МОДУЛЬ ВЕТРОКОЛЕСА КАРУСЕЛЬНОГО ТИПА
CAROUSEL-TYPE WIND WHEEL MODULE

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройству ветроколес ветровых энергостанций, в том числе в мобильном исполнении для энергоснабжения объектов, расположенных на значительном удалении от линий электропередач, а также безгенераторных установок для перекачки воды и другого текучего.
Известен модуль ветроколеса карусельного типа [1], содержащий фрагмент силовой колонны с вертикальной осью вращения, на котором жестко закреплены четыре рамы, попарно расположенные на диаметрально противоположных сторонах фрагмента силовой колонны, а на рамах шарнирно закреплены лопасти, образующие под действием собственной массы на одной стороне парусное полотно, а на противоположной стороне - жалюзи под действием встречного воздушного потока, пропускающие последний на тыльную сторону рамы, при этом взаимно противоположные лопасти никак не связаны между собой, а их фиксация в парусном положении обеспечивается элементами рамы.
Такое конструктивное исполнение обеспечивает существенное увеличение крутящего момента на валу ветродвигателя, но создает удары лопастей о раму в момент их фиксации в парусном положении, что приводит к росту динамических нагрузок на элементы конструкции и возникновению недопустимого уровня шума.
Известен модуль ветроколеса карусельного типа [2], содержащий фрагмент силовой колонны с вертикальной осью вращения, жестко закрепленный на нем подшипниковый узел с двухконцевым валом, ось которого перпендикулярна оси вращения модуля, а концы выходят на диаметрально противоположные стороны фрагмента силовой колонны, пару лопастей для взаимодействия с ветром, навинченных на концы вала, развернутых одна относительно другой на угол 90° и жестко зафиксированных на нем посредством стопорных планок, при этом лопасти в совокупности с валом и стопорными планками образуют жесткую спаренную лопасть, имеющую возможность знакопеременных колебаний вокруг оси подшипникового узла.
Возможность самоустановки плоскости лопасти на парусной стороне модуля близко к вертикальному, а на флюгерной стороне - близко к горизонтальному путем воздействия ветра на спаренную лопасть с одной стороны и противодействия ее массы - с другой, достигаемая такой конструкцией, устраняет необходимость упоров для лопастей на базовых деталях ветроколеса, исключает динамические нагрузки на них и обеспечивает бесшумность работы ветроэнергетической установки.
Однако прямая зависимость крутящего момента на валу модуля от геометрических размеров спаренной лопасти и ее массы (формула 10 прототипа) приводит к необходимости увеличения балластного груза при высоких скоростях ветра и, следовательно, к повышению удельной металлоемкости ветроэнергетической установки (отношение ее массы к величине крутящего момента на выходном валу), что приводит к снижению эффективности работы в районах с высокой средней скоростью ветра.
Заявленный объект содержит фрагмент силовой колонны с вертикальной осью вращения, жестко закрепленный на нем подшипниковый узел с двухконцевым валом, ось которого перпендикулярна оси вращения модуля, а концы выходят на диаметрально противоположные стороны фрагмента силовой колонны, и пару лопастей для взаимодействия с ветром, навинченных на концы вала, развернутых одна относительно другой в паре на 90° и жестко зафиксированных на валу посредством стопорных планок, при этом обе лопасти в совокупности с валом и стопорными планками образуют жесткую спаренную лопасть, имеющую возможность знакопеременных колебаний вокруг оси подшипникового узла.
Стопорные планки выполнены в виде пары идентичных секторных пластин с углом 90° при вершине сектора, квадратными отверстиями при ней для связи с валом и по меньшей мере парой отверстий ближе к дуговой части сектора для связи между собой и с лопастью, а между секторных пластин в их квадратных отверстиях неподвижно установлена шестерня и в зоне крепежных отверстий установлен упругий буфер, периферийные кромки которого выступают за пределы ребер секторных пластин, при этом в подшипниковом узле над первым валом параллельно ему установлен второй вал, формирующий в совокупности со второй парой лопастей и стопорных планок вторую жесткую спаренную лопасть, лопасти и стопорные планки обеих спаренных лопастей, расположенные на одной стороне фрагмента силовой колонны, установлены по отношению друг к другу зеркально, а шестерни стопорных планок на каждой из сторон фрагмента силовой колонны находятся в постоянном зацеплении.
Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с прототипом заключаются в следующем:
- наличие в модуле второй жесткой спаренной лопасти, расположенной над первой параллельно ей в совокупности с наличием в стопорных планках пары идентичных шестерен, жестко закрепленных на обоих концах своего вала и находящихся в постоянном зацеплении с соответствующими шестернями первой спаренной лопасти, обеспечивает возможность встречного знакопеременного колебания каждой спаренной лопасти вокруг оси своего вала, что обеспечивает раскрытие смежных лопастей на парусной стороне модуля в плоское парусное полотно и складывание их «в книжку» на флюгерной стороне модуля;
- выполнение стопорных планок в виде пары секторных пластин с углом 90° при вершине, жестко связанных с валом спаренной лопасти и несущих зажатый между ними упругий буфер, периферийные кромки которого выступают за пределы ребер секторных пластин, ограничивает величину колебаний спаренных лопастей углом 90° и компенсирует динамические удары стопорных планок друг о друга без взаимного касания смежных лопастей в крайних положениях при их складывании «в книжку» на флюгерной стороне модуля.
Совокупность указанных технических преимуществ по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат, заключающийся в обеспечении возможности работы заявленного объекта в районах с повышенными скоростями ветра без дополнительного балластного груза на спаренных лопастях и на этой основе в снижении удельной металлоемкости ветроэнергетических установок и соответствующем упрощении их конструкции.
На приведенных чертежах иллюстрируется модуль ветроколеса карусельного типа, где на фиг.1 показан его общий вид фронтально к направлению ветра; на фиг.2 и 3 - разрезы по А-А и Б-Б на фиг.1 с противоположных сторон фрагмента силовой колонны; на фиг.4 - фронтальный вид на стопорные планки спаренных лопастей при отсутствии ветра и на фиг.5 - разрез по В-В на фиг.4.
Модуль ветроколеса карусельного типа содержит фрагмент 1 силовой колонны с вертикальной осью вращения, жестко закрепленный на нем подшипниковый узел с двухконцевым валом 2, ось которого перпендикулярна оси вращения модуля, а концы выходят на диаметрально противоположные стороны фрагмента 1 силовой колонны, и пару лопастей 3 и 4 для взаимодействия с ветром, навинченых на резьбовые хвостовики 5 вала 2, развернутых одна относительно другой в паре на 90° и жестко зафиксированных на валу 2 посредством стопорных планок 6 на квадратных проточках вала 2, примыкающих к его резьбовым хвостовикам 5.
Обе лопасти 3 и 4 в совокупности с валом 2 и стопорными планками 6 образуют жесткую спаренную лопасть 8, имеющую возможность знакопеременных колебаний вокруг оси подшипникового узла в пределах 90°.
Стопорные планки 6 выполнены в виде пары идентичных секторных пластин 9 с углом 90° при вершине сектора, квадратными отверстиями 10 при ней и по меньшей мере двумя отверстиями 11 и 12 ближе к их дуговой части, через одно из которых секторные пластины 9 стягиваются между собой, а через другое - дополнительно с торцевой пластиной 13 каждой лопасти 3 и 4.
Между секторными пластинами 9 в квадратных отверстиях 10 установлена шестерня 14 с квадратной ступицей 15, в которой выполнено центральное квадратное отверстие 16 для насадки на квадратную проточку 7 вала 2, а в зоне отверстий 11 и 12 установлен упругий буфер 17, например, в виде резиновой плиты, при этом секторные пластины 9 стянуты между собой болтом 18, через отверстие 12 болтом 19 стопорные планки 6 дополнительно связаны с торцевыми пластинами 13 лопастей 3 и 4, а периферийная часть буфера 17 выступает за контур секторных пластин 9 на 15-20 мм.
В подшипниковом узле фрагмента 1 силовой колонны над первым валом 2 и параллельно ему установлен второй вал 20, формирующий со своими парами лопастей и стопорных планок вторую жесткую спаренную лопасть 21, при этом лопасти 3 и 4 спаренных лопастей 8 и 21, расположенные на одной стороне фрагмента силовой колонны, установлены по отношению друг к другу зеркально, а смежные шестерни 14 стопорных планок 6 спаренных лопастей 8 и 21 находятся в постоянном зацеплении.
При безветренной погоде модуль ветроколеса находится в неподвижном состоянии, а лопасти 3 и 4 спаренной лопасти 8 под действием собственной массы свисают вниз от оси ее качения, располагаясь симметрично относительно оси вращения модуля и образуя с ней угол, близкий к 45°, при этом лопасти 3 и 4 дополнительной спаренной лопасти 21 располагаются зеркально и устойчиво удерживаются в таком положении шестернями 14, находящимися в постоянном зацеплении (см. фиг.4).
При возникновении ветра лопасти 3 обеих спаренных лопастей 8 и 21 на парусной стороне модуля поворачиваются в противоположные стороны, образуя фронтальное направлению ветра парусное полотно, а на противоположной стороне лопасти 4 складываются «в книжку», беспрепятственно пропуская воздушный поток на тыльную сторону модуля.
При нарушении балансировки спаренных лопастей 8 и 21 стопорные планки 6 вместе с лопастями 3 и 4 могут отклоняться при отсутствии ветра от вертикального положения (фиг.4) в ту или другую сторону на угол до 45°, однако при возникновении ветра благодаря расположению упругих буферов 17 между секторными пластинами 9 под его воздействием происходит самоустановка спаренных лопастей 8 и 21 в нормальное рабочее положение (фиг.2 и 3), а крутящий момент на фрагменте силовой колонны будет определяться разностью суммарного давления ветра на лопасти 3 и 4 на парусной и флюгерной сторонах модуля.
Источники информации
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1537885 от 23.01.90 г., МПК F03D 3/00.
2. Описание изобретения к патенту РФ №2365782 от 05.12.2007 г. МПК F03D 3/00 (прототип).