КОНТРРОТОРНЫЙ ВЕТРОАГРЕГАТ
COUNTER-ROTARY WIND-DRIVEN UNIT

Использование: для преобразования энергии ветра в электрическую энергию для промышленных и бытовых потребителей в практически всех погодно-климатических условиях и географических поясах.
Сущность технического решения состоит в том, что турбина и генератор ветроагрегата, имеющие пересекающиеся под прямым углом оси вращения, расположены по разные стороны от опорно-мачтовой конструкции установки, передача вращательного движения с вала турбины осуществляется за счет торцевого преобразователя, один из ведущих элементов которого взаимодействует с ведомым элементом ротора, а второй - с ведомым элементом контрротора. Встречное вращение ротора и контрротора обеспечивается диаметрально противоположным размещением ведущих элементов торцевого преобразователя на валу турбины относительно общей оси вращения упомянутых электромагнитных органов генератора, который независимо от турбинной гондолы с помощью кронштейна и подвижной втулки установлен на мачтовой опоре ветроагрегата и имеет при этом возможность вертикального перемещения, что позволяет при необходимости выводить из зацепления ведущие колеса турбинного вала и ведомые колеса как ротора, так и контрротора.
Изобретение относится в ветроэнергетическим установкам (ВЭУ), предназначенным для работы в широком диапазоне скоростей ветра, начиная со слабых значений от 4,0 м/с, и обеспечивающим возможность для сохранности генератора в заданных условиях сильного шторма (от 24,5 м/с) или урагана (от 32,6 м/с).
Большинство известных контрроторных ВЭУ (патент US №4213057, кл. 290-44; патенты SU №№1333821, 1787205, 1402706 и др., кл. F03D 1/02) основаны на работе двух расположенных друг за другом турбин или одно в другом ветроколес, вращающихся в противоположных направлениях и соединенных с ротором и контрротором механическими связями различного типа. При этом неравномерность вращения турбин (ветроколес) из-за нестабильного характера реальных воздушных потоков в атмосфере усугубляется вторичными помехами от встречного вращения аэродинамических компонентов конструкции, что в конечном итоге приводит к низкому качеству электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ.
Действующие по тому же техническому принципу однотурбинные контрроторные установки или ненадежны из-за применения непрочных, недолговечных и подверженных деформациям гибких связей между турбиной и электромагнитными элементами генератора (коаксиальный вариант конструкции) или использования в тех же целях сложных мультипликаторных узлов (соосный вариант конструкции).
Кроме того, во избежание недопустимого контакта, турбина консольно, на значительное плечо выносится в сторону от опорной мачты ВЭУ, что создает под ее тяжестью нежелательный изгибающий момент, воздействующий на опорно-мачтовую конструкцию в целом, создает предпосылки к заклиниванию поворотного узла и разрушению фундамента мачты.
В связи с необходимостью оптимизации условий работы ВЭУ их турбинные гондолы размещаются на насколько возможно большей высоте от земли. Это обстоятельство, а также объединение турбины и генератора в корпусе единой гондолы серьезно осложняют ремонтное обслуживание и пр. эксплуатационную деятельность Превышение атмосферными потоками номинальной скорости ветра, например, при переходе к сильному шторму (от 24,5 м/с), а затем урагану (от 32,6 м/с), скорость вращения турбины достигает критического значения. Если при этом турбина имеет неразъемную связь с генератором, то последний самый ответственный и ценный механизм ВЭУ в первую очередь подвергается разрушению.
В качестве прототипа иного рода следует указать ВЭУ (патент RU №2372519, кл. F03D 1/02), в которой аэродинамический привод, состоящий из двух одна за другой установленных и встречно-вращающихся турбин, поднят на высоту в гондоле сложной конфигурации, отделенной от генератора, размещенного в свою очередь по оси опорной мачты, на ее фундаменте или около того. Оси вращения турбин и генераторного ротора расположены под прямым углом. Совмещение турбин и генератора осуществлено посредством конического мультипликатора и вала, проходящего к ротору через всю длину опорно-мачтовой конструкции ВЭУ. Недостатками установки является ее неработоспособность на малых скоростях ветра в виду неподвижной конструкции индукционной обмотки генератора (статора); заниженная мощность агрегата из-за сужения направляющего корпуса турбинной гондолы по направлению к ветру; длинномерность работающего на скручивание роторного вала, что делает его самым слабым, ненадежным элементом устройства; уязвимость узлов генератора при сверхнормативных скоростях вращения турбин, имеющих место во время сильных штормов и ураганов. Конический мультипликатор передает вращение только на одну ось и неприемлем при контрроторной конструктивной схеме генератора.
Целью изобретения является обеспечение, при сохранении преимуществ однотурбинного привода и контрроторной конструкции генератора, большей устойчивости и надежности ВЭУ, условий для безопасной эксплуатации и более удобного обслуживания.
Поставленные цели достигаются тем, что турбина ветроагрегата, горизонтально и консольно размещенная относительно поворотной оси опорно-мачтовой конструкции установки, уравновешивается по принципу «коромысла» генератором, вертикально и независимо установленным при помощи кронштейна с заданным плечом вылета на той же опоре, но в диаметрально-противоположном направлении. Данное техническое решение особенно актуально, когда диаметр турбина достигает 100 и более метров, а ее вес измеряется тоннами (промышленная модель Е-112 фирмы «Enorcom GmbH»). Отличное от пересекающегося под прямым углом положения вращающейся турбины и подвижных электромагнитных составных частей устройства повлечет усложнение, а следовательно, и снижение надежности узла механической передачи вращения от аэродинамического привода к генератору. Как минимум, при условии встречного вращения ротора и контрротора потребуется промежуточный элемент на одной из связей вала турбины с одним из вращающихся рабочих органов электрогенератора. Встречное вращение ротора и контрротора обеспечивается не наличием двух турбин, создающих друг для друга аэродинамические помехи, непрочных и быстро изнашиваемых гибких связей или сложных ненадежных механизмов преобразования вращения турбин в противоположно направленные вращательные движения ротора и контрротора, а простым диаметрально-противоположным положением ведущих элементов торцевой механической передачи, насаженных на вал турбины по разные стороны от общей оси симметрии генератора и круговых траекторий движения его ротора и контрротора. В необходимых случаях (сверхнормативные скорости ветра и др. внештатные ситуации, ремонтно-восстановительные работы) независимое крепление к опорной мачте турбинной гондолы и генератора позволяет легко, в ручную или с помощью соответствующего механизма, опустить генератор вдоль мачты и вывести из зацепления ведущие и ведомые элементы торцевой передачи, тем самым обезопасив от разрушения самые ответственные и ценные генераторные узлы ветроагрегата.
На чертеже представлена конструктивная схема предлагаемого контрроторного ветроагрегата.
Контрроторный ветроагрегат содержит опорно-мачтовую конструкцию 1 с поворотным узлом 2 и установленной на вершине гондолой 3, в которой размещен горизонтальный вал 4 с насаженной на один из его выступающих за габариты гондолы концов вращающейся турбиной 5. Ниже на той же вертикальной мачте при помощи кронштейна 6, оснащенного втулкой 7, имеющей возможность перемещения вдоль мачты, в коаксиальном положении относительно указанной опоры подвешен генератор 8, содержащий вращающиеся в противоположных направлениях ротор 9 и контрротор 10. Узел механической торцевой передачи (преобразования) вращательного движения турбинного вала во встречное соосное вращение ротора и контрротора состоит из ведущих элементов 11 и 12, диаметрально разнесенных по разные стороны от общей оси вращения рабочих электромагнитных органов генератора, а также из соответствующих им ведомых элементов 13 и 14, относящихся к ротору и контрротору соответственно. Турбинный вал, ротор и контрротор вращаются в подшипниковых опорах 15.
Контрроторный ветроагрегат работает следующим образом. Под напором атмосферных потоков турбина 5 приходит во вращательное движение, которое через горизонтальный вал 4, его ведущие элементы 11 и 12 преобразуется посредством их торцевого сопряжения с ведомыми элементами 13 и 14 в противоположно направленные вращения ротора 9 и контрротора 10. При достижении ветром скоростей, принятых в качестве критических для целостности приоритетных компонентов генератора 8, данный узел ветроагрегата отсоединяется от гондолы 3 и посредством перемещающийся вдоль вертикальной опорной мачты 1 втулки 7 опускается вниз по направлению к фундаменту установки. При этом взаимодействующие пары 11 и 13, 12 и 14 механической торцевой передачи (преобразования) вращательного движения турбины 5 во встречное вращение ротора 9 и контрротора 10 выходят из зацепления. После того как скорость ветра возвращается к номинальному значению, генератор 8 поднимается вверх до полного рабочего сопряжения парных элементов 11 и 13, 12 и 14 и присоединяется к гондоле 3. Ветроагрегат возобновляет работу в оптимальном и безопасном режиме. То же вертикальное перемещение генератора 8 вниз осуществляется при необходимости ремонта и иного обслуживания оборудования, что обеспечивает удобство проникновения к механизмам, а также позволяет работать с генератором 8 раздельно от узла турбины 5, и наоборот.