СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
METHOD OF CONVERTING ENERGY OF AIR FLOW INTO ROTARY MOTION OF WIND-DRIVEN POWER PLANT

Изобретение относится к области нетрадиционной энергетики и может быть использовано как источник электрической и механической энергии в ветроустановках. Наиболее распространенные на сегодня ветровые энергоустановки (ВЭУ) с горизонтальной осью вращения пропеллерной ветротурбины, по оценкам экспертов, пока не могут превысить мощность 5-7 МВт, что, в свою очередь, ограничивает возможности снижения стоимости кВт-часа их до конкурентоспособной величины. К примеру, самая мощная на сегодня введенная в эксплуатацию ветроустановка такого типа мощностью в 5 МВт создана в Германии. Длина ее лопасти составляет 61 м, высота башни 120 м.
В то же время мощность ВЭУ с вертикальной осью вращения типа Дарье (ВЭУВОВД) по оценкам экспертов может достигать 10-30 МВт. Отметим такие преимущества ВЭУВОВД: независимость функционирования от направления воздушного потока (ВП), возможность перехода от консольного крепления его основного вала к двухопорному, возможность размещения потребителя энергии, например, электрогенератора или насоса в основании ВЭУВОВД - при этом снижаются требования к высоте, прочности и жесткости опоры, упрощается конструкция и снижается материалоемкость, а значит и стоимость. Уменьшается шумность таких ВЭУВОВД. Одним из главных недостатков классического ВЭУВОВД с жестко фиксированными крыльями являются высокая скорость ВП при их самозапуске и более низкий коэффициент использования энергии ВП, чем у традиционных пропеллерных ВЭУ. В результате проектировщики вынуждены снабжать такие ВЭУ дополнительными устройствами, например, электродвигателем, ротором Савониуса и др. для раскрутки ВЭУВОВД и выведения на рабочий режим. Высокая скорость ее самозапуска вызвана тем, что фиксированные жестко относительно горизонтальных траверс вертикальные крылья в статическом состоянии не могут создать (при обтекании их ВП средней и малой скорости) достаточного крутящего момента на основной вал. Целью изобретения является повышение коэффициента использования энергии ВП, обеспечения самораскрутки ВЭУВОВД, ограничения скорости вращения при больших скоростях ВП. Применение в ВЭУВОВД механизма управления положением крыла относительно суммарной скорости воздушного потока (ССВП) позволяет повернуть их так, что величины подъемной силы крыла хватает для самозапуска ВЭУВОВД даже при скоростях ВП 3-4 м/сек.
Известен карусельный ветродвигатель (см. патент RU 2042044 С1, МПК F03D3/00 F03D 3/06, от 20.08.1995 г.), рассматриваемый в качестве аналога. Карусельный ветродвигатель содержит установленный на вертикальной оси ротор с лопастями (крыльями), размещенными на радиальных штангах, и механизм изменения углов атаки лопастей путем поворота лопастей вокруг собственных осей, параллельных оси вращения ротора, выполненный в виде связанного с каждой лопастью устройства изменения угла атаки, соединенного с другими аналогичными устройствами радиальными штангами посредством согласующего узла, смонтированного на оси
вращения ротора, причем каждая лопасть имеет аэродинамический профиль, ось вращения лопасти смещена к передней кромке, а устройство изменения угла атаки содержит смонтированный на каждой радиальной штанге корпус, в котором установлен пространственный кривошипно-шатунный механизм качающейся шайбы, связанный с осью лопасти посредством конической шестерни ориентации, сидящей на оси кривошипа, на которой установлен подшипник кронштейна, качающейся шайбой является втулка с двумя радиальными цапфами, установленная с возможностью поворота на наклонной оси, расположенной под углом α=45 к оси лопасти, а на цапфах шарнирно укреплены два вильчатых поводка, ось одного из которых установлена с возможностью вращения в подшипнике, размещенном на основании корпуса под углом β к линии оси лопасти, а ось второго вильчатого поводка установлена с возможностью поворота в подшипнике кронштейна, причем угол β не превышает угол α, а согласующий узел выполнен в виде конического дифференциала. Это известное устройство снабжено сложными дорогостоящими механическими узлами, надежность которых сомнительна, а эксплуатация требует серьезного обслуживания и неприемлема для широкого использования. Кроме того, оптимальный угол атаки лопасти (крыла) зависит от РВВП, величина которого зависит от скорости вращения, нагрузки, скорости воздушного потока и конкретной точки на траектории движения. А в аналоге эти факторы одновременно не учитываются при выборе угла атаки.
Интересная работа по усовершенствованию ротора Дарье проведена в институте гидромеханики НАН Украины (Каян В.П., Лебедь А.Г. «Оптимизация рабочих характеристик полномасштабного макета ветроротора Дарье с прямыми управляемыми лопастями». - , - Прикладна гiдромеханiка. - 2010, Том 12, №4, с. 26-35), которая частично отражена в патенте Вiтросилова установка, (см. Патент Украины №16097А на полезную модель, МПК F03D 3/00, F03D, 07.06.2006, №7. с. 174.), принятый за аналог. Разработана ВЭУВОВД с вертикальным валом, с которым с помощью траверс и цапф связаны вертикальные крылья, имеющие вертикальные оси с шарнирными кольцами, с помощью которых они закреплены на траверсах с возможностью поворота около этих осей, и установленными на нижних концах крыльев дополнительными осями с вилками и роликами, которые стыкуются с кольцеобразной направляющей в форме жесткого обода, имеющего в плоскости форму окружности, а также аппаратуру управления силовой установкой, причем кольцеобразная направляющая соединена с механизмом управления положением крыльев ВЭУВОВД таким образом, что имеет возможность линейного перемещения вдоль направления ВП, а механизм, размещенный на поворотной платформе, жестко связан с флюгером. Механизм управления положением крыльев содержит электродвигатель, редукторы и подвижные направляющие, размещенные на платформе механизма и червячные передачи, связанные с кольцеобразной направляющей, которая также имеет ролики для перемещения вдоль направляющих. Аппаратура управления в ВЭУВОВД содержит программное устройство, которое определяет оптимальную величину смещения центра кольцеобразной направляющей в зависимости от параметров работы ветросиловой установки. Эффективность этой ветросиловой установки существенно выше, чем у ВЭУВОВД в классическом
исполнении. Это один из вариантов более или менее удачного экспериментального поиска предельных показателей ВЭУВОВД. Вычисляется значение эксцентриситета между двумя осями каждого крыла, которое обеспечивает максимальное значение мощности ВЭУВОВД при выбранном способе управления. К тому же реализация этой электромеханической программируемой системы управления достаточно сложна.
Известен способ преобразования энергии текучей среды во вращательное движение крыла и установка для осуществления этого способа по патенту RU 2157919, МПК F03D 3/00 опубликованный 20.10.2000 г. Изобретение относится к области нетрадиционной энергетики, используется как источник электрической, механической энергии в гидро - и ветроустановках и выбрано в качестве прототипа. Этот способ заключается в том, что в текучей среде устанавливают неподвижную ось перпендикулярно направлению движения потока этой текучей среды и на некотором расстоянии от этой оси помещают крыло, собственная продольная ось которого параллельна неподвижной оси, вокруг которой это крыло под действием гидродинамических сил, действующих на него, совершает вращательное движение по круговой орбите и колебательное движение вокруг собственной продольной оси, причем при движении крыла по дуге круговой орбит, обращенной к потоку текучей среды, величину угла α атаки крыла выдерживают постоянной с одним знаком, а при движении крыла по противоположной дуге круговой орбиты знак постоянной величины угла α атаки крыла изменяют также на противоположный, причем на дуге круговой орбиты, на которой крыло движется против направления движения потока текучей среды, и на дуге круговой орбиты, на которой крыло движется по направлению движения этого потока, значение угла α атаки устанавливают равным нулю.
t
o
В ряде случаев выгоднее при движении крыла по круговой орбите величину его угла α атаки устанавливать выше "критической" величины стационарного режима обтекания для выбранного профиля и формы крыла. Для повышения эффективности способа величину окружной скорости V крыла выбирают больше величины скорости V потока текучей среды. Установка для преобразования кинетической энергии текучей среды во вращательное движение крыла, содержащая неподвижную ось, установленную в потоке текучей среды перпендикулярно направлению его движения, крыло, продольная ось которого параллельна неподвижной оси, шарнирно связанное с неподвижной осью с помощью по меньшей мере одного стержня, причем крыло снабжено устройством управления его углом атаки, выполненным в виде крыловидного элемента, снабженного собственным приводом для управления его угловым положением относительно крыла, отличающаяся тем, что привод управления угловым положением крыловидного элемента относительно крыла обеспечивает угол α атаки крыла при его движении по дуге круговой орбиты, обращенной к потоку текучей среды, постоянным с одним знаком, по противоположной дуге - с обратным знаком, а при переходе крыла с одной дуги на другую - α равным нулю. Привод для управления угловым положением крыловидного элемента относительно крыла обеспечивает диапазон углов α атаки крыла выше "критических" величин стационарного режима обтекания для выбранного профиля и формы крыла, причем крыло и/или крыловидный элемент снабжены закрылком,
связанным с приводом. Привод для управления угловым положением крыловидного элемента относительно крыла содержит кулачковый механизм, кулачок которого закреплен на неподвижной оси, а коромысло установлено на стержне и связано с рычагом, имеющим два плеча, ось которого совпадает с центром шарнирного соединения стержня с крылом, и на этой же оси установлен кулисный механизм, имеющий кулису и два ползуна, причем один ползун связан с плечом двуплечего рычага и с рычагом, который установлен на той же оси и связан с крыловидным элементом, а второй ползун связан со стержнем и с крылом.
Отметим недостатки рассмотренного способа.
1. Несмотря на то, что способ предложен для гидроустановок и ВЭУ, не предусмотрена операция и устройство для ориентировки относительно ВП кулисного механизма, задающего угол атаки крыльев.
2. Оптимальный угол атаки α зависит от суммарного ВП потока, т.е. от скорости внешнего потока и оборотов установки. Поэтому расчетная функция и конфигурация задающей кулисы рассчитана на некоторое оптимальное значение угла атаки α крыла для некоторого, например, номинального значения результирующего вектора текущей среды при заданных соотношениях скорости потока и оборотов установки. Очевидно, что рассмотренный способ не обеспечивает оптимизацию величины угла атаки α крыла в общем случае при разном направлении ВП, разной его скорости и различном соотношению между скоростью ВП и окружной скоростью ВЭУ.
3. Рассмотренный способ обеспечивает угол атаки α крыла при его движении по дуге круговой орбиты, обращенной к потоку текучей среды или ВП, постоянным с одним знаком, по противоположной дуге - с обратным знаком. Из теории аэродинамики крыла известно.
Аэродинамика крыла
Рассмотрим профиль крыла в потоке воздуха: угол α-это угол атаки крыла. Векторная сумма создает аэродинамическую силу R, с которой воздух действует на движущееся крыло:
Разложив силу на вертикальную Y и горизонтальную X компоненты, мы получим подъемную силу крыла и силу его лобового сопротивления. Из картины
2
2
распределения давления видно, что львиная доля подъемной силы образуется не из подпора на нижней образующей профиля, а из разряжения на верхней. Подъемная сила крыла: Y=Cy*p*V*S/2. Сила лобового сопротивления: Х=Cx*p*V*S/2
где-p - массовая плотность воздуха, V - скорость движения крыла относительно воздуха, S - площадь крыла, Су - коэффициент подъемной силы крыла, Сх - коэффициент лобового сопротивления крыла.
у
Поэтому при рассмотрении кривых на Фиг. 1 видно, что коэффициент С в зоне отрицательных значений угла атаки α в разы меньше, чем при его положительном значении. В связи с этим эффективность работы анализируемой установки существенно снижается. Однако на Фиг. 4 патента RU 2157919 на графике зависимости крутящего момента от положения крыла - этот факт не отмечен (см. Фиг. 2).
Технический результат предлагаемого способа преобразования энергии воздушного потока, во вращательное движение ветроэнергетической установки (ВЭУ) получают, устанавливая основную ось ВЭУ перпендикулярно направлению движения воздушного потока (ВП) и на некотором расстоянии от основной оси помещают крылья, оси которых параллельны основной оси ВЭУ, вокруг которой крылья под действием ВП совершает вращательное движение по круговой орбите и колебательное движение вокруг собственной оси, отличающийся тем, что при получении на выходе датчика оборотов основной оси (ДООО) сигналов, не превышающих номинального значения, экстремальный регулятор оборотов (ЭРО) основной оси на базе контроллера управляет углами атаки α контрольного крыла во всех точках круговой орбиты относительно вектора суммарного воздушного потока (СВП), учитывающего составляющую воздушного потока, действующего по касательной к круговой траектории движения крыльев), за исключением зон изменения формы крыльев, воздействуя через его сервопривод закрылка на положение контрольного крыла. Одновременно контроллер запоминает команды, подаваемые на серводвигатель закрылка контрольного крыла во всех точках круговой орбиты на каждом обороте ВЭУ и вычисляет запаздывание вращения по круговой орбите остальных крыльев относительно контрольного, а затем эти данные передает в качестве команд управления непосредственно на сервоприводы закрылков остальных крыльев; при получении на выходе ДООО сигнала, превышающего номинальное значение, его выходной сигнал переключается на вход регулятора стабилизации оборотов (РСО) основной оси ВЭУ также на базе контроллера, который управляет углами атаки α контрольного крыла относительно вектора СВП во всех точках круговой орбиты, за исключением зон изменения формы крыла, воздействуя через его сервопривод закрылка на положение контрольного крыла.
Одновременно контроллер запоминает команды, подаваемые на сервопривод закрылка контрольного крыла, во всех точках круговой орбиты на каждом обороте ВЭУ и вычисляет запаздывание вращения по круговой орбите остальных крыльев, а затем эти данные передает в качестве команд управления непосредственно на сервоприводы закрылков остальных крыльев.
Ось каждого крыла проходит через узел изменения формы крыла (УИФК) на основе базового листа, к которому по переднему и заднему краям на осях крепится двусторонняя подвижная аэродинамическая обшивка (АО), причем в зонах изменения формы каждого крыла при возникновении тормозного момента при движении УИФК относительно оси крыла, ось крыла с подшипником нажимает на конечный выключатель реверса (КВР) и при движении по круговой орбите периодически замыкает его контакт, который подает сигнал на срабатывание электромеханического триггера (ЭТ), поочередно выдвигающего верхний или нижний грибовидный шток, изменяя в этих зонах конфигурацию крыльев симметрично относительно базового листа, при этом меняет свое положение передняя и задняя аэродинамические обшивки крыльев на осях их поворота, а также меняется характер момента, переходя из режима торможения в рабочий режим, и каждое крыло осуществляет рабочим краем УИФК давление на свою ось, реализуя рабочий момент, а затем снова каждое крыло при очередном входе в зону изменения формы рабочий момент изменяет на тормозной.
В ВЭУ оси крыльев сверху и снизу жестко закрепляются на опорных дисках, перпендикулярных основной оси и жестко связанных с ней, причем оси крыльев закрепляются на радиусах этих дисков, а углы между этими радиусами β=2π/N, где N - количество крыльев.
При реализации данного способа сигналом с ДООО ВЭУ управляют углами атаки α всех крыльев, причем, когда этот сигнал не превышает номинального значения, получают максимально-возможные обороты основной оси ВЭУ при данной нагрузке с помощью ЭРО. Когда сигнал с ДООО ВЭУ достигает номинального значения, обеспечивают стабилизацию оборотов основной оси с помощью РСО.
n
При движении по окружности в зонах изменения формы крыльев на симметричную, относительно базового листа - (90 градусов +Δ и 270 градусов +Δ относительно вектора ВП, где Δ - зона изменения формы крыла по Фиг. 4) форма каждого крыла автоматически изменяется скачком. Эффективная защита ВЭУ от штормовых ВП обеспечивается следующим образом. Сигнал с ДООО ограничивается номинальным значением U для конкретной ВЭУс помощью РСО на базе контроллера, управляя углами атаки α всех крыльев (уменьшают угол атаки α вплоть до нуля и таким образом уменьшают рабочий момент каждого крыла, защищая ВЭУ от повреждения конструкции)..
Патентуемый способ поясняется вариантом конкретной конструкции ВЭУ и прилагаемыми чертежами:
Фиг. 3 - общий вид ВЭУ.
Фиг. 4 - изображает движение отдельного крыла ВЭУ вначале пуска.
Фиг. 5 - разрез крыла по Б-Б,
Фиг. 6 - конструкция крыла без фигурной двухсторонней аэродинамической обшивки по разрезу В-В на фиг. 5.
Фиг. 7 - узел изменения формы крыла УИФК по разрезу Е-Е на фиг.6
На Фиг. 3 каркас 1 обеспечивает вертикальное положение основной оси 2, концы которой заходят в верхнюю 3 и нижнюю 4 опоры. Гайки основной оси 5 закрепляют верхний 6 и нижний 12 опорные диски к основной оси. На дисках жестко
фиксируются оси 7 отдельных крыльев 8 с помощью гаек 11. Снизу каждое крыло 8 опирается на свою внешнюю опору 10. Важной деталью конструкции являются закрылки 9, примыкающие к каждому крылу. Ось каждого крыла 7 сверху и снизу через опорные диски 6, 12 жестко соединена с основной осью 2 ВЭУ.
На Фиг. 4 отображена основная ось 2, ось каждого крыла 7, крыло 8, закрылок 9, зоны изменения формы 13 каждого крыла на симметричную относительно базового листа.
На фиг. 5 (в разрезе Б-Б) отображены отдельны детали в конструкции контрольного крыла. Его ось 7, закрылок 9, ЭТ 15, УИФК 16, передняя АО крыла 17, задняя АО крыла 18, оси поворота АО 19, контроллер с серводвигателем (на остальных крыльях только серводвигатель) 20, ось закрылка 24.
На Фиг. 6 отображена конструкция остальных крыльев (по разрезу В-В). Закрылок 9, внешняя опора крыла 10, ЭТ 15, УИФК 16, оси поворота АО 19, серводвигатель закрылка 20 с крепежом 14, опоры осей поворота 22, планка закрылка 23, ось закрылка 24, внутренние опоры крыла 25, передняя часть базового листа 26, задняя часть базового листа 27.
На Фиг. 7 (разрез Е-Е) дана конструкция УИФК внутри его корпуса. Ось крыла 7, передняя часть базового листа 26, пружины 30, рабочий край УИФК 31, КВР 32, толкатель 33, подшипник 34, корпус УИФК 35.
ВП
На Фиг. 4 показан упрощенный режим движения одного крыла 8 при запуске ВЭУ, когда скорость ВП V намного превосходит линейную скорость вращения отдельных крыльев. При вращении каждого крыла в пределах корпуса 35 УИФК смещается его ось 7. На каждой оси 7 закреплен подшипник 34 (см. Фиг. 7), который внутри корпуса УИФК при его движении относительно оси крыла снижает трение между осью и деталями УИФК (толкатель 33, корпус 35, рабочий край УИФК 31) в процессе работы ВЭУ. В зоне изменения формы крыла 13 при возникновении тормозного момента крыла корпус УИФК смещается относительно оси 7 с подшипником 34 в сторону ЭКВР 32, нажимая на толкатель 33. ЭКВР 32 замыкает свой контакт, передавая сигнал на срабатывание ЭТ 15, который по команде ЭКВР 32 поочередно выдвигает верхний или нижний грибовидный шток, изменяя в зонах 13 круговой траектории конфигурацию каждого крыла 8 симметрично относительно базового листа. При этом меняет свое положение передняя 17 и задняя 18 АО крыла с осями поворота 19.
n
ЭРО, получая текущие сигналы от ДООО, обеспечивает оптимальное положение каждого закрылка и крыла при оборотах основной оси 2 в рабочем направлении не превышающих номинального значения U.
ДООО на основной оси 2 ВЭУ обеспечивает управление углами атаки α всех крыльев от регуляторов (ЭРО, РСО) контрольного крыла за счет запоминания его траектории движения во времени и вычисления запаздывания для остальных крыльев к положению этого контрольного крыла на траектории движения по кругу с помощью контроллера и индивидуальных серводвигателей закрылков.
Высокая эффективность ВЭУ, использующих оптимальный режим работы каждого крыла, позволяет создавать экономически целесообразные ВЭУ даже при малых скоростях ВП. Способ, как и ВЭУ его реализующие, являются универсальными, так
как в них могут применяться без какой-либо доработки широко распространенные в настоящее время контроллеры, датчики оборотов, электромеханические триггеры, конечные выключатели, электрогенераторы и т.д.