ЗОНТИЧНО-КАРКАСНЫЙ ВИНДРОТОР
UMBRELLA-TYPE CARCASS WIND ROTOR

Изобретение используется для получения промышленно значимых мощностей электроэнергии от возобновляемого природного источника - ветра, в условиях нестабильной аэродинамической среды.
Сущность технического решения состоит в применении крупногабаритной турбины с развитой боковой площадью, ортогонально-парусные элементы которой вынесены за пределы несущего каркаса зонтичной конструкции, стянуты горизонтальными ободами, фиксируемыми и опирающимися на ролики, относящиеся к колоннам упомянутого каркаса и установленные на пружинных рессорах. Вероятность неравномерного вращения турбины и ее вибраций по аэродинамическим причинам понижается оснащением траверс направляющими лопатками.
Настоящий виндротор относится к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) с вертикально расположенным турбинно-роторным валом и ортогонально-парусными элементами.
Практической ветроэнергетикой установлено, что ВЭУ указанного класса (виндроторы) более приспособлены к работе в условиях переменчивых по направлению и умеренных по силе ветров. Их турбины при меньшем лобовом сопротивлении более чувствительно воспринимают воздушный напор, не требуют ориентации на ветер, являются скоростными с частотой вращения 400-600 об/м, что позволяет напрямую передавать вращение от турбины непосредственно на ротор электрогенератора, без применения повышающих зубчатых передач и планетарных редукторов. Однако природа преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию такова, что для получения значимой мощности ветрогенератора его турбина должна ометать поверхность, как можно большей площади. По аналогичному показателю - боковой площади турбины, имея более низкие прочностные качества конструктивно-силовых схем, виндроторные установки многократно уступают горизонтально-роторным ВЭУ с пропеллерными турбинам, в силу чего не в состоянии развить мощности более 20-30 кВт.
Попытки решить указанную проблему заменой турбин Савониуса в их различных модификациях на ортогональные турбины не дает ожидаемой прибавки мощности до промышленных значений, поскольку уже незначительное увеличение размаха парусных элементов на консольных траверсах вызывает вибрационные явления с увеличивающейся амплитудой по мере возрастания частоты вращения турбины данного типа. Указанный недостаток имеет место вследствие неорганизованного, хаотичного вытеснения отработанного воздуха набегающими на ортогональную турбину потоками ветра с образованием вихрей и турбулентностей. Вращение турбин при этом имеет нестабильную частоту, непредсказуемую пульсацию и смену периодов ускорения и замедления, от чего страдает в конечном счете качество вырабатываемой электроэнергии.
Из развития техники известен роторный ветродвигатель (патент RU №2210000), устанавливаемый на местности с применением несущего каркаса из по меньшей мере трех вертикальных колонн вместо опорной мачты, что увеличивает устойчивость, жесткость и прочность конструкции. Его турбина со спирально-дуговыми лопастями относится в осевому типу, т.е. непосредственного прикреплена к оси вращения, и расположена внутри каркаса. Аналогично смонтирован ветродвигатель (патент RU №2283968), где усиление прочностных характеристик ортогональной турбины решено при помощи роликов на концах траверс, опирающихся на кольцевые элементы, которыми дополнены колонны несущего каркаса. В обоих случаях возможности достижения развитой боковой площади турбин, а следовательно, получения промышленной мощности от ветрогенератора, сдерживается габаритами несущего каркаса, а также в первом случае - осевым типом турбины, исключающим получение высокого крутящего момента на роторном валу, во втором - ошибочным отнесением усиливающих жесткость кольцевых элементов не к турбине, где они целесообразны, а напротив, к колоннам каркаса, где необходимость в них отсутствует. В ветроагрегате (заявка на изобретения от 22.02.2011 №2011106392) в основном решена проблема прочности и жесткости ортогонального виндротора с боковой площадью, достаточной для получения промышленно значимых мощностей, улучшены эксплуатационные показатели. Вместе с тем имеются ограничения по габаритам турбины, обусловленные размерами пролета между колоннами несущего каркаса.
В приведенных, как и в прочих известных, видроторах не предусмотрены меры против вибраций турбин, возникающих по аэродинамическим причинам. Вместо этого она усугубляется из-за размещения виндроторных турбин внутри несущих каркасов, колонны которых наводят дополнительные помехи, из-за чего парусные лопасти вращаются с еще более нестабильной частотой.
Целью изобретения является получение большей промышленной мощности от виндроторной ВЭУ, стабилизация частоты вращения и снижение вибрации ортогональной турбины.
Указанная цель достигается тем, что ортогонально-парусные элементы размещены снаружи несущего каркаса, что обеспечивается его зонтичной конструкцией, образованной вертикально-осевым, горизонтально-радиальным и отвесно-коаксиальным относительно оси симметрии каркаса участками по меньшей мере четырех (оптимально шести) колонн; траверсы дополнены лопатками, создающими поднимающийся вверх воздушный поток; опорно-роликовые соединения ортогонально-парусных элементов с колоннами несущего каркаса усилены наличием на них роликов, прижимающих ободы турбины сверху. Все опорные и фиксирующие ортогональную турбину узлы, на которые передается вращение турбины, оснащены пружинными рессорами.
На фиг.1 представлен общий вид зонтично-каркасного виндротора; на фиг.2 - вид сверху на тот же виндротор (турбина условно не показана).
Виндротор содержит несущий каркас, образующий зонтичную конструкцию из колонн, имеющих вертикально-осевые 1, горизонтально-радиальные 2 и отвесно-коаксиальные 3 участки. Наверху вертикально-осевого участка колонн установлен генератор 4, от роторного вала 5 которого отходят траверсы 6 с лопатками 7 и отвесно подвешенными на их концах ортогонально-парусными элементами 8. Данные элементы стянуты ободами 9, опирающимися на ролики 10 и прижатые сверху роликами 11. Узлы установки опорных и прижимных роликов на отвесно-коаксиальном участке колонн несущего каркаса оснащены пружинными рессорами 12. При необходимости жесткость несущего каркаса может быть усилена стержневыми спицами 13.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Под напором ветра на ортогонально-парусные элементы 8 начинается вращение турбинного узла ВЭУ, которое через траверсы 6 предается на вертикальный роторный вал 5. В статоре генератора 4 начинает вырабатываться электрический ток далее через коллектор, аккумуляторную батарею и инвертор, поступающий к потребителям.
За счет большой боковой площади виндроторной турбины, достигаемой размещением ортогонально-парусных элементов 8 снаружи несущего каркаса, ветрогенератор вырабатывает промышленно значимую мощность. Прочность и жесткость конструкции при крупных габаритах ее вращающихся аэродинамических частей обеспечивается стягивающими ободами 9, их опорой на несущий каркас на отвесно-коаксиальном участке колонн 3 через ролики 10 и фиксацией дополнительными прижимными роликами 11. Последние узлы, а также пружинные рессоры 12 необходимы, поскольку при больших диаметрах ободов 9 невозможно достигнуть их идеальных геометрических параметров, всегда существует некоторая овальность и отклонения в горизонтальной плоскости.
Оснащение траверс 6 лопатками 7, при вращении создающими поднимающийся воздушный поток, позволяет организованно и в оптимальном направлении, а именно вертикально вверх, выводить из объема и окружающего ортогональную турбину пространства отработанные массы воздуха, снизив тем самым нестабильность вращения ортогональной турбины и вероятность вибраций элементов конструкции, подверженных данному явлению по аэродинамическим причинам.
Зонтичный каркас виндротора позволяет использовать турбины, в которых большой крутящий момент создается за счет значительного диаметра окружности, описываемой ортогонально-парусными элементами. В тех же устройствах, где эта задача обеспечивается высотой турбины, из-за разницы в скоростях ветра нижних и верхних слоев воздуха наблюдаются дополнительные напряжения конструкции.
Главным фактором, сдерживающим развитие ветроэнергетики, является высокая себестоимость получаемого из возобновляемого источника электричества порядка 30-50 руб. против 3-4 руб. за 1 кВт час от сетевого поставщика. Только создание ВЭУ большой промышленной производительности позволит сделать ветроустановки рентабельными. Это однако не значит, что иными факторами, составляющими цену электроэнергии от вертикально-роторных ВЭУ можно пренебречь, в т.ч. затратами на аренду земли под сооружение крупногабаритных установок. Данная слагаемая цены в предлагаемом автономном зонтично-каркасном виндроторе ввиду меньшей площади фундамента ниже, чем у его упомянутых прототипов. В целях безопасности вокруг ВЭУ создаются зоны отчуждения. Имея более надежную конструктивно-силовую схему зонтично-каркасный виндротор не требует под это столь значительных по площади земельных участков, как промышленные горизонтально-роторные установки с пропеллерными турбинами и особенно состоящие из них ветропарки.