КОНТРРОТОРНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)
COUNTER-ROTARY WIND-DRIVEN POWER PLANT (VERSIONS)

Использование: для выработки промышленных мощностей электроэнергии с использованием энергии атмосферно-воздушных потоков, в том числе в регионах с малыми скоростями ветра, нестабильными атмосферными условиями.
Сущность изобретения состоит в двух вариантах конструктивного исполнения ветроэнергетической установки (ВЭУ), в которых по аэродинамическим соображениям применяется не более одной турбины, инерционность и устойчивость которой усилена наличием массивного маховика. При этом в первом случае турбина связана прямой и второй перекрещенной гибкой связью с ротором и контрротором, консольно размещенными в подшипниковых опорах, а во втором случае связь турбины с контрроторным узлом в составе ведомого колеса, второго инерционного маховика и обмотки генератора осуществляется через планетарную или фрикционно-бегунковую передачу, причем вращение всех подвижных элементов ВЭУ происходит с опорой на общий выполненный за одно целое вал.
Изобретение относится к ВЭУ, имеющим доказанное на практике преимущество в виде совпадающих с направлением ветра осей вращения турбины и генератора, установленных на валу, выполненном за одно целое, или на двух раздельных коаксиальных валах, а также имеющих возможность вращения как ротора, так и статора (контрротора) в противоположные стороны.
Установлено, что энергоемкость ветра в 100 раз превышает энергетические гидрозапасы и ресурсы планеты. Однако развитие ветроэнергетики сдерживают следующие основные факторы.
Существующие конструкции ВЭУ представляют практический, а тем более промышленный интерес только в регионах, обладающих стабильным вектором перемещения атмосферных масс воздуха у поверхности земли или воды со скоростью 8,0-24,4 м/с (от свежего до штормового ветра, здесь и далее по шкале Бофорта, веб-сайт: http://www.kakras.ru), что имеет место исключительно в степных и приморских районах, при освоении морского шельфа. Ветер при его скорости менее 3,4 м/с (легкий ветер) имеет ничтожно малую кинетическую энергию.
Максимальная мощность одной ВЭУ из известных прототипов составляет 5 МВт (серийная модель фирмы «REpower», веб-сайт: http://www.repower.de), то есть многократно ниже данного показателя у ГЭС, мощность которых достигает 250 МВт, что исключает транспортировку электроэнергии от ветроэнергетических генераторов на значительные расстояния и ограничивает ее потребление местом производства. Тем самым резко сужая ареал распространения и применимости ВЭУ, их долю и значение в мировой энергетике.
Качество производимой ВЭУ электроэнергии ниже, чем от иных энергетических источников. Последнее обуславливается аэродинамической нестабильностью природного энергоносителя, а именно атмосферно-воздушных потоков, что ведет к неустойчивой работе турбины и электрогенератора ВЭУ, колебаниям, пульсациям, пиковым значениям и иным отклонениям от номинала в запитанных от нее электрических сетях.
До сих пор развитие ветроэнергетики продолжается в рамках территориально-климатических ограничений и направлении механического наращивания габаритов трехлопастных турбин пропеллерного типа. Так уже ВЭУ серийной модели Е-112 мощностью 4,5 МВт фирмы «Enorcom GmbH» имеет турбину диаметром 104 метра и весом около 20 тонн. Для удержания столь массивной конструкции потребовалась гондола с электрогенератором весом 500 тонн, установленная на башне высотой 120 м (веб-сайт: http://www.enercon.de). При этом столь значительная масса турбины служит не столько для обеспечения высокой мощности энергоустановки, сколько для придания механизму значительной инерции, гарантирующей необходимое качество вырабатываемой электроэнергии в среде нестабильных воздушных потоков.
Массивные турбины в силу их высокой инерции сглаживают пульсации ветряного потока и его шквальные порывы до 12 м/с, а при падении скорости ветра ниже критического значения и при безветрии длительное время продолжают свое вращение, что позволяет повысить качество электроэнергии, получаемой от ВЭУ. С другой стороны большой размах лопастей делает такие турбины уязвимыми при сильном штормовом ветре (от 24,5 м/с) и тем более при урагане (от 32,6 м/с).
Практически достигнув предела прочности конструкционных материалов и механических узлов, ВЭУ по мощности смогли лишь сравняться с нижним значением аналогичного показателя для ГЭС.
2
3
Вместе с тем, как подтверждается опытно-эмпирической формулой: P=DV/7000, кВт, с достаточной точностью применяемой для инженерных расчетов, увеличение скорости ветра, сопровождающееся убыстрением вращения турбины и соответственно ротора электрогенератора, является более эффективным направлением повышения мощности ВЭУ.
Базовое техническое решение, обеспечивающее работоспособность устройства при малых скоростях ветра за счет увеличения скорости изменения магнитного потока в контуре статора, достигаемого встречным вращательным движением ротора относительно контрротора, описано в патенте US №4213057, кл. 290-44j. Тот же принцип используется в конструкции ветроэлектрического агрегата (патент SU №1333821, кл. F03D 1/02) и ряда других устройств. Заданный технический результат здесь и в прочих аналогичных случаях достигается за счет того, что противоположно направленное вращение ротора и статора (контрротора) создается от по меньшей мере двух самостоятельно действующих ветротурбин, размещенных одна за другой. В результате указанного расположения данных аэродинамических элементов вторая по направлению движения ветра турбина работает в зоне повышенной турбулентности, создаваемой при вращении первой турбины, работает крайне неровно, вплоть до возникновения краткосрочного обратного вращения (реверса) и флаттера хвостовой ветротурбины на высоких скоростях вращения. Качество вырабатываемой электроэнергии еще более ухудшается, чем при однотурбинном устройстве ВЭУ.
Другим прототипом предлагаемого изобретения является ветроагрегат (патент RU №2282051, кл. F03D 1/00), в котором турбина и ротор генератора установлены на самостоятельных коаксиальных валах вращения, соединенных между собой гибкой связью мультипликатора. Данное техническое решение решает проблемы, не связанные с работоспособностью ВЭУ при малых скоростях ветра и повышения качества вырабатываемой электроэнергии.
Настоящее изобретение ставит своей целью улучшение качества электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, в сочетании с возможностью полезной работы в широком диапазоне скоростей, начиная с малых скоростей ветра, при частых и значительных перепадах ветровой нагрузки, и достигаемой в случае такой необходимости при уменьшенных габаритах и массе турбины, повышение надежности передаточных узлов, крепления ротора и контрротора.
Вариант 1. Поставленная задача решается тем, что ВЭУ оснащена одной турбиной, ось вала которой размещена коаксиально относительно соосного положения валов ротора и контрротора. Вал турбины имеет два ведущих элемента, один из которых соединен с гибкой связью с валом ротора (контрротора), а второй - перекрещенной гибкой связью с валом контрротора (ротора), так что ротор и контрротор имею вращение в противоположные стороны. На валу турбины установлен инерционный маховик.
Вариант 2. Поставленная задача реализуется тем, что все рабочие элементы ВЭУ: турбина с ротором и контрротор - смонтированы на одном валу. При этом турбина и ротор находятся в жестком сопряжении, а контрротор вращается в противоположном им направлении за счет взаимодействия с тем же валом посредством механической, например планетарной или фрикционно-бегунковой, передачи. На той же оси закреплен инерционный маховик ротора, а инерционный маховик контрротора образует одно целое с обмоткой генератора и ведомым колесом механической передачи.
На фиг.1 представлена контрроторная ветроэнергетическая установка в первом варианте исполнения; на фиг.2 - второй вариант конструктивной схемы контрроторной ВЭУ.
Контрроторная ветроэнергетическая установка (вариант 1, фиг.1) содержит опорную конструкцию 1 с поворотным узлом 2 и установленные на опоре гондолы 3 и 4, коаксиально оснащенные соответственно валом 5 и соосными валами 6 и 7. На валу 5 смонтированы турбина 8, маховик 9, ведущие шкивы 10 и 11, соединенные прямой 12 и перекрещенной 13 гибкими связями с ведомыми шкивами 14 и 15. Шкив 14 насажен вместе с ротором 16 на вал 7, а шкив 15 вместе с контрротором 17 - на вал 6. Валы 5, 6 и 7 опираются на подшипниковые опоры 18.
Контрроторная ВЭУ (вариант 2, фиг.2) содержит опорную конструкцию 1 с поворотным узлом 2 и установленной выше него гондолой 3, в которой размещен общий для всего устройства вал 4 с жестко закрепленными на нем турбиной 5, ротором 6, инерционным маховиком 7 и бегунками 8 фрикционной, планетарной или иной механической передачи и преобразователя вращательного движения вала на противоположно направленное вращение заданного элемента. На тот же вал надет свободно вращающийся контрроторный узел в составе генераторной обмотки 9, инерционного маховика 10 и ведомого колеса 11 механически преобразующей передачи. Общий вал 4 с размещенными на нем элементами 5, 6, 7 и 8, контрроторный узел 9-11 вращаются в подшипниковых опорах 12.
Контрроторная ветроэнергетическая установка (вариант 1, фиг.1) работает следующим образом. Под напором ветра турбина 8 приходит во вращательное движение, которое передается через вал 5, ведущие шкивы 10 и 11 и гибкие прямую 12 и перекрещенную 13 связи на ведомые шкивы 14 и 15, а через них на вал 7 с ротором 16 и вал 6 с контрротором 17. Встречное движение ротора 16 и контрротора 17 преобразует кинетическую энергию воздушного потока в достаточный для практических целей электрический потенциал уже при малых скоростях ветра до 8,0 м/с. За счет коаксиального размещения турбины относительно генератора данный элемент ВЭУ работают в более устойчивом аэродинамическом режиме, чем соосно одна за другой установленные две турбины. Имеющие место в атмосфере пульсации и порывы ветра сглаживаются наличием инерционного маховика 9 на турбинном валу 5. Он же, накопив энергию инерции и продолжая свое вращение, обеспечивает на протяжении некоторого времени работу ВЭУ при безветрии. Противоаварийной защитой ВЭУ может быть специально рассчитанная шпонка во втулке турбины, которая срезается на начальной стадии ураганного ветра, когда скорость его достигает 32,6 м/с.
Совокупное наличие таких отличий, как второй гибкой связи, предоставляющей возможность передачи вращения турбины не только на ротор, но и, в преобразованном встречном направлении, на контрротор генератора, установка маховика на турбинном валу положительно сказываются на качестве электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, что имеет место в более широком диапазоне скоростей и других аэродинамических параметров ветра, в том числе данный результат достигаем при меньших габаритах и массе турбины.
Недостатком варианта 1 является наличие двух гондол для раздельного размещения турбины и генератора или одной крупногабаритной гондолы под указанные механизмы, что увеличивает парусность ВЭУ в целом и снижает ее устойчивость под воздействием ветровых нагрузок, требует более строго вертикального положения опорной конструкции. Кроме того, ротор и контрротор в корпусе генератора установлены на консольных валах, что является ненадежным техническим решением и предъявляет высокие требования к их балансировке во избежание вибраций и динамического разрушения. Используемые в ВЭУ гибкие связи не столь надежны, как другие известные механические средства передачи вращательного движения.
Контрроторная ВЭУ (вариант 2, фиг.2) работает следующим образом. Под воздействием ветра турбина 5 приходит во вращательное движение, которое через общий вал 4 передается на его неотъемлемые элементы, а именно ротор 6, инерционный маховик 7 и бегунки 8, что в свою очередь взаимодействуя с ведомым колесом 11, приводит в противоположно направленное вращение обмотку генератора 9, которая вместе указанным колесом и инерционным маховиком 10 образует единый контрроторный узел. В остальном данная модификация ВЭУ действует аналогично устройству и имеет те же основные преимущества, описанные в конструктивном варианте 1. При этом ответственный механизм генератора размещается в одной гондоле, что снижает парусность установки и смягчает требования к вертикальности опорной конструкции, за счет вращения ротора и противоположно направленного вращения контрротора на общей оси, установленной в опорах без образования консолей, снижается вибрация и вероятность динамического разрушения устройства. Объединение ряда указанных элементов в единый контрроторный узел делает генератор более компактным и позволяет вместо менее надежных гибких связей применить другие более прочные механические средства передачи и преобразования вращения от турбины на контрротор.