ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С МНОГОСТУПЕНЧАТЫМ РОТОРОМ
WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH MULTISTAGE ROTOR

Изобретение относится к области альтернативной энергетики с использованием возобновляемых источников энергии..
Известна «Установка преобразования энергии потока среды», патент RU 2381379 C1. Здесь преобразование энергии потока среды в электрическую энергию осуществляется турбинами с первым и вторым электрогенераторами. Недостаток данной установки заключается в следующем, что при желании получить большую мощность необходимо увеличить диаметр трубы, где расположены турбины, но т.к. это выполнено совместно с генераторами, то необходимо соблюдать жесткость установки, что в конечном счете приведет к большому весу ее, что явиться препятствием ее использовании как ВЭУ с повышенной мощностью. Наиболее близким прототипом к заявляемому типу ВЭУ относится «Ветроэлектрическая аккумулирующая установка» по SU 1332070 A1, F03D 9/02, 23.08.1987 (1), содержащая наибольшее количество сходных признаков - ротор, промежуточный редуктор, гидравлическую систему, гидронасос, гидравлический мотор, регулятор оборотов гидравлического мотора и генератор электрического тока. Недостатком ее является сложная конструкция приводного устройства, а следовательно и уменьшения в нем крутящего момента за счет большого количества передач, что уменьшает к. п.д. этого устройства.
При создании мощных ВЭУ стремятся увеличить для этого диаметр ротора, при этом увеличивается и длина лопастей, возникает необходимость их геометрической крутке, при этом изменяется профиль по длине, все это необходимо, но КПД лопастей все равно является недостаточным. Другая проблема, (например, как в ветроэлектрической аккумулирующей установке по SU 1332070 А1) это поддержании постоянных оборотов генератора вне зависимости от оборотов ротора. Эту задачу можно решить за счет применения гидравлического мотора с регулятором постоянных оборотов.
В основу изобретения заложен принцип разбивки ротора на ступени (см. фиг.1 поз.8, 9, 10), с целью увеличения его КПД и соответственно мощности ВЭУ при том же диаметре ротора. В ВЭУ основным элементом, преобразующим кинетическую энергию набегающего потока воздуха, является лопасть. Задача лопасти преобразовать эту энергию в крутящий момент, с последующей передачей к потребителю (генератору). Лопасть вращается вокруг оси вращения. При одинаковом углу атаки (шаге) по всей длине каждый участок лопасти (при dx→0) должен вращаться вокруг оси вращения с одной и той же окружной скоростью и разными угловыми скоростями при воздействии воздушного потока воздуха, но получается наоборот, окружная скорость разная, а угловая - одинаковая. Возникает противоречие, т.к. лопасть цельная, в чем и заключается недостаток лопасти как преобразователя. Т.о. часть кинетической энергии набегающего потока воздуха не преобразовывается в крутящий момент, что уменьшает ее КПД. Поставленная задача решается тем, что ротор разбивается на ступени по диаметру. Каждая ступень ротора передает свой крутящий момент через свой коаксиальный вал на промежуточный редуктор через муфту свободного хода (см. фиг.4, поз.6). Муфта обеспечивает независимость работы ступеней друг от друга, т.е. исключает жесткую связь между ними. Промежуточный редуктор суммирует крутящие моменты ступеней и передает их на гидронасосы, которые при работе ВЭУ создают давление жидкости в гидравлической системе. Под действием давления жидкости в работу вступают гидромоторы.
За основу конструкции гидромотора взят гидронасос НП34М-ГТ (см. самолет С32М2, книга 1, часть 3, М., Машиностроение, 1983, с.86). Поставленная задача осуществляется цилиндром регулятора постоянных оборотов 41, который изменяет угол наклона блока цилиндров, тем самым изменяя ход поршней, при увеличении давления жидкости в гидравлической системе, увеличивается ход поршней, при уменьшении давления - уменьшается ход поршней, т.е. частота возвратно поступательных движений поршней остается постоянной. От частоты этих движений зависят обороты выходного вала гидромотора. Этот цилиндр введен вместо регулятора производительности гидронасоса НП34М-ГТ, который состоит из цилиндра 41, поршня 42 со штоком и тарированной пружины 43. Здесь тарированная пружина является датчиком, реагирующим на изменение давления жидкости в гидросистеме.
На фиг.1 в качестве примера показан общий вид ВЭУ с 3-ступенчатым ротором: 1 - башня; 2 - ротор ВЭУ; 3 - цех с энергоблоками; 4 - лопасть; 5 - гондола; 6 - 3-я ступень ротора; 7 - 2-я ступень ротора; 8-1-ая ступень ротора; 9- коаксиальные валы; 10 - втулки; 11 - ось; 12 - расчалки.
На фиг.2 показан общий вид ступени ротора: 4 - лопасть; 9 - коаксиальный вал; 13 - лонжерон ступени; 14 - ступица; 15 - обод; 16 - спица; 17 - проушина обода.
На фигурах 3а,б показан общий вид лопасти; 18 - цапфа лонжерона; 19 - рычаг; 20 - ось лонжерона; S1 и S2 - площади, делящие условно поверхность лопасти по оси лонжерона.
На фиг.4 показана принципиальная схема промежуточного редуктора: 9 - коаксиальные валы; 21 - шестерни телескопических валов; 22 - промежуточный вал; 23 - шестерни промежуточного вала; 24 - муфты свободного хода; 25 - гидравлические насосы.
На фиг.5 показана принципиальная схема гидравлической системы ВЭУ: 25 - нерегулируемый гидравлический насос; 26 - сепаратор; 27 - гидравлический бак; 28 - теплообменник; 29 - предохранительный клапан; 30 - гидравлический мотор с регулятором постоянных оборотов; 31 - штуцер заправки гидравлической системы; 32 - датчик давления жидкости; 33 - датчик секундного расхода жидкости; 34 - гидравлический аккумулятор; 35 - фильтр; 36 - обратный клапан. Черные трубопроводы - линия нагнетания, светлые - слив, светлые с черными полосами - линия всасывания.
На фигурах 6а, 6б, 6в показан общий вид гидравлического мотора с регулятором постоянных оборотов: 37 - корпус; 38, 39, 40, 45, 51-подшипники; 41 - цилиндр регулятора постоянных оборотов; 42 - поршень регулятора со штоком; 43 - тарированная пружина регулятора; 44 - золотник в виде круга с двумя дугообразными отверстиями; 46 - блок цилиндров; 47 - поршень блока цилиндров; 48- шток поршня блока цилиндров; 49 - карданный вал; 50 - выходной вал; 52 - штуцер слива жидкости; 53 - люлька; 54 - штуцер подвода жидкости под давлением. Цилиндр 41, поршень 42 со штоком и тарированная пружина 43 образуют регулятор постоянных оборотов.
На фиг.7 показан общий вид гидравлического переходника: 55 - корпус в виде цилиндра со штуцерами нагнетания и слива; 56 - распорная втулка; 57 - букса с пакетом уплотнений в виде кольца с двумя штуцерами слива; 58, 63 - гайки; 59 - букса с пакетом уплотнений линии высокого давления жидкости; 60 - хомут; 61 - штуцер высокого давления жидкости; 62 - символ неподвижности.
На фиг.8 показана многоступенчатая ось.
На фиг.9 показана втулка с проушинами.
На фиг.10 показан общий вид энергоблока: 30 - гидромотор с регуляторами постоянных оборотов; 64 - редуктор; 65 - генератор.
Изобретение осуществляется следующим образом. На фиг.1 показан общий вид ВЭУ. В цехе 3 размещаются энергоблоки (фиг.10), агрегаты гидросистемы (фиг.5): предохранительный клапан 29, фильтры 35, теплообменник 28, гидроаккумулятор 34, датчик давления жидкости 32, датчик секундного расхода жидкости 33, трубопроводы с обратными клапанами 36, штуцер заправки гидросистемы 31. В башне 1 проходят трубопроводы и электропроводка. В месте соединения гондолы 5 с башней 1 строго по оси вращения гондолы устанавливается гидравлический переходник (фиг.7), который обеспечивает шарнирное соединение между трубопроводами гидросистемы, находящимися в башне и гондоле. При повороте гондолы поворачивается корпус 55 переходника. Остальные части переходника будут неподвижны, т.к. связаны с агрегатами гидросистемы, находящимися в башне. Герметичность обеспечивается буксами с пакетами уплотнений. Хомут 60 повышает жесткость штуцеров. В гондоле 5 (фиг.1) установлены коаксиальные валы 9, промежуточный редуктор (фиг.4), гидронасосы 25 (фиг.5), гидробак 27, сепаратор 26, трубопроводы и обратные клапана 36. Ротор 2 (фиг.1) в данном случае состоит из 1-й ступени 8, 2-й ступени 7 и 3-й ступени 6. Каждая ступень (фиг.2) своими проушинами 17 на ободе 15 через расчалки 12 (фиг.1) связана с втулками 10, установленными на многоступенчатой оси 11. Ось показана на фиг.8, втулка - на фиг.9. Ось установлена в глухое отверстие коаксиального вала 1-й ступени ротора, находящегося по оси вращения вала. Ось воспринимает усилия, действующие на ступень от ветровой нагрузки, т.о. образом лонжероны 13 ступени (фиг.2) разгружаются от изгибающего момента. Это обеспечивает прочность ступени при минимальном весе. Ступень ротора выполнена в виде колеса. Через лонжероны 13 ступень соединена с коаксиальным валом валом 9. Спицы 16 позволяют устанавливать лопасти 4 шарнирно между ступицей 14 и ободом 15 ступени. Для жесткости обода и ступицы ступени применяется специальный профиль, например такой, как на разрезе А-А и Б-Б. 1-я ступень не имеет лонжеронов, ступица 14 непосредственно связана с коаксиальным валом 9. Лопасти 4 ступени (фиг 3а, 3б) своими рычагами 19 через тяги связаны друг с другом. Это позволяет изменять шаг лопастей или их флюгирование. Поворот лопастей осуществляется электродвигателем через червячный редуктор, который является тормозом при обесточенном электродвигателе. Электродвигатель и червячный редуктор на фигуре не показаны. Поверхность лопасти по оси лонжерона условно делится на две части: S1 и S2. Для того чтобы исключить аэродинамический момент на лопасть от ветровой нагрузки, необходимо, чтобы S1 была равна S2. Многоугольная лопасть (фиг.3а) устанавливается в 1-й ступени, чтобы эффективнее использовать ометаемую площадь ступени. Ввиду небольшой длины лопасти геометрической круткой можно пренебречь. Промежуточный редуктор (фиг.4) суммирует крутящие моменты от коаксиальных валов 9 ступеней и передает их на гидронасосы 25. Шестерни 21 коаксиальных валов 9, через шестерни 23 и муфты свободного хода 24 связаны с промежуточным валом 22. Муфты свободного хода 24 обеспечивают независимость работы ступеней друг от друга, т.е. выполняется условие разбивки ротора на ступени. Гидравлическая система преобразует крутящий момент в энергию давления жидкости, с последующим преобразованием ее в крутящий момент с постоянными оборотами на валах 50 гидромоторов. Гидравлический мотор (фиг.6а, б, в) имеет цилиндр 41 регулятора постоянных оборотов. Поршень 42 этого цилиндра своим штоком связан с люлькой 53, в которой находится блок цилиндров 46. Угол наклона оси вращения, блока цилиндров относительно оси вращения выходного вала 50 может изменяться от «А мин.» до «А макс.» и наоборот. При отсутствии давления жидкости в гидравлической системе, или при малом давлении, люлька 53 с блоком цилиндров 46 под действием тарированной пружины 43 регулятора будет удерживаться на минимальном углу «А мин». Часть поршневых камер блока цилиндров через дугообразное отверстие золотника 44, через каналы в люльке и штуцер 52 будет связана с линией слива. Другая часть поршневых камер через другое отверстие золотника и штуцер 54 будет связана с линией нагнетания. При воздействии ветровой нагрузки на ротор 2 ВЭУ (фиг.1) ступени ротора будут вращаться. Крутящие моменты от ступеней через коаксиальные валы 9 будут передаваться через шестерни 21 и 23 (фиг.4), муфты свободного хода 24 на промежуточный вал 22 промежуточного редуктора, где они суммируются. При этом каждая ступень будет самостоятельно как бы «подталкивать» промежуточный вал редуктора. Это обеспечивается муфтами свободного хода. Например, если первая ступень ротора 8 выполнит три оборота, вторая ступень 7 - два оборота, а третья ступень 6 выполнит всего один оборот. Все это позволяет разбивка ротора на ступени, это при том, что ступени не имеют жесткой связи между собой, это основное условие изобретения. От промежуточного редуктора момент крутящий будет передаваться на гидронасосы 25 (фиг.5). При этом жидкость из гидробака 27 будет поступать на вход в гидронасосы 25. Из гидронасосов жидкость под давлением через обратные клапана 36 поступает через фильтр 35 к предохранительному клапану 29, к гидроаккумулятору 34, к датчику секундного расхода жидкости 33, к датчику давления жидкости 32 и к гидромоторам с регуляторами постоянных оборотов 30. Из гидромоторов 30 жидкость через обратные клапана, фильтр и теплообменник 28 сливается в гидробак. Заправка гидросистемы осуществляется через штуцер 31. Воздух из системы стравливается в атмосферу через сепаратор 26. Датчики 33 и32, в зависимости от давления жидкости и ее расхода, будут подавать команду на подачу жидкости под давлением или ее прекращения к гидромоторам 30 дополнительного энергоблока (фиг.10). Т.е., дополнительный энергоблок будет включаться в работу или отключаться. Количество энергоблоков по суммарной мощности должны соответствовать общей мощности ВЭУ. Т.к. мощность ВЭУ будет изменяться в зависимости от скорости ветра, возникает необходимость изменять количество энергоблоков включенных в работу. При необходимости лопасти ступеней можно зафлюгировать, или лопасти одной из ступеней, остальные будут работать. Зафлюгированная ступень будет неподвижна, благодаря своей муфте свободного хода. При подаче жидкости под давлением через штуцер 54 в корпусе 37 гидромотора (фиг.6а, б, в), через каналы в люльке 53, через одно из дугообразных отверстий золотника 44 она поступает в часть поршневых камер блока цилиндров. Другая часть поршневых камер, через второе отверстие золотника и штуцер 52 будет связана со сливом в гидробак 27 (фиг.5). При малом давления жидкости в системе люлька 53 с блоком цилиндров 46 под действием пружины 43 регулятора будет удерживаться на минимальном углу «А мин». Поршни 47 блока цилиндров будут совершать возвратно-поступательные движения, их ход будет минимальный. Когда поршни 47 под действием давления жидкости выдвигаются из блока цилиндров, то усилие от этого давления через поршни 47 и штоки 48 передается на фланец вала 50. Поскольку ось блока цилиндров составляет некоторый угол с осью вала, тангенциальные составляющие от этого давления жидкости создают крутящий момент, приводящий во вращение вал 50 гидромотора. Вал 50 через карданный вал 49 приводит во вращение блок цилиндров, который поочередно сообщает поршневые камеры через золотник 44 то с линией нагнетания, то со сливом. Одновременно жидкость под давлением подводиться в цилиндр регулятора 41. Пружинная полость этого цилиндра связана со сливом в гидробак. При увеличении давления жидкости в гидравлической системе, оно будет действовать на поршень 42, который перемещаясь, будет сжимать пружину 43. Одновременно поршень 42 через свой шток будет поворачивать люльку 53 на подшипнике 51. При этом будет увеличиваться угол наклона оси блока цилиндров 46 относительно оси вала 50. Ход поршней 47 в блоке цилиндров 46 будет увеличиваться, частота возвратно-поступательных движений поршней будет оставаться постоянной, значит, и обороты вала 50 будут оставаться постоянными, момент крутящий будет увеличиваться. При уменьшении давления жидкости пружина 43 будет перемещать поршень 42, а тот через свой шток будет поворачивать люльку 53. Угол наклона блока цилиндров 46 будет уменьшаться, ход поршней 47 уменьшается, частота движений поршней остается прежней, обороты вала 50 остаются постоянными.
Например, ВЭУ с ротором диаметром 15 м, имеющим 3 ступени (см. фиг.1). Диаметр первой ступени будет равен 5 м, второй ступени 10 м, третьей 15 м. Длина лопасти в ступени равна 2,5 м, ширина 0,5 м. Длина окружности ступицы (фиг.2) второй ступени равна 15,7 м, третьей ступени 31,4 м. Интервал установки лопастей 1 м. Первая ступень будет иметь 3 лопасти, вторая ступень 15 лопастей и третья 31 лопасть, всего 49 лопастей. Общая длина лопастей - 121,5 м, площадь лопастей 61,25 м.кв. Ометаемая площадь ротора равна 176,625 кв.м. Коэффициент использования энергии ветра 61,25:176,625=0,346. Хотя здесь и не совсем подходит уравнение Бернулли, но т.к. воздух несжимаем, скорость ветра, проходящего через ротор, возрастет не на 34%, но примерно на 20-25%, что положительно скажется на работе ВЭУ. Из приведенного примера видно, что даже при трехступенчатом роторе диаметром, равным 15 метрам, установка будет обладать достаточной мощностью за счет увеличения коэффициента использования энергии ветра и общей длины лопастей.