ВЕТРОКОЛЕСО ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
WINDWHEEL OF WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH VERTICAL AXIS OF ROTATION

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам с вертикальной осью вращения, а именно к компоновке ветроколеса, и может быть использовано в возобновляемой энергетике.
Работа ветроколеса ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения основана на возникновении вращающего момента за счет действия набегающего потока воздуха на имеющие аэродинамический профиль лопасти. Благодаря высокому аэродинамическому качеству лопастей возникает подъемная сила ветроколеса, намного превышающая силу его сопротивления, что в итоге приводит к появлению вращающего ветроколесо момента.
Недостатком вертикально-осевых ветроколес является, как правило, наличие различных форм низкочастотных изгибных колебаний ветроколеса, вызываемых попеременным действием набегающего ветрового потока на лопасти ветроколеса. Вследствие жесткой связи, обычно с помощью силовых траверс, между кольцевой формы конструкциями, несущими лопасти ветроколеса, и расположенной в центре ступицей она колеблется вместе с ветроколесом. Изгибные колебания ступицы вызывают повышенные нагрузки на подшипниковые узлы, посредством которых ступица связана с закрепленным на мачте опорным основанием. Это приводит к повышенному износу подшипников и сокращению срока службы ветроэнергетической установки. Колебания опорного основания, переданные ему через ступицу от лопастной системы ветроколеса, возбуждают различные формы колебаний мачты. В результате, возникает угроза возникновения резонансов, могущих привести к разрушению ветроэнергетической установки. Появляется необходимость усложнения конструкции мачты и других элементов конструкции для отстройки от резонансных частот.
Целью настоящего изобретения является уменьшение влияния на ступицу ветроколеса, а через нее на подшипниковые узлы, опорное основание и мачту колебательной составляющей действующих на лопасти ветроколеса аэродинамических сил и моментов и обеспечение плавной сбалансированной работы ветроколеса при всех ветровых режимах.
Известно много изобретений ветроколес ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения. Иностранные изобретения WO 9601368 от 6.07.94, ЕР 679805 от 14.10.93, DE 4402778 от 27.01.94, US 4087202 от 2.05.1978, US 427809 от 23.06.1981, US 6974309 от 13.12.2005, Российские патенты №21226500 RU от 18.06.2001, №2188335 RU от 18.06.2002, №2136960 RU от 8.01.98, №2174190 от 19.05.2000, №2347104 от 12.05.2006.
Последнее Российское изобретение наиболее близко к настоящему по целям и способам их достижения и может являться прототипом для настоящего изобретения. Прототип представляет собой ветроколесо вертикально-осевой ветряной установки, содержащее ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально в плоскости, близкой к горизонтальной, отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к концам которых прикреплено силовое кольцо, к которому смонтированы вверх и вниз лопасти с образованием верхнего и нижнего ярусов, при этом лопасти верхнего яруса установлены со смещением относительно лопастей нижнего яруса на половину углового расстояния между лопастями в ярусе, верхние концы лопастей верхнего яруса и нижние концы лопастей нижнего яруса соединяются сплющенными кольцами, высота сечения которых составляет 0.5-0.65 от ширины их сечения, причем часть обтекателей, установленных на траверсах, выполнена в виде центробежных аэродинамических тормозов.
Основным недостатком прототипа являются изгибные колебания лопастной системы ветроколеса, вызываемые попеременным действием набегающего ветрового потока на лопасти верхнего и нижнего ярусов ветроколеса. Наличие силовых траверс между ступицей и силовым кольцом, несущим лопасти, вызывает соответствующие колебания ступицы, повышающие нагрузки на подшипниковые узлы, посредством которых ступица связана с закрепленным на мачте опорным основанием. Это приводит к повышенному износу подшипников и сокращению срока службы ветроэнергетической установки. Колебания опорного основания, переданные ему через ступицу от лопастной системы ветроколеса, возбуждают различные формы колебаний мачты. В результате, возникает угроза возникновения резонансов, могущих привести к разрушению ветроэнергетической установки. Появляется необходимость усложнения конструкции мачты для отстройки от резонансных частот.
Цель настоящего изобретения достигается тем, что ветроколесо ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения состоит из нескольких содержащих лопасти ярусов, связанных между собой несущими кольцевыми элементами, которые соединены со ступицей предварительно растянутыми тросами в качестве упругодемпфирующих элементов. Тросы являются менее жесткими элементами, чем обычно применяемые трубчатые или стержневые траверсы. Кроме того, тросы обладают способностью рассеивать энергию колебаний за счет трения отдельных прядей. Все тросы во время работы ветроколеса и стоянки остаются в растянутом состоянии. В предлагаемом изобретении тросы образуют одну или несколько периодических структур, в каждой из которых часть тросов, исходящих от вышеуказанных кольцевых элементов к ступице, имеет наклон по отношению к горизонту вверх, а оставшаяся часть имеет наклон вниз. При этом наклоны тросов к горизонту в разных периодических структурах различны, чтобы обеспечить разнесение тросов разных структур в пространстве. Для обеспечения устойчивости ветроколеса к крутильным колебаниям и одновременного их демпфирования продолжения линий половины тросов каждой периодической структуры проходят с одной стороны от оси вращения ветроколеса, а продолжения линий другой половины - с другой стороны от оси вращения.
Предлагаемое изобретение отличается тем, что уменьшается влияние на ступицу ветроколеса, а через нее на подшипниковые узлы, опорное основание и мачту колебательной составляющей действующих на лопасти ветроколеса аэродинамических сил и моментов и обеспечивается плавная сбалансированная работа ветроколеса при всех ветровых режимах. Эти эффекты обусловлены соединением несущих лопастную систему ветроколеса элементов со ступицей с помощью структуры из предварительно растянутых тросов.
Ниже подробно описана одна из реализации конструкции.
Фиг.1 иллюстрирует одну из возможных реализаций предлагаемого технического решения. Ветроколесо ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения состоит из двух содержащих лопасти ярусов 1 и 2. Ярусы связаны между собой несущим кольцевым элементом 3. Несущий кольцевой элемент 3, выполненный в данном случае из отрезков труб, соединен со ступицей 4 предварительно растянутыми тросами 5 и 6. Все тросы во время работы ветроколеса остаются в растянутом состоянии. В данной реализации тросы образуют две периодические структуры 7 и 8. Цифры 7 и 8 указывают здесь на третью часть каждой из структур. Часть тросов 5 имеет наклон к горизонту вверх по ходу от несущего элемента 3 к ступице 4, другая часть 6 имеет наклон вниз. Из фиг.1 видно, что тросы структуры 8 имеют меньший наклон к горизонту, чем тросы структуры 7. Рисунок также ясно показывает, что половина продолжений линий тросов проходит с одной стороны оси вращения ветроколеса, а другая половина продолжений линий тросов - с другой стороны оси вращения.