ВЕТРОКОЛЕСО КАРУСЕЛЬНО-ЛЕПЕСТКОВОГО ТИПА
WINDWHEEL OF CAROUSEL-SPADE TYPE

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройству ветроколес стационарных ветроэнергетических установок карусельно-лепесткового типа большой мощности для электроснабжения объектов, расположенных на значительном расстоянии от магистральных линий электропередач.
Известна ветроэнергетическая установка [1], содержащая опорный узел, установленную в нем с возможностью свободного вращения вертикальную силовую колонну, несущую перпендикулярные к ее оси махи, выполненные в виде одноконцевых валов подшипниковых узлов, жестко закрепленных корпусной частью на силовой колонне, на которых соосно закреплены лопасти с индивидуальным для каждой из них гидравлическим приводом поворота из перпендикулярного (парусного) положения плоскости лопасти к направлению ветра на одной из сторон силовой колонны в горизонтальное (флюгерное) положение к нему на противоположной стороне и обратно по мере поворота силовой колонны.
Известная конструкция достаточно проста, но имеет ряд существенных недостатков, в частности при номинальных оборотах силовой колонны 60 об/мин для карусельных ветроэнергетических установок лопасти должны поменять свое положение минимум 2 раза в секунду, что недостижимо даже для самых быстродействующих приводов.
Кроме того, выполнение силовой колонны общей для всего комплекта лопастей исключает возможность оперативного изменения мощности ветроколеса путем изменения количества лопастей в комплекте, т.к. конструкция силовой колонны выполнена для определенного количества лопастей и после ее изготовления ничего нельзя изменить.
Известен модуль ветроколеса карусельно-лепесткового типа [2], содержащий фрагмент силовой колонны, несущий махи, выполненные в виде идентичных двухконцевых валов подшипниковых узлов, жестко закрепленных корпусной частью на фрагменте силовой колонны перпендикулярно его оси со смещением относительно друг друга в горизонтальной плоскости на угол α и выходом концов на взаимно противоположные стороны, а на концах махов соосно закреплены лепестки спаренной лопасти, развернутые относительно друг друга на 90° вокруг оси общего для них маха, и образуют в совокупности с ним лепестковую пару.
Возможность выполнения ветроколеса любой высоты в виде набора идентичных модулей, а также самоустановки лепестковых пар в оптимальное положение под действием лобового давления ветра и собственной массы лепестков, достигаемая такой конструкцией, позволяет оперативно подбирать любую мощность ветроколеса путем изменения количества модулей в его наборе без изменения конструкции его базовых узлов, а также существенно улучшить режим работы ветроэнергетической установки, однако отсутствие внешнего каркаса ветроколеса исключает возможность фиксации в пространстве его верхнего конца и, следовательно, ограничивает количество модулей в его наборе.
Известен ветродвигатель системы Савониуса [3], включающий в себя по меньшей мере два модуля ветроколеса, каждый из которых содержит фрагмент силовой колонны, несущей жестко закрепленные на нем перпендикулярно его оси махи, несущие лопасти, а также внешний каркас, выполненный в виде общей для всех модулей правильной многоугольной призмы, установленной на опорную мачту. В геометрическом центре верхнего и нижнего оснований внешнего каркаса жестко закреплены опорные подшипниковые узлы для крепления общей для всех модулей силовой колонны с возможностью ее свободного вращения вокруг своей оси, а смежные махи нижнего и верхнего модулей жестко фиксируются между собой, превращая все модули в общее ветроколесо с общей для них силовой колонной.
Возможность крепления силовой колонны обоими ее концами в опорных подшипниковых узлах внешнего каркаса, достигаемая такой конструкцией, обеспечивает улучшение режима вращения ветроколеса и его нижнего опорного узла, а также некоторое увеличение количества лопастей в нем, однако невозможность разделения внешнего каркаса на фрагменты в соответствии с количеством модулей в ветроколесе и отсутствие промежуточных полков между ними исключает возможность перераспределения нагрузки от массы ветроколеса с нижнего опорного узла на угловые стойки внешнего каркаса, а также не исключает колебаний средней части силовой колонны при ее вращении при чрезмерном увеличении количества модулей, что делает работу ветродвигателя неустойчивой с появлением шума и вибрации.
Заявленный объект включает в себя по меньшей мере два идентичных модуля, содержащие фрагмент силовой колонны, несущей махи, выполненные в виде идентичных двухконцевых валов подшипниковых узлов, жестко закрепленных корпусной частью на фрагменте силовой колонны перпендикулярно его оси со смещением относительно друг друга в горизонтальной плоскости на угол α и выходом концов на взаимно-противоположные стороны, на концах махов соосно закреплены лепестки спаренной лопасти, развернутые относительно друг друга на 90° вокруг оси общего для них маха, и образуют в совокупности с ним лепестковую пару, а также внешний каркас, выполненный в виде общей для всех модулей правильной многоугольной призмы, установленной на опорную мачту, при этом в геометрическом центре нижнего и верхнего оснований полок внешнего каркаса жестко закреплены опорные подшипниковые узлы для установки в них общей для всех модулей силовой колонны с возможностью ее свободного вращения вокруг своей оси.
Внешний каркас ветроколеса также разделен на фрагменты с высотой, соизмеримой с высотой фрагмента силовой колонны модуля, при этом между фрагментами внешнего каркаса установлены промежуточные полки, в центре которых установлены дополнительные опорные подшипниковые узлы, снабженные нижней и верхней упругими муфтами для связи между собой смежных фрагментов силовой колонны модулей в общую силовую колонну ветроколеса, а в углах промежуточных полок установлены жесткие разъемные муфты для связи между собой смежных фрагментов угловых стоек модулей в общий внешний каркас всего ветроколеса.
Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с прототипами заключаются в следующем:
- выполнение ветроколеса в виде набора идентичных модулей путем разделения силовой колонны на фрагменты, связанные между собой упругими муфтами дополнительных опорных подшипниковых узлов, жестко закрепленных в геометрическом центре своей промежуточной полки, и угловых стоек внешнего каркаса на аналогичные фрагменты, жестко связанные между собой разъемными муфтами на углах той же полки, обеспечивает возможность простейшей сборки - разборки ветроколеса, изменения его крутящего момента путем добавления новых или снятия старых модулей, их замены в процессе ремонта, что существенно упрощает конструкцию и технологию обслуживания ветроколеса;
- наличие в конструкции внешнего каркаса ветроколеса промежуточных полок между его модулями, несущих дополнительные опорные подшипниковые узлы с верхней и нижней упругими муфтами в их центре и жесткие разъемные муфты по углам, обеспечивает возможность выполнения модулей в виде идентичных минипризм и передачи нагрузок от вращающейся массы верхнего модуля через дополнительный опорный подшипниковый узел, промежуточную полку и жесткие разъемные угловые муфты на фрагменты угловых стоек нижнего модуля, что позволяет снять нарастающие нагрузки с нижней части силовой колонны ветроколеса и сделать ее равнонагруженной по всей высоте, а упругие муфты компенсируют любые разнонаправленные колебания силовой колонны, возникающие при ее вращении, и нейтрализуют источники шума и вибрации.
Совокупность указанных технических преимуществ заявленного объекта по сравнению с прототипами обеспечивает технический результат, заключающийся в упрощении конструкции ветроколеса, обеспечении равнонагруженности всех его элементов независимо от количества модулей в нем, снятия шума и вибрации при его работе путем дополнительной фиксации оси силовой колонны дополнительными опорными узлами на промежуточных полках между модулями, а также в возможности подбора оптимального количества модулей в ветроколесе в соответствии с заданной мощностью ветроэнергетической установки.
На приведенных чертежах иллюстрируется ветроколесо карусельно-лепесткового типа, где на фиг.1 показан его общий вид с минимальным количеством модулей ветроколеса; на фиг.2 - вид А на фиг.1 при условно снятой верхней полке; на фиг.3 - выноска I с фиг.1 - фронтальная проекция; на фиг.4 - то же, вид сверху и на фиг.5 - раскрытие конструкции дополнительного опорного узла на промежуточных полках.
Ветроколесо карусельно-лепесткового типа включает в себя по меньшей мере два модуля 1, каждый из которых содержит фрагмент 2 силовой колонны, несущий махи, выполненные в виде идентичных валов 3 подшипниковых узлов, жестко закрепленных корпусной частью на фрагменте 2 силовой колонны перпендикулярно его оси со смещением относительно друг друга в горизонтальной плоскости на угол α и выходом концов на взаимно противоположные стороны.
На концах валов 3 соосно закреплены лепестки 4 спаренной лопасти, развернутые относительно друг друга на 90° вокруг общего для них маха, и образуют в совокупности с ним лепестковую пару.
Комплект модулей 1 установлен внутри внешнего каркаса, выполненного в виде общей для всего ветроколеса правильной многоугольной призмы с нижней 6 и верхней 5 полками, в геометрическом центре которых установлены опорные подшипниковые узлы 7, в которых своими концами закреплена силовая колонна с возможностью свободного вращения вокруг своей оси.
Внешний каркас также разделен на фрагменты 8 и 9 высотой, соизмеримой с высотой фрагментов 2 силовой колонны модуля, а между фрагментами внешнего каркаса установлены промежуточные полки 10, в центре которых установлены дополнительные опорные подшипниковые узлы 11 с нижней 12 и верхней 13 упругими муфтами для связи между собой смежных фрагментов 2 силовой колонны модулей в общую силовую колонну ветроколеса.
В углах промежуточных полок 10 установлены жесткие разъемные муфты 14 для связи между собой фрагментов 8 и 9 угловых стоек внешнего каркаса в общий внешний каркас всего ветроколеса.
В раскрытии конструктивного исполнения жестких разъемных муфт нет необходимости, т.к. они многовариантны и исполнитель может принять решение по своему усмотрению.
Нижний конец фрагмента 2 силовой колонны нижнего модуля выведен под нижнюю полку 6 и заведен в машинное отделение 15 внутри опорной мачты, на крыше которого может быть установлен главный тормоз 16 ветроколеса, а на промежуточных полках 10 могут быть установлены дополнительные тормоза для каждого модуля ветроколеса, тормозным шкивом которых может быть полумуфта упругой муфты 13, напрессованная на нижний конец фрагмента 2 силовой колонны каждого модуля.
При появлении ветра лепестки 4 лепестковой пары в силу их взаимной перпендикулярности будут стремиться занять фронтальное положение к направлению ветра с одной стороны силовой колонны и параллельное (горизонтальное) положение с другой стороны, при этом миделево сечение в первом случае будет стремиться к максимуму, а во втором случае - к нулю, в силу чего нарушится равновесие лобового давления ветра на противоположных сторонах силовой колонны, возникнет крутящий момент и она начнет вращаться, передавая его на силовое оборудование машинного отделения 15.
Источники информации
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1539381 от 12.02.88 г., МПК F03D 3/00.
2. Описание изобретения к патенту РФ №2365782 от 05.12.2007 г., МПК F03D 3/00 (прототип).
3. Ветродвигатель системы Савониуса. «Ветродвигатели и ветроустановки», ОГИЗ-сельхоз, г.Москва, 1948 г., стр.81 (прототип).