ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МАШИНА С ПРОТИВОНАПОРНЫМ ЭКРАНОМ
WIND-DRIVEN MACHINE WITH COUNTER-FORCING SCREEN

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к ветроэнергетическим машинам.
Аналогом заявляемого изобретения является изобретение того же назначения - ветроэнергетическая машина, содержащая реактивную турбину, установленную на валу, опертом на подшипники, жестко связанные с платформой, генератор электрического тока, кинематически связанный с турбиной, и устройство управления внешней нагрузкой на генератор по закону изменения аэродинамической нагрузки на турбину.
Библиографические данные источника информации - патент на изобретение №2297549 «Способ максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразование ее в электрическую энергию и устройство для его осуществления».
Патентообладатели и авторы: Алатин Павел Дмитриевич (RU), Дигоран Ирина Павловна (RU).
В указанном аналоге турбина выполнена осевой, т.е. имеет меньшую механическую проводимость по сравнению с радиальной, что препятствует получению технического результата - максимальному извлечению кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока в области высоких частот в приземном слое атмосферы.
Отличиями являются:
- в осевой реактивной турбине разность давлений на входе в реактивные сопла создается скоростным напором потока на площадь турбины, а давление на выходе из сопла равно донному давлению при обтекании потоком тела турбины;
- в радиальной ветротурбине, размещенной перед противонапорным экраном, давление на входе в реактивные сопла создается также скоростным напором потока, но в отличие от осевой турбины, давление на выходе из реактивных сопел создается в соответствии с законом Бернулли за счет сужения струи воздуха, обтекающей турбину с ее боков. В последнем случае разность давлений имеет большую величину по сравнению с разностью давлений в осевой турбине. Кроме того, в осевой турбине реактивные сопла расположены на радиусах и под углом к плоскости турбины, что не обеспечивает максимальный вращающий момент реактивных сил на валу турбины;
- в радиальной реактивной турбине, размещенной перед противонапорным экраном, реактивные сопла расположены на максимальном расстоянии от оси вала турбины и перпендикулярно к плоскости вращения турбины. Поэтому при тех же величинах тяги в реактивных соплах реактивной турбины обеспечивается значительно больший вращающий момент при той же скорости ветра, по сравнению с осевой турбиной того же диаметра и достигается большее значение коэффициента полезного действия;
- изготовление парусов радиальной реактивной турбины проще, чем в осевой реактивной турбине, поскольку они имеют форму прямоугольника;
- в радиальной реактивной турбине, размещенной перед противонапорным экраном, устранены осевые нагрузки на вал турбины и, соответственно, на подшипники, на которые опирается вал турбины, так как осевые нагрузки на турбину при воздействии напора ветра с ростом мощности потока и, соответственно, турбины, могут быть очень значительными величинами, то снятие этих нагрузок с подшипников значительно уменьшает потери энергии на трение в подшипниках (особенно в упорном подшипнике), и, оставляя лишь радиальные нагрузки на подшипники, значительно увеличивает срок их службы. Это, в свою очередь, уменьшает затраты на изготовление ветроэнергетических машин и затраты на эксплуатацию и ремонт;
- в радиальной реактивной турбине использование противонапорного экрана позволяет изготовить реактивную радиальную предельнонапорную ветротурбину минимальноинерционной, так как она не имеет довольно массивного диска, решение задачи сопротивления напору ветра возложено на противонапорный экран. Это дает возможность изготавливать турбину с минимальным моментом инерции, что, в свою очередь, делает возможным поглощать энергию высокочастотных вихрей, т.е. расширяет диапазон частот турбулизированного воздушного потока для эффективного преобразования его кинетической энергии в механическую энергию турбины с последующим преобразованием ее в электрическую энергию в генераторе.
Указанный результат - максимальное извлечение кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока в области высоких частот в приземном слое атмосферы достигается тем, что ветроэнергетическая машина с противонапорным экраном для максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразования ее в электрическую энергию, в которой обеспечивают торможение воздушного потока, реализуют потенциал напора воздуха в кинетическую энергию струй и приводят во вращение ротор электрогенератора, снабженного устройством управления внешней нагрузкой на генератор по закону изменения аэродинамической нагрузки на радиальную реактивную предельнонапорную турбину, с совершением работы по преобразованию энергии воздушного потока в электрическую энергию, характеризующаяся тем, что отбор кинетической энергии потока воздуха осуществляют реактивной радиальной предельнонапорной с высокой механической проводимостью турбиной, размещенной перед противонапорным экраном, выполненной в виде ступицы, двенадцати спиц, на концах которых укреплены двадцать четыре прямые свободно несущие реи, двенадцати парусов, натянутых на соседние реи внутреннего и внешнего контуров, образованных реями, бандажа постоянной ширины, противонапорного экрана, состоящего из противонапорного диска с отверстием в центре, позволяющим надевать его на конец несущей платформы. Диск жестко закреплен на двух консолях, которые, в свою очередь, закреплены на кронштейнах. Кронштейны имеют прорези, позволяющие с помощью шпилек и гаек крепить их к несущей платформе. Имеющиеся на концах кронштейнов горизонтальные прорези под шпильки позволяют противонапорный экран перемещать вдоль оси вала турбины и тем самым устанавливать минимальный зазор между противонапорным экраном и турбиной. Торможение потока осуществляют по всему поперечному сечению турбины (посредством противонапорного экрана), установленной на валу, опертом на подшипники, жестко связанные с поворотной платформой, а в качестве электрогенератора используют малоинерционный, осевой, синхронный, многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением, кинематически связанный с турбиной через шкив ременной передачей, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор представляет собой включатель-выключатель системы - центробежный регулятор включения, кинематически связанный с валом турбины и электрически связанный с генератором, поворотная платформа жестко связана с вертикальной опорой, в основании опертой на вертикальный шарнир, вверху вертикальная опора находится внутри шайбы, опертой на подшипник, жестко связанный с опорой, к шайбе прикреплены четыре растяжки, обеспечивающие фиксацию ветроэнергетической машины с противонапорным экраном в вертикальном положении, причем нижние концы растяжек прикреплены к сваям. Платформа выполнена с возможностью нацеливания на ветер поворотом всей платформы вместе с жестко связанной с ней опорой, имеющей в основании вертикальные и горизонтальные шарниры, поворот опоры осуществляется посредством рычага, шарнирно укрепленного в основании опоры, и фиксируется путем опускания рычага его прорезью на один из фиксаторов, установленных на равных углах и радиусах вокруг опоры. Генератор электрического тока установлен на поворотной платформе. Установка ветроэнергетической машины в вертикальное положение и обратно в горизонтальное осуществляется путем поворота ее относительно горизонтального шарнира в основании опоры. Опускание и подъем ветроэнергетической машины производятся в плоскости розы ветров путем освобождения проушины главной растяжки от крепления на свае. Перед подъемом или опусканием ветроэнергетической машины необходимо рычаг поворота опоры установить перпендикулярно к плоскости вращения вокруг горизонтального шарнира опоры. Опускание ветроэнергетической машины возможно либо турбиной вниз, либо генератором вниз. Приведение турбины в рабочее положение осуществляется поворотом на ветер, вывод турбины из рабочего положения осуществляется поворотом турбины в противоположную сторону, т.е. по ветру.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где:
Фиг.1 - схема ветроэнергетической машины с противонапорным экраном, вид спереди;
Фиг.2 - схема ветроэнергетической машины с противонапорным экраном, вид сбоку;
Фиг.3 - генератор электрического тока в разрезе;
Фиг.4 - ротор генератора электрического тока в разрезе;
Фиг.5 - блок-схема электрооборудования ветроэнергетической машины с противонапорным экраном.
Для пояснения сущности изобретения приложены фотографии ветроэнергетической машины с противонапорным экраном.
Ветроэнергетическая машина с противонапорным экраном содержит реактивную радиальную предельнонапорную с высокой механической проводимостью турбину с бандажом 1, с валом 2, опертом на подшипники 3, жестко связанные с поворотной платформой 4, турбина выполнена в виде ступицы 5, двенадцати спиц 6, на концах которых укреплены двадцать четыре прямые свободно несущие реи 7, двенадцати парусов 8, натянутых на соседние реи внутреннего и внешнего контуров, образованных реями (образуют реактивные поверхности, пространство между смежными парусами образуют реактивные сопла турбины, ограниченные с одной стороны противонапорным экраном, а с другой - бандажом 38), генератор электрического тока 9, кинематически связанный с турбиной, с валом 10, подшипниками 11, неподвижными опорными дисками статора 12, дисками ротора 13, катушками статора с кольцевыми магнитопроводами 14, катушками ротора с магнитопроводами 15, приводным шкивом 16, реле-регулятор напряжения электрического тока 17, буферный электрохимический аккумулятор электрического тока 18, включатель-выключатель системы - центробежный регулятор включения 19, потенциометр 20 для управления тиристором, тиристор 21 в цепи аппарата О.Шмидта 22, газгольдер для водорода 23, газгольдер для кислорода 24, инвертор 25 для преобразования постоянного напряжения с аккумулятора 18 в переменное (220 В 50 Гц). Генератор электрического тока выполнен малоинерционным, осевым, синхронным и многополюсным с внешним возбуждением, установлен на поворотной платформе 4, кинематически связанный с турбиной через шкив ременной передачей 26, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор представляет собой центробежный регулятор, кинематически связанный с валом турбины и электрически связанный с генератором, поворотная платформа 4, жестко связанная с вертикальной опорой 27, в основании опертой на вертикальный шарнир 28, опертый на подшипник, вверху вертикальная опора находится внутри шайбы 29, опертой на подшипник, жестко связанной с опорой, к шайбе прикреплены четыре растяжки 30, которые обеспечивают фиксацию ветроэнергетической машины в вертикальном положении, причем нижние концы растяжек прикреплены к сваям 31. Растяжки соединены одним концом через проушину с опорной шайбой, а вторым концом через винтовой натяжитель, серьгу и проушину со сваей. Главная растяжка, устанавливаемая в направлении розы ветров на наветренную сторону, усилена двумя дополнительными растяжками, предотвращающими клинение шайбы 29 при повороте опоры. Эти дополнительные растяжки соединены своими концами с проушинами соседних растяжек. На шайбе расположены два рокера 32 с прижимными пружинами, обеспечивающими электрический контакт с подвижными токопроводящими кольцами 33, укрепленными на опоре выше шайбы, токопроводящие кольца электрически соединены: верхнее кольцо с центробежным регулятором внешней нагрузки на турбину и верхним рокером, который соединен с плюсовой клеммой аккумулятора; нижнее токопроводящее кольцо электрически соединено с плюсовой клеммой генератора и, через рокер, с внешней нагрузкой на генератор, минус генератора и минус реле-регулятора напряжения соединены на массу и через клемму на опорной шайбе соединены с отрицательной клеммой аккумулятора 18. Центробежный регулятор внешней нагрузки на турбину на массу не подключен и электрически соединен клеммой прерывателя с положительной клеммой аккумулятора, а изолированным от массы корпусом - с положительной клеммой реле регулятора напряжения и положительной клеммой генератора, обмотка возбуждения генератора соединена с соответствующей клеммой реле регулятора напряжения, защита электрической цепи производится с помощью плавких предохранителей, один из которых расположен в цепи положительной клеммы аккумулятора-прерывателя центробежного регулятора, второй предохранитель - в цепи внешней нагрузки на генератор. Воздушный поток внутри турбины воспринимается противонапорным экраном 34, состоящим из противонапорного диска с отверстием в центре, позволяющим надевать его на конец несущей платформы. Диск жестко закреплен на двух консолях 35, которые, в свою очередь, закреплены на кронштейнах 36. Кронштейны имеют прорези, позволяющие с помощью шпилек и гаек крепить их к несущей платформе. Имеющиеся на концах кронштейнов горизонтальные прорези под шпильки позволяют противонапорный экран перемещать вдоль оси вала турбины и тем самым устанавливать минимальный зазор между противонапорным экраном и турбиной. Поворот опоры 27 осуществляется посредством рычага 37, шарнирно укрепленного в основании опоры, и фиксируется путем опускания рычага его прорезью на один из фиксаторов, установленных на равных углах и радиусах вокруг опоры.
Работает ветроэнергетическая машина противонапорным экраном следующим образом.
Ветроэнергетическую машину устанавливают на некотором возвышении, ветротурбину устанавливают перпендикулярно вектору скорости ветра, в соответствии с розой ветров.
1. Ветер отсутствует. Центробежный регулятор соответствует положению отключения аккумулятора. Турбина неподвижна. Электрогенератор отключен. Потребитель электроэнергию может отбирать только от аккумулятора.
2. Ветер начинает набирать силу. Поток попадает на турбину, протекая сквозь сопла, раскручивает ее. Ветротурбина начинает авторотировать до того момента, когда под действием центробежных сил грузики центробежного регулятора расходятся и замыкаются контакты включения цепи аккумулятора. Внешняя нагрузка на генератор устанавливается при этом в соответствии с мощностью, вырабатываемой турбиной. По мере нарастания мощности ветротурбины увеличивается угловая скорость как турбины, так и центробежного регулятора. За счет этого происходит увеличение открывающего тиристор напряжения на потенциометре, а значит, увеличение тока в цепи генератор-тиристор-аппарат О. Шмидта. При этом падение напряжения на клеммах генератора восстанавливается реле-регулятором напряжения за счет увеличения тока в обмотках возбуждения генератора, тем самым увеличивается мощность, снимаемая с генератора, т.е. внешняя нагрузка на генератор.
3. При уменьшении скорости ветра мощность турбины падает и в электрогенераторе происходит процесс, обратный вышеописанному, т.е. падает угловая скорость турбины и, соответственно, центробежного регулятора. Центробежный регулятор уменьшает электрический ток в цепи внешней нагрузки на генератор. Реле-регулятор напряжения, соответственно, уменьшает ток возбуждения в катушках возбуждения генератора. Генератор начинает развивать меньшую мощность, что ведет к уменьшению нагрузки на турбину.
Это позволяет турбине работать с оптимальным значением коэффициента скольжения на всех режимах, т.е. иметь максимальный коэффициент полезного действия, и, значит, иметь максимальный отбор кинетической энергии турбулизированного воздушного потока.
Центробежный реле-регулятор имеет переключатель, связанный с ним механически, потенциометр, кинематически связанный с центробежным регулятором для управления напряжением, подаваемым на коллектор тиристора для его открывания и закрывания, т.е. для управления током, протекающим через тиристор в цепи внешней нагрузки на генератор.
x
х
Основные преимущества изобретения заключаются в том, что турбина и генератор выполнены малоинерционными, а турбина является также предельнонапорной (т.е. C=f(v)=max=const, где С - коэффициент аэродинамического сопротивления турбины, v - мгновенная скорость ветра), с высокой механической проводимостью, что позволяет ей эффективно работать как в установившемся, так и в турбулентном потоке. В радиальной реактивной турбине использование противонапорного экрана позволяет изготовить реактивную радиальную предельнонапорную ветротурбину минимальноинерционной, так как она не имеет довольно массивного диска, решение задачи сопротивления напору ветра возложено на противонапорный экран. Отношение суммарной площади всех сопел к площади диска турбины составляет 0,20-0,25, что обеспечивает максимальную скорость истечения воздуха через сопла и при коэффициенте дрейфа 0,35-0,40 обеспечивает максимальный коэффициент полезного действия ветроэнергетической машины.