ЛОПАСТНОЕ КОЛЕСО С ОДНИМ ОБОДОМ ДЛЯ ВЕТРОТУРБИННОЙ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
BLADE WHEEL WITH ONE RIM FOR WIND TURBINE GENERATOR PLANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к области техники, связанной с ветроэнергетическим генерирующим оборудованием, в частности, к лопастному колесу с одним ободом для ветротурбинной генераторной установки.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Ветротурбинная генераторная установка использует естественную энергию ветра для приведения лопастей и главного вала генератора во вращение, для того чтобы вращать ротор двигателя и вырабатывать электрическую энергию, тем самым обеспечивается ее экологичность и широкое применение.
[0003] В настоящее время большинство ветротурбинных генераторных установок выполняется в виде трехлопастного механизма с горизонтально установленным главным валом. Номинальная выходная мощность ветроустановки в этой конструкции обычно наращивается за счет увеличения длины каждой лопасти, т.е. путем увеличения ометаемой площади каждой лопасти. Таким образом, наряду с увеличением мощности ветроустановки увеличивается ее общий размер и высота. Кроме того, относительно высокий корпус ветроустановки и относительно длинные лопасти увеличивают степень вибрации всей ветроустановки и вероятность поломки лопастей, что приводит к уменьшению аэродинамического сопротивления и значительному повышению проектных требований к конструкции, прочности и материалам всей ветроустановки. В частности, затраты на производство, эксплуатацию и ежедневное техническое обслуживание возрастают из-за усложнения конструкции для асинхронного регулирования угла лопастей, что делает ветроустановку более чувствительной к скорости ветра и, следовательно, приводит к сужению доступного диапазона скоростей ветра (при скорости ветра выше 25 м/с, чтобы избежать повреждения), что приводит к огромным потерям ветряных энергетических ресурсов, увеличению стоимости электроэнергии на единицу киловатта. Как правило, существуют такие проблемы, как большие капиталовложения в ветроэнергетическое оборудование, длительный период возмещения производственных издержек и малое число часов использования в году. С другой стороны, частное использование ветроустановки ограничено затратами и ее конструкцией, в результате, угол лопастей не регулируется и обычно возникает заброс оборотов ветрового колеса, называемый «галопированием». Помимо ограничений в части материалов и конструкции лопастей ветроустановки, существует относительно высокая вероятность выгибания, разлома и разрушения лопастей, поврежденных молнией в процессе эксплуатации.
[0004] Кроме того, горизонтально осевая ветровая турбина со створчатыми лопастями и выдвижным ветровым колесом, раскрытая в китайском патенте № ZL 201420077847.5, и горизонтально осевая турбина с лопастями в форме весла и выдвижным ветровым колесом барабанного типа, раскрытая в китайском патенте № ZL 201420078001.3, частично решают проблемы синхронизации лопастей, уменьшения размеров ветроустановки и т.д. Однако, поскольку конструкция ветрового колеса образована двумя или тремя круговыми ободами и множеством опорных стержней, вес всей головной части ветроустановки не уменьшается. Кроме того, поскольку механизм регулировки лопастей основан на формировании паза на ободе и натяжении с помощью стального кабеля, конструкция усложняется, а поддержание коррозионной стойкости, ежедневное техническое обслуживание и ремонт становятся затруднительными. Кроме того, потери на трение между стальным кабелем и пазом обода достаточно велики, что приводит к высоким затратам на общую эксплуатацию и производство электроэнергии в расчете на единичную мощность.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить лопастное колесо с одним ободом для ветротурбинной генераторной установки, чтобы преодолеть недостатки на известном уровне техники и повысить коэффициент полезного действия и эффективность производства электроэнергии.
[0006] В соответствии с настоящим изобретением, предложен генератор с горизонтально установленным главным валом, также содержащий обод ветрового колеса, лопасти, опорное основание, наклонные опорные стержни и устройство регулировки лопастей;
[0007] устройство регулировки лопастей содержит камеру регулировки лопастей, блок питания и механизм регулировки; камера регулировки лопастей имеет форму горизонтального цилиндра, задняя часть камеры регулировки лопастей неподвижно соединена с передней частью опорного основания, при этом камера регулировки лопастей и опорное основание установлены в передней части главного вала генератора; опорное основание и обод ветрового колеса соединены между собой с помощью наклонных опорных стержней, камера регулировки лопастей помещена в центре обода ветрового колеса, а наклонные опорные стержни равномерно распределены вокруг опорного основания; блок питания и механизм регулировки установлены внутри камеры регулировки лопастей;
[0008] лопасти неподвижно установлены на лопастных валах, внешний конец каждого лопастного вала установлен на ободе ветрового колеса посредством подшипниковой втулки, внутренний конец каждого лопастного вала входит в цилиндрическую боковую стенку камеры регулировки лопастей, лопастные валы сопряжены с цилиндрической боковой стенкой камеры регулировки лопастей с помощью подшипниковой втулки и ограничены буртиком или фиксатором, а лопасти равномерно распределены вокруг камеры регулировки лопастей; и
[0009] механизм регулировки, предусмотренный в устройстве регулировки лопастей, представляет собой комбинированный механизм регулировки шестеренчатого типа или комбинированный механизм регулировки шатунного типа; комбинированный механизм регулировки шестеренчатого типа представляет собой механизм регулировки по типу многоступенчатой зубчатой передачи, включающий в себя главную шестерню передачи, сдвоенные шестерни и концевые конические шестерни; концевые конические шестерни установлены на концевых участках лопастных валов в камере регулировки лопастей; главная шестерня передачи установлена в средней части камеры регулировки лопастей на валу зубчатой передачи, множество сдвоенных шестерен, состоящих из цилиндрической шестерни и конической шестерни, установлено вокруг главной шестерни передачи, при этом цилиндрическая часть каждой сдвоенной шестерни входит в зацепление с главной шестерней передачи, а коническая часть каждой сдвоенной шестерни входит в зацепление с концевой конической шестерней; главная шестерня передачи соединена с выходным механизмом блока питания; и
[0010] комбинированный механизм регулировки шатунного типа содержит толкающе-тянущий передаточный механизм, регулировочный обод, поворотные рычаги и шатуны; толкающе-тянущий передаточный механизм состоит из качающегося рычага, установочного вала, главного рычага привода и толкающе-тянущего штока; направляющий рельс расположен на внутренней стороне цилиндрической боковой стенки камеры регулировки лопастей, а регулировочный обод установлен на направляющем рельсе на боковой стенке камеры регулировки лопастей с помощью подшипника или ролика; поворотные рычаги вертикально закреплены на концевых участках лопастных валов, расположенных в камере регулировки лопастей, другой конец каждого поворотного рычага шарнирно соединен с шатуном, а другой конец каждого шатуна шарнирно соединен с регулировочным ободом; неподвижные гнезда соответствующим образом расположены на внутренних стенках передней торцевой пластины и задней торцевой пластины камеры регулировки лопастей, установочный вал в вертикальном направлении проходит через среднюю часть регулировочного обода, а два конца установочного вала установлены в неподвижные гнезда с помощью подшипника и гнезда для подшипника; один конец качающегося рычага вертикально закреплен в средней части установочного вала, а другой конец качающегося рычага шарнирно соединен с главным рычагом привода, главный рычаг привода соединен с выходным механизмом блока питания в устройстве регулировки лопастей; а два конца шатуна, соответственно, шарнирно соединены со средней частью качающегося рычага и регулировочным ободом.
[0011] Также предлагается следующее целесообразное техническое решение для механизма регулировки лопастей:
[0012] опорный стержень спицеобразного типа неподвижно закрепляют между ободом ветрового колеса и камерой регулировки лопастей.
[0013] Кроме того, лопасти усовершенствуют следующим образом: лопасти имеют полую конструкцию, при этом поперечное сечение каждой лопасти имеет форму дуги, а внутри каждой лопасти устанавливают несущую ребристую пластину; и каждая лопасть имеет криволинейную поверхность с продольным спиралевидным изгибом.
[0014] Кроме того, в передней части камеры регулировки лопастей установлен конический направляющий колпак.
[0015] Кроме того, в блоке питания устройства регулировки лопастей использован электродвигатель.
[0016] В настоящем изобретении использовано ветровое колесо с круговым ободом с множеством лопастей, выполненных с возможностью поворота вокруг вала, встроенного в них. Обод выполнен из металла, чтобы избежать прямого удара молнии в лопасти. Наряду с изменением количества и формы лопастей, изменяется способ соединения лопастей таким образом, чтобы усилие действовало на оба конца лопасти, что повышает прочность лопастей. За счет увеличения регулируемого угла лопастей обеспечивается возможность применения как в районе с низкой скоростью ветра, так и в районе с высокой скоростью ветра, также может быть повышена эффективность использования энергии ветра в ветроустановке, при этом выходная мощность всей ветроустановки возрастает, что уменьшает стоимость производства электроэнергии в расчете на единичную мощность, также уменьшаются размер, высота и вес ветроустановки. Проблемы, существующие на известном уровне техники, например, связанные с дополнительным увеличением выходной мощности трехлопастной ветротурбинной генераторной установки с горизонтальным валом или с тем, что доступный диапазон скоростей ветра для ветроустановки относительно мал, а лопасти могут быть повреждены в результате удара молнии, и аналогичные проблемы могут быть решены.
[0017] По сравнению с ветроустановкой с выдвижным ветровым колесом, в соответствии с техническими особенностями настоящего изобретения, вес и размер механической головки ветроустановки, а также длина главного вала значительно уменьшаются, устройство регулировки лопастей усовершенствуется, а механизм регулировки устанавливают в камеру регулировки, для того чтобы конструкция стала более рациональной, потери относительно небольшими, а интенсивность отказов уменьшилась, тем самым облегчая ежедневное техническое обслуживание.
[0018] Далее настоящее изобретение будет раскрыто со ссылкой на чертежи и различные варианты исполнения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0019] На Фиг. 1 показано структурное схематическое представление первого варианта исполнения настоящего изобретения.
[0020] На Фиг. 2 показано структурное схематическое представление механизма регулировки лопастей шестеренчатого типа, предлагаемого в первом варианте исполнения настоящего изобретения.
[0021] На Фиг. 3 показано схематическое представление поперечного сечения лопасти в соответствии с настоящим изобретением.
[0022] На Фиг. 4 показан схематический внешний вид лопасти в соответствии с настоящим изобретением.
[0023] На Фиг. 5 показано структурное схематическое представление второго варианта исполнения настоящего изобретения.
[0024] На Фиг. 6 показано схематическое представление соединения между ободом ветрового колеса и камерой регулировки лопастей, предлагаемого во втором варианте исполнения настоящего изобретения; и
[0025] На Фиг. 7 показано структурное схематическое представление механизма регулировки лопастей шатунного типа, предлагаемого во втором варианте исполнения настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0026] Ссылочные обозначения на чертежах: 1 - обод ветрового колеса, 2 -лопасть, 3 - направляющий колпак, 4 - наклонный опорный стержень, 5 -камера регулировки лопастей, 6 - опорное основание, 7 - генератор, 8 -одностоечная мачта, 9 - лопастной вал, 10 - концевая коническая шестерня, 11 - сдвоенная шестерня, 12 - главная шестерня передачи, 13 - опорный стержень спицеобразного типа, 14 - неподвижное гнездо, 15 - ползун, 16 - качающийся рычаг, 17 - главный рычаг привода, 18 - толкающе-тянущий шток, 19 - регулировочный обод, 20 - поворотный рычаг, 21 - шатун, 22 -блок питания.
Первый вариант исполнения
[0027] Как показано на Фиг. 1-4, техническое решение в соответствии с настоящим изобретением содержит генератор 7 с горизонтально установленным главным валом, обод 1 ветрового колеса, лопасти 2, опорное основание 6, наклонные опорные стержни 4 и устройство регулировки лопастей. Генератор 7 установлен в верхней части одностоечной мачты 8.
[0028] Устройство регулировки лопастей содержит камеру 5 регулировки лопастей, блок питания и механизм регулировки. Камера 5 регулировки лопастей имеет форму горизонтального цилиндра. Задняя часть камеры 5 регулировки лопастей неподвижно соединена с передней частью опорного основания 6. Камера 5 регулировки лопастей соединена с опорным основанием 6, они установлены в передней части главного вала генератора и вращаются вместе с главным валом. Опорное основание 6 и обод 1 ветрового колеса соединены с помощью наклонных опорных стержней 4 таким образом, чтобы камера 5 регулировки лопастей располагалась в центре обода 1 ветрового колеса, а опорное основание 6 находилось позади плоскости обода ветрового колеса. Наклонные опорные стержни 4 равномерно распределены вокруг опорного основания 6. Блок питания и механизм регулировки установлены внутри камеры 5 регулировки лопастей. Передняя торцевая пластина камеры 5 регулировки лопастей снабжена коническим направляющим колпаком 3. Обод 1 ветрового колеса выполнен из металла, таким образом корпус обода по сути образует кольцевой молниеотвод, чтобы в грозовые дни можно было предотвратить прямой удар молнии в середину лопастей, способный привести к разлому, выгибанию и разрушению лопастей. В результате, значительно снижается интенсивность отказов.
[0029] Лопасти 2 неподвижно устанавливают на лопастных валах 9. Каждая лопасть 2 имеет полую конструкцию. Поперечное сечение каждой лопасти 2 имеет форму дуги, а внутри каждой лопасти 2 установлена несущая ребристая пластина. Каждая лопасть 2 имеет криволинейную спиралевидную поверхность, изогнутую вдоль продольного направления (осевого направления каждой лопасти). Внешний конец каждого лопастного вала 9 установлен на ободе 1 ветрового колеса с помощью подшипниковой втулки. Внутренний конец каждого лопастного вала 9 входит в цилиндрическую боковую стенку камеры 5 регулировки лопастей, при этом он сопряжен с цилиндрической боковой стенкой камеры 5 регулировки лопастей посредством подшипниковой втулки и ограничен буртиком или фиксатором для предотвращения осевого люфта лопастей. Лопасти 2 равномерно распределены вокруг камеры 5 регулировки лопастей.
[0030] Механизм регулировки в устройстве регулировки лопастей представляет собой комбинированный механизм регулировки шестеренчатого типа или комбинированный механизм регулировки шатунного типа. В данном варианте исполнения применяется комбинированный механизм регулировки шестеренчатого типа, а в блоке питания для регулировки и управления углом каждой лопасти 2 используется электродвигатель. Комбинированный механизм регулировки шестеренчатого типа включает в себя главную шестерню 12 передачи, сдвоенные шестерни 11 и концевые конические шестерни 10. Концевые конические шестерни 10 закреплены на концах лопастных валов 9, расположенных внутри камеры 5 регулировки лопастей. Главная шестерня 12 передачи установлена в средней части камеры 5 регулировки лопастей с помощью вала зубчатой передачи. Множество сдвоенных шестерен 11 расположено вокруг главной шестерни 12 передачи, при этом каждая сдвоенная шестерня 11 образована цилиндрической шестерней и конической шестерней. Цилиндрическая зубчатая часть каждой сдвоенной шестерни 11 входит в зацепление с главной шестерней 12 передачи, а конического зубчатая часть каждой сдвоенной шестерни 11 входит в зацепление с концевой конической шестерней 10. Вал зубчатой передачи главной шестерни 12 соединен с выходным валом электродвигателя посредством редуктора. Мощность электродвигателя снимают посредством главной шестерни 12 передачи для приведения во вращение каждой сдвоенной шестерни 11 и каждой концевой конической шестерни 10, чтобы регулировать и управлять поворотом лопастей 2 и изменять угол атаки ветра. При относительно сильном ветре угол атаки ветра для лопастей 2 можно минимизировать, чтобы уменьшить аэродинамическое сопротивление, тем самым обеспечивая работу ветроустановки при полной нагрузке.
[0031] Углом лопастей 2 ветроустановки среднего размера можно управлять с помощью нескольких электродвигателей в зависимости от размера и веса ветроустановки, а выходной вал каждого электродвигателя соединяют и сопрягают с главной шестерней 12 передачи путем изменения передаточного отношения для каждой шестерни и мощности на выходе.
Второй вариант исполнения
[0032] Настоящий вариант исполнения раскрыт на примере ветротурбинной генераторной установки большого размера с относительно высокой выходной мощностью. Как показано на Фиг. 5-7, различия между данным вариантом исполнения и первым вариантом исполнения заключаются в наличии трех опорных стержней 13 спицеобразного типа, неподвижно закрепленных между камерой 5 регулировки лопастей и ободом 1 ветрового колеса для ветроустановки относительно большого размера и веса. Опорные стержни 13 спицеобразного типа равномерно распределены через заданный интервал в форме звезды, имеющей сходство с китайским иероглифом " пп ", что повышает прочность и аэродинамическое сопротивление ветрового колеса. Для механизма регулировки в устройстве регулировки лопастей использован комбинированный механизм регулировки шатунного типа, содержащий толкающе-тянущий передаточный механизм, регулировочный обод 19, поворотные рычаги 20 и шатуны 21. Толкающе-тянущий передаточный механизм состоит из качающегося рычага 16, установочного вала 15, главного рычага 17 привода и толкающе-тянущего штока 18. Окружность кольцевого направляющего рельса расположена на внутренней стороне цилиндрической боковой стенки камеры 5 регулировки лопастей. Регулировочный обод 19 установлен на направляющем рельсе на боковой стенке камеры 5 регулировки лопастей посредством ролика или подшипника и выполнен с возможностью поворота в камере регулировки лопастей вдоль направляющего рельса. Поворотные рычаги 20 вертикально закреплены на концах лопастных валов 9, расположенных в камере регулировки лопастей, а другие концы поворотных рычагов 20 шарнирно соединены с шатунами 21 (также они могут быть соединены посредством конструкции универсального шарнира). Другие концы шатунов 21 шарнирно соединены с регулировочным ободом 19. Неподвижные гнезда 14 надлежащим образом и в определенном порядке установлены на внутренних стенках передней торцевой пластины и задней торцевой пластины в камере 5 регулировки лопастей. Установочный вал 15 вертикально проходит через среднюю часть регулировочного обода 19, а оба конца установочного вала 15 установлены в неподвижные гнезда 14 с помощью подшипника и гнезда для подшипника. Один конец качающегося рычага 16 вертикально закреплен в средней части установочного вала 15, формируя Т-образную конструкцию, а другой конец качающегося рычага 16 шарнирно соединен с главным рычагом 17 привода, соединенным с блоком питания 22 в устройстве регулировки лопастей посредством гидравлического устройства, т.е. главный рычаг 17 привода соединен с поршневым штоком гидроцилиндра гидравлического устройства, а электродвигатели (блока питания) подсоединены через масляный насос к гидроцилиндру для управления его работой. Два конца толкающе-тянущего штока 18 соответственно шарнирно соединены со средней частью качающегося рычага 16 и регулировочным ободом 19.
[0033] Электродвигатели приводят в движение главный рычаг 17 привода посредством гидравлического устройства, для того чтобы толкать (или тянуть) качающийся рычаг 16, вызывая его поворот вокруг установочного вала 15. Качающийся рычаг 16 приводит во вращение регулировочный обод 19 вдоль направляющего рельса посредством толкающе-тянущего штока 18, регулировочный обод 19 тянет шатуны 21, чтобы приводить в качательное движение поворотные рычаги 20, вызывая в результате поворот каждого лопастного вала 9, тем самым изменяя угол атаки ветра для лопастей.
[0034] В зависимости от мощности ветроустановки, размера и веса лопастного механизма может быть установлено несколько групп толкающе-тянущих передаточных механизмов, соответственно, приводимых в движение несколькими электродвигателями для одновременного поворота, с тем чтобы управлять поворотом лопастей.
[0035] Остальные конструктивные элементы данного варианта исполнения идентичны конструктивным элементам первого варианта исполнения.
[0036] Следует отметить, что подробное описание технического решения настоящего изобретения со ссылкой на целесообразные варианты исполнения носит пояснительный, но не ограничительный характер. Специалист в данной области техники может внести поправки в раскрытые технические решения или произвести эквивалентную замену части технических характеристик, основываясь на настоящем описании изобретения. Однако эти поправки или изменения, вносимые без отступления от сути раскрытого технического решения, должны входить в объем настоящего изобретения.