ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ДВУХСТУПЕНЧАТОЙ ВИХРЕВОЙ АЭРОТУРБИНОЙ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМИ ОГРАНИЧИТЕЛЯМИ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ АЭРОТУРБИНЫ
WIND POWER STATION WITH VERTICAL TWO-STAGED VORTEX AEROTURBINE WITH CENTRIFUGAL LIMITERS OF ROTATION SPEED OF AEROTURBINE

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам и может быть использовано в народном хозяйстве в зонах с благоприятным и экстремальным ветровыми режимами. Основой любой ветровой электростанции является ветровое колесо или аэротурбина, являющаяся приводом для электрогенератора. Прототипом изобретения является "Аэротурбина для использования энергии воздушных потоков", патент RU №2329399 C1, опубл. в Бюллетене №20 20.07.2008 г. Основным недостатком ее является недостаточная механическая прочность несущего вала-цилиндра при наличии отверстий на его корпусе и ограничения в применении ее в зонах с большими скоростями ветра.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности несущих конструкций аэротурбины, повышение КПД и надежности ее работы при больших скоростях ветра, а также возможность размещения электрогенераторов на земле в закрытом помещении.
Ветровая электростанция с вертикальной двухступенчатой вихревой аротурбиной с центробежными ограничителями скорости вращения аэротурбины содержит аэротурбину, монтируемую на горизонтальных опорах и выполненную из двух вертикально поставленных одна над другой турбин с индивидуальными несущими валами, соединенными с электрогенераторами или иными потребителями энергии вращения через системы передач, муфты и мультипликаторы или редукторы, при этом вал нижней турбины выполнен полым, внутри него через подшипники размешен вал верхней турбины, прикрепленный посредством подшипников к горизонтальным опорам, на поверхности валов установлены диски с пазами на их окружностях, в которых крепятся внутренние концы лопастей, выполненных в виде поверхности, отсеченой от полого цилиндра плоскостью, параллельной образующей, а наружные концы лопастей стянуты между собой узкими кольцами-обручами, сверху и снизу торцы лопастей закрыты основаниями в виде дисков, жестко связанными с ними и с валами, образуя многолопастные турбины, лопасти в которых имеют противоположно направленные изгибы, к основаниям турбин съемными соединениями прикреплены цилиндры, при этом в наружные цилиндры, закрытые конусными обтекателями, нанизанными на валы, встроены конусные, чашеобразные емкости с ребрами, в которые помещены подвижные, в виде жидкости или сыпучих веществ, балласты, в средних же цилиндрах размещены элементы центробежных ограничителей скорости вращения турбин, при этом цилиндр нижней турбины входит в полость цилиндра верхней турбины, на внутренней поверхности последнего закреплены пояс из высокопрочного фрикционного материала и постоянные магниты, образующие радиальное магнитное поле, а цилиндр нижней турбины выполнен в виде ротора с расположенными в зоне магнитного поля на боковой его поверхности изолированными проводниками, верхние концы которых в виде коллекторных пластинок образуют горизонтальный коллектор, а нижние соединены токопроводящей пластинкой у нижнего основания ротора, причем на верхнем основании нижнего цилиндра закреплены рычаги с токопроводящими пластинками на днище и фрикционным материалом на концах, вращающиеся на осях и удерживаемые в нерабочем положении пружинами.
Указанный технический результат достигается тем, что, как показано на фиг.1, аэротурбина состоит из двух аналогичных турбин, вертикально поставленных одна над другой, имеющих индивидуальные несущие валы 25, 26. При этом вал 26 нижней турбины полый. Внутри него проходит вал 25 верхней турбины, соединяющийся с первым валом 26 через подшипники 23. Вал верхней турбины 25 крепится к горизонтальным опорам 22 через подшипники 23. Поэтому он является несущим валом всей двухступенчатой аэротурбины. На валах 25, 26 установлено несколько дисков или тонких цилиндров 18 с пазами 17 на их окружностях. В пазах 17 закрепляются внутренние концы лопастей 7, выполненных в виде поверхности, отсеченой от полого цилиндра продольной плоскостью, параллельной его образующей. Она может быть металлической, пластмассовой или из композиционных материалов. Но должна быть гибкой. Плоскости из такого материала закрепляются в пазах 17 на дисках 18. Затем их наружные концы загибаются и закрепляются в нескольких местах по длине турбины узкими кольцами-обручами 8. Такая технология крепления лопастей значительно упрощает их изготовление и придает им нужную цилиндрическую поверхность. Между валом 25 (26), дисками 18 и внутренними концами лопастей 7, как показано на фиг.2, образуется свободное центральное пространство. В результате чего, поток воздуха, проходя через всю турбину, как в вихре, задействует, по существу, все лопасти, что значительно повышает КПД турбины. Кроме того, при прохождении потока воздуха по межлопастным пространствам в загибах лопастей появляется дополнительная реактивная сила, что также повышает КПД. На торцах турбин крепятся основания в виде дисков 6, жесткосоединенные с торцами лопастей 7 и валами 25, 26. Таким образом образуются нижняя и верхняя многолопастные турбины, в которых лопасти имеют противоположно направленные загибы. К основаниям 6 съемными соединениями 24 прикрепляются цилиндры 4. Наружные цилиндры 4 закрываются полыми конусными обтекателями 3, нанизанными на валы 25, 26. В полостях этих цилиндров и обтекателей могу размещаться подвижный 21 и неподвижный 19 балласты. В качестве подвижного балласта могут быть использованы жидкость, например вода с антифризом, или сыпучие вещества. При этом емкостью для них являются верхний цилиндр с коническим, чашеобразным дном и полость обтекателя на нижней турбине. В этих емкостях устанавливаются ребра 20, увлекающие балласт во время вращения турбины. На средних же цилиндрах 4 крепятся элементы ограничителей скорости вращения аэротурбины. При этом цилиндр нижней турбины входит в полость цилиндра верхней турбины. На внутренней поверхности цилиндра верхней турбины крепятся пояс 14 из высокопрочного фрикционного материала и постоянные магниты 11, образующие радиальное магнитное поле. Цилиндр нижней турбины выполнен в виде ротора 10 с незакороченными верхними концами проводников, образующими своими пластинками 10-2 горизонтальный коллектор 10-3 (фиг.3). Нижние концы проводников 10-1 у нижнего основания ротора соединены между собой токопроводящей пластинкой 9. Сами проводники 10-1 изолированы друг от друга и расположены на боковой поверхности ротора в зоне действия радиального магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами. На верхнем основании цилиндра 10, как показано на фиг.3, 1, крепятся на осях 15, выполненных в виде скоб, подвижные рычаги 13, удерживаемые внерабочем положении пружинами 16, прикрепленными к скобам 15-1 (фиг.1, 3). Концы рычагов 13 изготовлены из высокопрочного материала с большим коэффициентом трения, а на днище рычагов встроены токопроводящие пластинки 12. Валы 25, 26 турбин через системы передач 27, управляемые 29, и обгонные муфты сцепления 30, мультипликаторы или редукторы 2 соединены с электрогенераторами 1 или иными потребителями энергии вращения.
Принцип действия ветровой электростанции заключается в следующем. Под действием потока воздуха, действующего на вогнутые и выпуклые стороны лопастей 7, создается момент вращения турбин. Но так как лопасти турбин имеют противоположно направленные изгибы, то турбины вращаются в разные стороны. Аэротурбина имеет три способа ограничений скорости вращения: динамический, электродинамический и механический, включаемых последовательно в процесс торможения. Все они основаны на использовании центробежной силы, действующей на подвижный балласт 21 и рычаги 13 в процессе вращения турбин. Динамический способ торможения постоянно действующий. Его суть в следующем. При вращении турбин вода (подвижный балласт 21) центробежной силой поднимается вверх по конусному дну емкости на боковые стенки цилиндра 4. Так как изменяются масса воды и радиус вращения относительно оси турбин, то изменяется и величина момента инерции подвижного балласта. Его максимальная величина будет при выбросе всей массы балласта на стенки цилиндра. Угловая скорость вращения турбин уменьшится пропорционально величине момента инерции. Начнется спад воды. Уменьшится момент инерции ее. Скорость вращения возрастет. Такой процесс регулирования скорости вращения турбин будет продолжаться до момента уравновешивания внешнего момента вращения от напора ветра и момента инерции подвижного балласта. По существу, этим осуществляется стабилизация скорости вращения всей аэротурбины.
Если, несмотря на противодействия динамического способа торможения вращения аэротурбины, ее скорость продолжает увеличиваться, то при достижении центробежной силой величины, большей силы сжатия пружин 16, рычаги 13 начинают поворачиваться на осях 15. Рычаги 13 своими токопроводящими пластинками 12 скользят по коллектору 10-3 и замыкают верхние концы 10-2 проводников 10-1 на цилиндре 10 (см. фиг.3 положение рычага 13-2). Под действием магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 11, в проводниках 10-1 возникает ток и появляется магнитное поле ротора. Последнее, взаимодействуя с магнитным полем от постоянных магнитов, заставляет ротор вращаться вслед за магнитным полем от постоянных магнитов. То есть в противоположную сторону от направления вращения нижней турбины, создавая тем самым тормозящий может вращения всей аэротурбины.
Если динамический и электродинамический способы торможения не в состоянии противодействовать ветровому напору, то в действие вступает механический способ торможения. Рычаги 13,продолжая вращаться на осях 15, своими концами входят в соприкосновение с фрикционным поясом 14 на цилиндре 4 верхней турбины. Происходит механическое торможение вращения турбин силой трения. Чем больше угловая скорость вращения турбин, тем теснее прижимаются рычаги 13 к фрикционному поясу 14, осуществляя торможение вращения всей аэротурбины (см. положение рычага 13-3 на фиг.3). Таким образом осуществляется последовательное задействование электродинамического и механического способов ограничения скорости вращения аэротурбины. На фиг.3 показаны положения 4-х рычагов 13:исходное положение рычага 13-1, момент замыкания пластинок 10-2 коллектора 19-3 рычагом 13-2, механическое торможение рычагом 13-3 и последовательность действий рычага 13-4 при осуществлении торможения. Следует заметить, что динамический способ торможения у верхней и нижней турбин может быть разным по величине, в то время как остальные способы торможения вращения турбин взаимосвязаны и присущи всей аэротурбине.
Безусловно, в зонах с благоприятным ветровом режимом можно использовать только механический способ торможения, как аварийный вариант ограничения скорости вращения аэротурбины. Динамический же способ ограничения скорости необходим как стабилизатор скорости ее вращения. Двухступенчатая аэротурбина с разносторонним вращением турбин существенно снижают момент вращения, создаваемый на опорах, что позволяет их использовать на подвижных объектах. Например, на судах такие аэротурбины можно использовать, нагружая на ходовые винты, не только в аварийных случаях, но и постоянно - в целях экономии топлива. Такие аэротурбины можно устанавливать на крышах высотных зданий в качестве приводов местных электрогенераторов, обеспечивающих энергией лифтовое хозяйство или потребителей всего здания. Параллельное соединение нескольких аэротурбин позволит задействовать электрогенераторы больших мощностей. При этом электроустановки будут размещены в изолированных от непогоды помещениях.