МУЛЬТИРОТОРНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
MULTIROTOR WIND ENGINE

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 ветроротора и направления воздушного потока (ВП). Недостатком традиционной 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 при сильном ветре 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 лопастей
Ветророторы, у которых коэффициент скорости кромки λ≤3 считают тихоходными. При λ>3 они описываются как быстроходные. Различия между двумя этими формами вызваны поведением при запуске и в процессе работы. Ветророторы могут быть выполнены 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 ее элементов от оси вращения, 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 элементы крыла будут иметь максимальную подъемную силу.
При разработке конструкции нового Мультироторного_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 ВЭУ. Однако она имеет ряд недостатков, ограничивающих область ее применения.
Ветродвигатель по патенту №2508468 (кл. F03D 1/06 от 28.12.2011 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 ВП 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 ВП. Технической сущностью настоящего изобретения является значительное повышение суммарной площади лопастей с целью уменьшения диаметра ветроротора, увеличения крутящего момента на его валу и лучшего использования силы ВП центральной, средней и периферийной зонами ветроротора.
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.
Задачей предполагаемого изобретения - Мультироторного ветродвигателя с несколькими ветророторами (BP) является создание его надежной и эффективной конструкции с повышенной мощностью на единицу "ометаемой" площади в широком диапазоне скоростей ВП. В связи с контролем и снижением линейной скорости концов аэродинамических лопастей BP Мультироторного ветродвигателя улучшаются его экологические характеристики.
1
2
Aкк
Технический результат конструкции предлагаемого Мультироторного ветродвигателя достигается за счет поддержания заданного при наладке коэффициента скорости кромки аэродинамических лопастей λ по (1), например, в диапазоне 1,5-3 для каждого из нескольких BP, имеющего свои обращенные генераторы, датчики и общую подстанцию управления. Для примера рассмотрим Мультироторный ветродвигатель с двумя BP. Он содержит горизонтальный вал, конусный направитель воздушного потока и ступицы разного уровня, на которых равномерно размещены лопасти, опасти первого уровня -на ступице первого уровня, часть лопастей второго уровня- на ступице второго уровня. Его горизонтальный вал неподвижен и через муфты связан с валами обращенных генераторов, а ступицы первого и второго уровня закреплены на корпусах обращенных генераторов, причем аэродинамические лопасти ветроротора с наладочными винтами первого уровня крепятся к ступицам первого уровня с помощью радиальных стержней первого уровня, часть аэродинамических лопастей второго ветроротора с наладочными винтами второго уровня крепятся к ступице второго уровня с помощью радиальных стержней второго уровня, часть- на соединительных стержнях второго уровня тоже с наладочными винтами. Между ветророторами расположена поворотная головка и механизм ориентации, через которую проходят и жестко подсоединяются неподвижные валы обращенных генераторов первого и второго уровня с соединительными муфтами. Выходные напряжения этих генераторов через электронные редукторы подключены к соответствующим регуляторам зарядного нагрузочного тока для блока аккумуляторов, причем уровень зарядного нагрузочного тока для каждого из ветророторов и постоянство заданного коэффициента скорости кромок их лопастей λ, λ обеспечивает подстанция управления, а к блоку аккумуляторов подключен сетевой инвертор. Поддержание постоянного значения коэффициента λ на каждом отдельном BP обеспечивает постоянное направление результирующего вектора ВП, действующего на его аэродинамические лопасти. Это дает возможность настройки их положения на определенный оптимальный угол атаки а с помощью наладочных винтов. При этом снижаются обороты генераторов и их выходное напряжение. Обычно проблему повышения напряжения генератора решают с помощью ускоряющих редукторов, что существенно усложняет, утяжеляет конструкцию Мультироторного_ветродвигателя. нашем случае применен электронный редуктор [Л1], автоматически повышающий напряжение с выхода генераторов до заданного постоянного напряжения аккумуляторов (U+δ). выходу электронного редуктора через регулятор зарядного нагрузочного тока (РЗНТ), подключен аккумулятор и сетевой инвертор.
Подстанция управления обеспечивает задание такого нагрузочного зарядного тока РЗНТ на каждом BP, который поддерживает постоянное заданное значение коэффициента скорости кромки его аэродинамических лопастей λ (в его состав обычно входит ПИ- регулятор тока, датчик обратной связи по нагрузочному току, силовой блок). Чтобы вычислить коэффициент λ по (1) для РЗНТ каждого BP, надо в подстанции управления установить общий для Мультироторного ветродвигателя датчик скорости текущего ВП и индивидуальные датчики угловой скорости BP, а также делительные устройства, сумматоры и т.д.
На Фиг. 1 показан (вид сверху) вариант Мультироторного_ветродвигателя с двумя BP, причем детали первого ВР-первый уровень, детали второго ВР-второй уровень. В его состав входит: 1 - конусный направитель, 2 - аэродинамические лопасти первого уровня, 3 - радиальные стержни первого уровня, 4 - наладочные винты лопастей первого уровня, 5 - обращенные генераторы первого и второго уровня, 6 - валы обращенных генераторов, 7 - соединительные муфты неподвижных валов, 8 - неподвижный соединительный горизонтальный вал, 9 - ступица на корпусе обращенного генератора первого уровня, 10 - поворотная головка Мультироторного ветродвигателя, через который проходит и фиксируется соединительный горизонтальный вал 8, 11 - мачта Мультироторного ветродвигателя, 12 - наладочные винты лопастей второго уровня, 13 - радиальные стержни второго уровня, 14 - аэродинамические лопасти второго уровня, 15 - ступица на корпусе обращенного генератора второго уровня.
На Фиг. 2 показан (вид спереди, со стороны вектора ВП) вариант Мультироторного_ветродвигателя с двумя BP. В его состав входит: 1 - конусный направитель, 2 - аэродинамические лопасти первого уровня, 3 - радиальные стержни первого уровня, 4 - наладочные винты лопастей первого уровня, 14 - аэродинамические лопасти второго уровня, 13 - радиальные стержни второго уровня, 12 - наладочные винты аэродинамических лопастей второго уровня, 15 - дополнительные стержни второго уровня.
ВыхГ1
ЭР
1
1
ωГ1
ВП
ВыхГ2
ЭР
2
2
ωГ2
2
НЗ1
НЗ2
Aкк
ЭР
Aкк
1
2
2
1
1
2
1
2
НЗ1
НЗ2
Aкк
На Фиг. 3 дана блок-схема варианта подстанции управления, рассматриваемого Мультироторного ветродвигателя с двумя BP, обеспечивающая λ=constant. В ее состав входит: 16 - выходное напряжение обращенного генератора первого уровня 5(первой ВТ) - U, 17 - блок выпрямителей с LC-фильтром первого уровня, 18 - электронный редуктор постоянного напряжения первого уровня U, 19 - РЗНТ первого уровня, 20 - сумматор первого уровня, 20-1 задание коэффициента скорости кромки лопастей 2 первого уровня - λ=constant, 20-2 - текущее значение коэффициента скорости кромки лопастей 2 первого уровня +λ(t), 20-3 сигнал задания нагрузочного зарядного тока +Δλ, для первого BP, 21-делительное устройство первого уровня, 22 - делимое-сигнал пропорциональный угловой скорости кромки лопастей 2 первого уровня RU - расстояние от горизонтального вала до концов лопастей 2), 23 - делитель-сигнал с датчика скорости ВП-общий для обеих ВТ U, 24 - выходное напряжение обращенного генератора - 5 второго уровня (второй BP) - U, 25 - блок выпрямителей с LC-фильтром второго уровня, 26 - электронный редуктор второго уровня U, 27-РЗНТ второго уровня, 28 - сумматор второго уровня, 28-1 задание коэффициента скорости кромки лопастей- 2 второго уровня - λ=const, 28-2 - текущее значение коэффициента скорости кромки лопастей 14 второго уровня +λ(t), 28-3 сигнал задания нагрузочного зарядного тока +Δλ, для второго BP, 29 - делительное устройство второго уровня, 30 - делимое-сигнал пропорциональный угловой скорости кромки лопастей 14 второго уровня RU (R - расстояние от горизонтального вала до концов лопастей-14), 31 - нагрузочный зарядный ток первого BP - I, 32 - нагрузочный зарядный ток второго ВР - I, 33 - общая шина зарядки аккумуляторов с рабочим напряжением (U+δ), 34 - батарея аккумуляторов, 35 - сетевой инвертор. Работа Мультироторного ветродвигателя. Перед его пуском необходимо с помощью наладочных винтов настроить оптимальное положение углов атаки аэродинамических лопастей обоих BP с учетом принятых коэффициентов скорости кромок их лопастей. Постоянное напряжение с выходов выпрямителей 17, 25 рассматриваемых BP подается на электронные редукторы 18, 26 постоянного выходного напряжения U=(U+δ). Подстанция управления по Фиг. 3 обеспечивает вычисление текущего значения коэффициента скорости кромки лопастей +λ(t) для первого BP 20-23 и второго BP 23, 28-30. При включении Мультироторного ветродвигателя его BP начинают вращаться на холостом ходу пока угловая скорость по (1) и значение коэффициента скорости кромки лопастей +λ(t) не превысит заданное при наладке значение - λ=const, - λ=const на +Δλ, на выходе сумматоров 20,28 - РЗНТ BP не работают, пока на их входе сигнал минус -Δλ. Такой режим работы облегчает запуск BP, т.е до определенного уровня угловой скорости обращенных генераторов нагрузочный зарядный ток равен 0 и отсутствует их подтормаживание. В рассматриваемом варианте Мультироторного ветродвигателя из 2-х BP пусть R=2R, λ=λ, тогда при одинаковой линейной скорости кромок лопастей и удвоенного радиуса лопастей второго BP их может быть установлено в два раза больше. Так как результирующий вектор ВП, действующий на аэродинамические лопасти 2, 14 BP при постоянных значениях λ, λ постоянен [Л2], то удобно с помощью наладочных винтов 4, 12 аэродинамических лопастей 2,14 -выставлять их на оптимальный угол атаки предварительно при наладке. Это существенно подымает эффективность отдельных BP и Мультироторного_ветродвигателя. Лопасти первого и второго BP будут работать примерно одинаково. После получения на выходах сумматоров +Δλ формируются зарядные токи 31- I и 32- I, которые через - общую шину зарядки аккумуляторов с рабочим напряжением (U+δ)-33 поступают на вход батареи аккумуляторов 34. батарее аккумуляторов 34 подключен сетевой инвертор 35. Предлагаемая конструкция Мультироторного ветродвигателя с несколькими BP и контролируемой линейной скоростью кромок лопастей каждой из них обеспечивает его высокую эффективность и экологичность. Рекомендуем применение описанного Мультироторного ветродвигателя на мощности более 1 мгвт из-за его экологичности, механической надежности и энергоэффективности.
Л1. Лимонов Леонид Григорьевич, Соколовский Юлий Борисович. Вiтроэнерггетична установка без редуктора. На корисну модель №142412, от 10.06.2020, Бюлл. №11.
Л2. Ю.Б. Соколовский, В.М. Роткин. Теоретические и технические основы оптимизации ветровых энергетических установок. LuluPress, Inc. 2017. 112 с.