СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ РОТОРНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ДЫМОВОЙ ТРУБЕ
METHOD OF WIND POWER ROTOR PLANT MOUNTING ON STACK

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для получения электроэнергии при размещении роторной ветроэнергетической установки (далее РВЭУ) с вертикальной осью вращения на наружной поверхности в верхней части дымовой трубы, используемой в качестве высокой опоры.
Известны конструкции опор ветроэнергетических установок с горизонтальной осью и вертикальной осью вращения [1, 2, 3, 4, 5]. Типовые схемы опорных устройств содержат опорную трубу, которая на подшипниках вставляется в трубу-опору.
Известны способы аэродинамического торможения ветродвигателей [1]: стабилизаторный, защитно-парусный, центробежно-аэродинамический. В изобретении [6], патент RU №2153599 от 27.07.2000, для регулирования скорости вращения ветродвигателя применяется центробежный регулятор. В качестве прототипа принимается центробежно-аэродинамический способ торможения РВЭУ.
Известны способы ручного торможения [1, 2, 3, 4]. Наиболее близким по техническому решению является тормоз барабанного типа.
Известна ветроустановка для производства электроэнергии [7], патент RU 2094651 от 27.10.1997, содержащая лопастные движители с электрогенераторами, смонтированные соответственно на выходном конце трубы. Лопастные движители работают от воздушного потока, организованного внутри трубы. Основным недостатком этого изобретения является тот факт, что ветер на высоте 30 метров, при неблагоприятной розе ветров, будет тормозить выход воздуха из трубы, а это существенно скажется на КПД ветроустановки.
Известно изобретение [8], патент RU 2347104 от 20.02.2009, содержащее ротор вертикально-осевой, ряд вертикальных лопастей и располагаемую в центре вращения ступицу, от которой радиально отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, к которым вверх и вниз прикреплены указанные лопасти. На траверсах установлены аэродинамические тормоза. Указанное изобретение имеет следующие недостатки: номинальная скорость ветра, при которой ветроустановка отдает рассчитанную мощность, составляет 10-12 м/с; вместо горизонтальных лопастей установлены аэродинамические тормоза; при скорости ветра более 45 м/с нет механизмов для полной остановки вращения роторов. Рассмотренное изобретение является наиболее близким к заявляемому способу размещения РВЭУ на дымовой трубе и принято в качестве прототипа. Способы и варианты размещения РВЭУ на внешней поверхности дымовой трубы в верхней ее части авторам не известны.
Технической задачей изобретения является повышение мощности и КПД РВЭУ, а также коэффициента использования ветра при выработке электроэнергии.
Заявленное устройство поясняется чертежами. На фиг.1 показано размещение РВЭУ на верхней части дымовой трубы - вид сбоку. На фиг.2 показана РВЭУ - вид сверху. На фиг.3 показан аэродинамический профиль вертикальной лопасти. На фиг.4 показан профиль горизонтальной лопасти улучшенного аэродинамического качества.
Сущность изобретения заключается: в размещении РВЭУ в верхней части существующей действующей или недействующей дымовой (вытяжной) трубы (фиг.1), которая используются в качестве высокой опоры, что позволяет повысить мощность РВЭУ и коэффициент использования ветра; в снижении силовой нагрузки на верхнее вращающееся кольцо с внешним зубчатым венцом за счет использования горизонтальных лопастей, которые обладают улучшенными аэродинамическими качествами при отношении высоты лопасти к ее хорде в пределах 0,35-0,45, что увеличивает подъемную силу горизонтальной лопасти (далее горизонтальная лопасть улучшенного качества) (фиг.4, вид Б-Б); в повышении КПД РВЭУ, которое обеспечивается углом наклона 2-3° плоской части горизонтальных лопастей с улучшенным аэродинамическим качеством относительно плоскости их вращения, что создает дополнительный крутящий момент относительно вертикальной оси РВЭУ и подъемную силу, которая снижает силовую нагрузку на верхнее вращающееся кольцо с внешним зубчатым венцом и нижнее профильное кольцо, что уменьшает трение подшипниковых шариков, размещенных в круговых канавках этих колец; в применении не менее двух противоположно (симметрично) расположенных магнитоэлектрических генераторов (далее МЭГ); в повышении передаточного числа от вращающихся вертикальных лопастей аэродинамического профиля и горизонтальных лопастей улучшенного аэродинамического качества в 7 и более раз за счет разности диаметров верхнего вращающегося кольца с внешним зубчатым венцом, примерно равного диаметру дымовой трубы, и зубчатого колеса, неподвижно закрепленного на верхней части вала ротора МЭГ, при этом использование указанного передаточного отношения обеспечивает выработку электроэнергии при скорости ветра от 3,5 м/с; в использовании нижнего неподвижного профильного кольца как силовой опоры всей конструкции РВЭУ, подшипниковых шариков, размещенных в канавках между верхним вращающимся кольцом с внешним зубчатым венцом и нижним неподвижным профильным кольцом, в сборе указанные кольца представляют опорный подшипник РВЭУ; в применении ручного и аэродинамического тормозов, что обеспечивает надежную защиту РВЭУ от перегрузок при скоростях ветра более 20 м/с.
РВЭУ с вертикальной осью вращения, размещаемая на дымовой трубе, состоит из следующих составных частей: не менее двух вертикальных лопастей аэродинамического профиля 1; не менее двух горизонтальных лопастей 2 улучшенного аэродинамического качества с отношением высоты этой лопасти к ее хорде в пределах 0,35-0,45, причем плоские части горизонтальных лопастей улучшенного аэродинамического качества наклонены на угол 2-3° по отношению к плоскости их вращения, а горизонтальная лопасть 2 улучшенного аэродинамического качества имеет горизонтальный стержень 32, расположенный в ее носовой части, кинематически, с помощью шарнирного соединения, связанный с вертикальным валом 26, проходящим через носик вертикальной лопасти аэродинамического профиля; силовой стержень, по числу вертикальных лопастей аэродинамического профиля 1, соединяющий верхнее вращающееся кольцо 6 с внешним зубчатым венцом и тонкое алюминиевое кольцо 4, причем верхнее вращающаяся кольцо 6 с внешним зубчатым венцом имеет на нижней стороне круговую канавку под подшипниковые шарики 8; тонкого алюминиевого кольца 4, соединяющего верхние концы вертикальных валов 26, которые проходят через носики вертикальных лопастей аэродинамического профиля; дымовой (вытяжная) трубы 5, которая используется в качестве высокой опоры для РВЭУ (фиг.1); нижнего неподвижного профильного кольца 7, закрепленного на верхней части дымовой трубы 5 и имеющего на внешней верхней поверхности канавку под подшипниковые шарики 8; не менее двух симметрично расположенных магнитоэлектрических генераторов 11 (МЭГ); опоры 20 МЭГ 11, неподвижно закрепленной на дымовой трубе 5; вала роторов 10 МЭГ 11; зубчатого колеса 9, неподвижно закрепленного на валу ротора 10 МЭГ 11; ручного тормоза барабанного типа 12, содержащего: тормозные барабаны 13, закрепленные на нижних частях валов роторов 10 МЭГ 11, тормозные рычаги 15, пружины 14 тормозных колодок 22, опоры 21 рычагов 15, тросы 16, направляющие ролики тросов 16 на опорах 1, тормозные рукоятки 18 с фиксаторами, секторы 19 с отверстиями для фиксации тормозной рукоятки 18; аэродинамических тормозов 23, для каждой пары соединенных между собой вертикальной лопасти аэродинамического профиля 1 и горизонтальной лопасти 2 улучшенного аэродинамического качества, содержащих: горизонтальные стержни 32, расположенные в носовой части полости горизонтальных лопастей 2 улучшенного аэродинамического качества; утяжеленные хвостовые части 24 вертикальных лопастей 1 аэродинамического профиля; вертикальные валы 26, проходящие через носовую часть вертикальных лопастей 1 аэродинамического профиля и кинематически, с помощью шарнирного соединения, связанные с горизонтальными стержнями 32; пружины 28 штока 29; пружины 28 шарнирного соединения 25 штока 29 с вертикальной лопастью 1 аэродинамического профиля; стакан 27, в котором размещены пружина 28 и шток 29; цилиндрический шарнир 30 для крепления стакана 27 к горизонтальной лопасти 2 улучшенного аэродинамического качества; опорная шайба 31 пружины 28; верхнее крепление 33 стержней 3 к тонкому алюминиевому кольцу 4; нижнее крепление 34 стержней 3 к верхнему вращающемуся кольцу 6 с внешним зубчатым венцом; силовые элементы 35 креплений горизонтальных лопастей 2 улучшенного аэродинамического качества к верхнему вращающемуся кольцу 6 с внешним зубчатым венцом; опорные площадки 36 для поддержки вертикальных лопастей аэродинамического профиля 1 в процессе регулирования скорости вращения РВЭУ с помощью аэродинамических тормозов 23.
Способ размещения РВЭУ на дымовой трубе позволяет получить следующие преимущества: использовать скорость ветра на высоте от 20 м, на которой скорость ветра на 6-7% выше, чем скорость приземного ветра, что увеличивает выработку электроэнергии с помощью МЭГ; дымовая труба используется как готовая высокая опора; диаметр дымовой трубы диктует получение передаточного отношения от 7 и более раз, как функция выходного диаметра дымовой трубы, что обеспечивает выработку электроэнергии МЭГ при скорости ветра от 3,5 м/с; наличие двух и более МЭГ, симметрично расположенных на дымовой трубе, обеспечивает надежную выработку электроэнергии; габаритные размеры верхней части дымовой трубы позволяют использовать вертикальные лопасти аэродинамического профиля и горизонтальные лопасти улучшенного аэродинамического качества больших размеров, в этом случае мощность РВЭУ может составлять от 5 кВт до 50 кВт, а на дымовой трубе высотой 50 и более метров возможна установка РВЭУ мощностью до 100 кВт. Перечисленные преимущества обладают новизной технических решений и соответствуют требованиям промышленной применимости способа размещения РВЭУ на дымовой трубе для выработки электроэнергии от ветрового потока.
Размещенная в верхней части дымовой трубы РВЭУ работает следующим образом: набегающий поток воздуха (ветер) одновременно воздействует на вертикальные лопасти 1 аэродинамического профиля и горизонтальные лопасти 2 улучшенного аэродинамического качества, которые, вращаясь совместно, создают крутящий момент относительно вертикальной оси, достаточный для вращения РВЭУ при скорости ветра от 3,5 м/с. При этом скорость вращения ротора 10 МЭГ 11 увеличивается в 7 и более раз, в зависимости от диаметра дымовой трубы 5, чем скорость вращения РВЭУ от действующего ветра. Далее вращение через зубчатый венец подвижного кольца 6 передается зубчатому колесу 9 вала ротора 10 МЭГ 11, что надежно обеспечивает выработку электроэнергии. Горизонтальные лопасти 2 улучшенного аэродинамического качества, которые имеют угол наклона 2-3° по отношению к плоскости их вращения, создают дополнительный крутящий момент относительно вертикальной оси вращения РВЭУ, при этом возникающая подъемная сила увеличивает коэффициент использования энергии ветра, за счет чего повышается мощность установки. Одновременно подъемная сила уменьшает силовую нагрузку на нижнее неподвижное профильное кольцо 7, чем обеспечивается уменьшение сил трения между подшипниковыми шариками 8 и круговыми канавками нижнего неподвижного профильного кольца 7 и верхнего подвижного кольца с зубчатым венцом 6. Регулирование скорости вращения РВЭУ осуществляется с помощью аэродинамических тормозов 23, размещенных внутри тела горизонтальных лопастей улучшенного аэродинамического качества (фиг.2). С целью увеличения жесткости и прочности вертикальных лопастей 1 аэродинамического профиля и горизонтальных лопастей 2 улучшенного аэродинамического качества применяется силовой стержень 3, по числу вертикальных лопастей аэродинамического профиля, соединяющий верхнее вращающееся кольцо 6 с внешним зубчатым венцом и тонкое алюминиевое кольцо 4. Аэродинамические тормоза 23 работают следующим образом (фиг.2): при скорости ветра более 20 м/с утяжеленная часть 24 вертикальной лопасти 1 аэродинамического профиля под действием инерциальных сил поворачивается вокруг вертикального вала 26, проходящего через ее носик, увлекая за собой шток 29 пружины 28, при этом пружина 28 сжимается, стакан 27 пружины 28 поворачивается вокруг шарнира 30, что обеспечивает свободный поворот вертикальной лопасти аэродинамического профиля на угол 10-15°. В этом случае крутящий момент относительно вертикальной оси вращения меняет знак и вращение РВЭУ замедляется, если инерциальные силы уменьшаются, пружина разжимается, втягивая шток 29, который ставит вертикальную лопасть 1 аэродинамического профиля в рабочее положение, если скорость ветра не уменьшается и станет больше 20 м/с, РВЭУ будет вращаться, но уже с безопасной скоростью вращения для прочностных характеристик конструкции РВЭУ. Размещение РВЭУ на верхней части дымовой трубы 5 предусматривает наличие ручных тормозов барабанного типа 12, основное назначение которых - полная остановка вращательного движения РВЭУ в целях защиты разрушения РВЭУ от скоростей ветра больше чем 40 м/с, а также для организации проведения профилактических работ. Ручным тормозом барабанного типа 12 комплектуются все предусмотренные конструкцией РВЭУ.
Ручной тормоз барабанного типа 12 работает следующим образом (фиг.1): опуская тормозную рукоятку 18 тормоза барабанного типа 12, трос 16 натягивается и перемещает тормозные рычаги 15 тормозных колодок 22, которые поворачиваются вокруг опор 21 и прижимают тормозные колодки 22 к стенкам барабана 13, жестко закрепленного на нижней части вала ротора 10 МЭГ 11 (фиг.1). При этом пружины 14 тормозных колодок растягиваются, вращение тормозного барабана 13 ротора МЭГ прекращается, что обеспечивает остановку подвижного кольца 6 с зубчатым венцом, кинематически связанного с зубчатым колесом 9 вала ротора 10 МЭГ 11. Рукоятка ручного тормоза 18 фиксируется в отверстиях сектора 19. Снятие с ручного тормоза барабанного типа 12 осуществляется путем подъема рукоятки ручного тормоза 18, при этом трос 16 ослабевает, пружины 14 тормозных колодок 22 сжимаются, тормозные колодки 22 отходят от тормозного барабана 13, рукоятка ручного тормоза 18 фиксируется в отверстиях сектора 19.
Таким образом, способ размещения РВЭУ на дымовой трубе предусматривает его использование как дополнительного экологически чистого источника возобновляемой электроэнергии для нужд жилых и производственных помещений; освещения улиц; включения сигнальных огней дымовой трубы; котельных и других объектов различного назначения.
Список литературы
1. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М.: Сельхозгиз, 1957.
2. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. - М.: Изд. Минсельхоз СССР, 1957.
3. Ветроэнергетика / пер. с английского под редакцией д.т.н. Я.И.Шефтера. - М.: Энергоиздат, 1982. - С.27.
4. Я.И.Шефтер. Ветроэнергетические агрегаты. - М.:  «Машиностроение», 1972.
5. В.В.Зубарев, В.А.Минин, И.Р.Степанов. Использование энергии ветра в районах севера. - Ленинград:  «Наука», 1989.
6. Ветродвигатель, патент на изобретение RU №2153599 от 27.07.2000.
7. Ветроустановка для производства электроэнергии, патент на изобретение RU 2094651 от 27.10.1997.
8. Ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения (варианты), патент на изобретение RU 2347104 от 20.02.2009.