнительную реактивную силу, воздействующую на внутреннюю сторону соседней лопасти и тем самым снижает тормозящий эффект.