МОДУЛЬ ВЕТРОКОЛЕСА КАРУСЕЛЬНОГО ТИПА
CAROUSEL-TYPE WINDWHEEL MODULE

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройству ветроколес для ветроэнергетических установок, в т.ч. большой мощности, для энергоснабжения объектов, удаленных от линий электропередач на значительные расстояния, а также временных объектов, например буровых установок различного назначения.
Известен модуль ветроколеса ветроэнергетической установки 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, воспринимающее давление ветра, а на противоположной стороне - «жалюзи», обеспечивающие свободный проход встречной воздушной массы на тыльную сторону рамы без существенного сопротивления, при этом взаимно противоположные лопасти никак не связаны между собой, а их фиксация в парусном положении обеспечивается элементами рамы.
Такое конструктивное исполнение обеспечивает высокую эффективность известного ветродвигателя в диапазоне скоростей ветра от «минимальной» до «пороговой», обеспечивающей максимально допустимое число оборотов вала ветродвигателя, за пределами которой число его оборотов неконтролируемо возрастает до недопустимых пределов, а удары лопастей о раму при их переходе в парусное положение создают недопустимый уровень шума, в то время как обеспечение бесшумности работы ветродвигателя и номинальных оборотов на его валу является главным требованием, предъявляемым к ветроэнергетическим установкам.
Известна ветроэнергетическая установка [2], модуль ветроколеса которой содержит фрагмент силовой колонны с вертикальной осью вращения, на котором жестко закреплены несколько рассредоточенных по высоте пар подшипниковых узлов с горизонтальным расположением валов и смещением их осей относительно друг друга на угол α, например, 60°, а на выходных концах валов жестко закреплены лопасти, каждая из которых в паре расположена на диаметрально противоположных сторонах фрагмента силовой колонны, при этом валы подшипниковых узлов выполнены индивидуальными для каждой лопасти, выходящими только на одну сторону фрагмента силовой колонны, и снабжены гидравлическим приводом их поворота, а лопасти жестко закреплены на выходном конце своего вала подшипникового узла и имеют возможность принудительного поворота от гидропривода на 90°.
Возможность контролируемого поворота лопастей из флюгерного положения в парусное от гидропривода, характеризующегося плавностью перемещения его исполнительных механизмов, без ударов лопастей обо что либо, достигаемая такой конструкцией, обеспечивает бесшумность работы ветроэнергетической установки, однако остается нерешенной проблема ее защиты от ураганного ветра, т.к. при жестком механическом контроле поворота лопастей из одного крайнего положения в другое в зависимости от скорости вращения силовой колонны при высоких скоростях ветра приведет ветроэнергетическую установку в состояние разноса.
Кроме того, известную ветроэнергетическую установку трудно признать работоспособной, т.к. при минимально допустимой скорости вращения силовой колонны 150 об/мин для карусельных установок лопасти должны поменять свое положение 300 раз или 5 раз в секунду, что недостижимо даже для самых быстродействующих гидроприводов.
1
Заявленный объект содержит фрагмент силовой колонны с вертикальной осью вращения, на котором жестко закреплены по меньшей мере три рассредоточенных по высоте подшипниковых узла с горизонтальным расположением валов и смещением их осей относительно друг друга в горизонтальной плоскости на угол α, например, 60°, а на концах валов жестко закреплены лопасти, каждая из которых в паре расположена на диаметрально противоположных сторонах фрагмента силовой колонны.
Валы подшипниковых узлов выполнены сплошными с идентичными концами, выходящими на обе стороны фрагмента силовой колонны, на которых выполнены резьбовые хвостовики для навинчивания лопастей и квадратные проточки, на которых установлены стопорные планки под углом 90° друг к другу с парой отверстий для крепежных болтов, а на торцевой части каждой лопасти, обращенной к оси вращения модуля, жестко закреплена секторная пластина с парой аналогичных отверстий, выполненных на радиальной линии сектора, и резьбовой втулкой при его вершине, при этом каждая пара лопастей, закрепленная на общем валу, при наличии стопорных планок и крепежных болтов образует жесткую конструкцию с общей осью качения в подшипниковом узле и разворотом лопастей относительно друг друга на 90°.
Геометрические центры обеих лопастей в паре и их центры тяжести расположены ниже их общей оси качения, а на крепежных болтах, связывающих секторные пластины лопастей со стопорными планками, установлены дополнительные балластные грузы.
Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с прототипом заключаются в следующем:
- выполнение вала подшипникового узла сплошным с идентичными концами, выходящими на обе стороны фрагмента силовой колонны и имеющими резьбовые хвостовики для навинчивания лопастей и квадратные проточки для стопорных планок, в совокупности с секторными пластинами на торцевой части каждой лопасти, обращенной к оси вращения модуля, несущими резьбовые втулки, жестко закрепленные на них при вершине сектора, обеспечивает возможность выполнения спаренной лопасти в виде жесткой конструкции с общей осью качения в подшипниковом узле, расположением лопастей в паре на диаметрально противоположных сторонах фрагмента силовой колонны и их разворотом относительно друг друга на 90° вокруг общей оси качения;
- наличие на стопорных планках пары отверстий для крепежных болтов в совокупности с аналогичной парой отверстий на секторных пластинах и разворотом лопастей в паре на 90°C относительно друг друга обеспечивает возможность установки на секторных пластинах лопастей дополнительного балластного груза, а также расположения геометрического центра и центра тяжести обеих лопастей в паре ниже их общей оси качения;
- наличие балластного груза на торцевой части каждой лопасти в паре, обращенной к оси вращения модуля, в совокупности с разворотом лопастей в паре относительно друг друга на 90° обеспечивает увеличение крутящего момента на фрагменте силовой колонны модуля, стабилизирует число оборотов модуля при любых колебаниях скорости ветра благодаря свободному колебанию спаренной лопасти в подшипниковом узле, а также уменьшает центробежные силы, действующие на лопасти при вращении модуля.
Совокупность указанных технических преимуществ заявленного объекта по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат, заключающийся в стабилизации числа оборотов модуля при любых колебаниях скорости ветра, а также в упрощении конструкции и технологии сборки ветроэнергетической установки, в том числе состоящей из нескольких модулей.
На приведенных чертежах иллюстрируется модуль ветроколеса карусельного типа, где на фиг.1 показан его общий вид сбоку (дуговой стрелкой показано направление вращения модуля); на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - то же, разрез по А-А на фиг.2; на фиг.4 - разрез по Б-Б на фиг.3; на фиг.5 - то же, разрез по В-В; на фиг.6 - вид Г на фиг.1 (положение спаренной лопасти относительно оси вращения модуля при отсутствии ветра); на фиг.7 - то же, при оптимальной скорости ветра; на фиг.8 - то же, при ураганной скорости ветра.
На фиг.1, 2 и 3 показано положение лопастей при безветренной погоде, а на фиг.6, 7 и 8 дуговой стрелкой показано направление колебания спаренной лопасти относительно оси качения под действием ветра.
1
Модуль ветроколеса карусельного типа содержит фрагмент 1 силовой колонны с вертикальной осью вращения, на котором жестко закреплены по меньшей мере три рассредоточенные по высоте подшипниковых узла 2 с горизонтальным расположением валов 3 и смещением их осей относительно друг друга в горизонтальной плоскости на угол α, например, 60°, а на концах валов жестко закреплены лопасти 4, каждая из которых в паре расположена на диаметрально противоположных сторонах фрагмента 1 силовой колонны.
Валы 3 подшипниковых узлов 2 выполнены сплошными с идентичными концами, выходящими на обе стороны фрагмента 1 силовой колонны, на концах каждого вала 3 выполнены резьбовые хвостовики 5 и квадратные проточки 6, на которых установлены стопорные планки 7 под углом 90° друг к другу с парой отверстий 8 для крепежных болтов 9. На торцевой части каждой лопасти 4, обращенной к оси вращения модуля, жестко закреплена секторная пластина 10 с парой отверстий 11, аналогичных отверстиям 8, выполненным на радиальной линии сектора, а при вершине сектора жестко закреплена резьбовая втулка 12 для навинчивания лопасти 4 на хвостовик 5 вала 3.
Каждая пара лопастей 4, закрепленная на общем валу 3, при наличии стопорных планок 7 и крепежных болтов 9 образует жесткую конструкцию с общей осью качения в подшипниковом узле 2 с разворотом лопастей 4 вокруг нее относительно друг друга на 90° и снабжена установленным на крепежных болтах 9 дополнительным балластным грузом 13, поддерживающим оптимальное положение лопастей 4 на парусной и флюгерной сторонах модуля 1 при номинальной скорости ветра, а также обеспечивающим балансировку модуля при его сборке.
При сборке ветроколеса модули 1 устанавливают один на другой и скрепляют смежные фланцы 14 болтами с фиксацией посредством шпонок или штифтов (на чертежах не показано) от возможного проворачивания модулей 1 относительно друг друга вокруг оси силовой колонны.
л
При безветренной погоде модуль 1 находится в неподвижном состоянии, а его лопасти 4 на парусной и флюгерной сторонах располагаются симметрично относительно оси вращения модуля (фиг.6), при этом массы лопастей 4 (m) на парусной и флюгерной сторонах модуля уравновешивают друг друга, и крутящий момент на валу 3 спаренной лопасти (оси качения) равен нулю.
в
п
1
2
ф
в
При появлении ветра его давление (Р), воздействуя на спаренную лопасть 4 на парусной и флюгерной сторонах модуля, создает крутящий момент (М) на валу 3, стремящийся повернуть лопасть 4 по часовой стрелке (фиг.7) до положения, при котором лопасть парусной стороны модуля отклонена от оси его вращения на угол β, лопасть флюгерной стороны отклонена на угол β от направления ветра, а крутящий момент на флюгерной стороне модуля (М), действующий на спаренную лопасть 4 в обратном направлении, фиксирует ее в определенном положении в зависимости от величины (Р)
при этом
Подставив выражения (2) и (3) в уравнение (1) после преобразований, получим:
л
где m - масса лопасти с учетом балластного груза;
1
l - расстояние между осью качения спаренной лопасти и ее геометрическим центром;
2
l - то же, между осью качения и центром тяжести лопасти.
км
в
Крутящий момент на фрагменте 1 модуля (М) создается тем же давлением ветра (Р), но с другим плечом
3
(l) и представляет собой разность крутящих моментов на парусной стороне модуля
кп
кф
(М) и на его флюгерной стороне (М)
где
откуда
или
Учитывая то, что левая часть уравнения (4) и правая часть уравнения (9) идентичны, получим:
Анализ уравнения (10) позволяет сделать следующие выводы:
1
2
- величина крутящего момента на фрагменте 1 силовой колонны модуля прямо пропорциональна величинам конструктивных параметров и опосредованно через значения углов β и β зависит от давления ветра;
1
2
1
2
1
2
- при любой величине колебаний давления ветра, например в разы, значение суммы sin β + cos β колеблется в пределах 44% от единицы при β=β=0° до максимума (1,44) при β=β=45°;
1
2
- увеличение углов β и β при дальнейшем увеличении давления ветра невозможно, и спаренная лопасть 4 фиксируется в этом положении, т.к. лопасти на парусной и флюгерной сторонах модуля располагаются симметрично относительно направления ветра, и его давление, действующее на обеих сторонах модуля, взаимно уравновешивается;
2
1
2
- изменение угла α=90° в сторону уменьшения или увеличения нецелесообразно, т.к. составляющая уравнения (10) sin β + cos β в обоих случаях становится меньше единицы, и крутящий момент на фрагменте 1 модуля уменьшается при тех же параметрах ветра.
Вышеприведенное свидетельствует о том, что заявленная конструкция обеспечивает стабильность оборотов на валу ветроэнергетической установки независимо от любых колебаний скорости ветра и ее защиту от ураганов без сооружения дополнительных защитных приспособлений.
Источники информации
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1537885 от 25.11.87 г., МПК F03D 3/00.
2. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1539381 от 12.02.88 г., МПК F03D 3/00 (прототип).