ВИНДРОТОР С НАКЛОНЯЕМЫМ ТУРБИННО-ГЕНЕРАТОРНЫМ БЛОКОМ
WIND ROTOR WITH INCLINED TURBINE-GENERATOR BLOCK

Предназначен для выработки малых и средних мощностей электроэнергии посредством преобразования кинетического потенциала ветра на материковых территориях.
Сущность изобретения состоит в том, что турбинно-генераторный блок вертикально-осевого исполнения имеет возможность наклона к земле для осуществления работ по его обслуживанию и ремонту, которая реализуется за счет наличия у несущей мачты определенным образом скошенного фланцевого соединения с диаметрально расположенными шарниром и крепежами, единственной гибкой связи верхней наклоняемой части мачты с лебедкой, поднятой с помощью рамы на необходимую высоту. Мачта может быть усилена в вертикально-осевой плоскости перфорированными ребрами жесткости по всей длине вероятного прогиба в горизонтальном положении.
Устройство относится к ветроэнергетическим установкам с осью вращения генераторного ротора, перпендикулярной направлению ветра (вертикально-осевые турбины или виндроторы).
Практический опыт показывает, что при переносе ветрогенерирующего оборудования из зон на отдельных максимально благоприятных участках морских побережий и шельфе происходит резкий рост себестоимости электроэнергии от ветра, которая становится на порядок выше, чем от сетевых источников. Кроме низкой энергетики атмосферных потоков в глубине материков причина состоит в более быстром износе ответственных элементов ВЭУ, работающих в нестабильной аэродинамической среде, при температурных перепадах, когда ветер резко и часто меняет как скорость, так и направление, турбины подвергаются обледенению. Из-за размещения турбинно-генераторного блока на большой высоте уже в «офшорной» ветроэнергетике эксплуатация оборудования является проблемной и дорогостоящей. При высоте опорных мачт ВЭУ до 50 м привлекаются специальные автокраны с большой стоимостью почасовой аренды, причем данные тяжелые механизмы не применимы в труднодоступных районах без дорог с твердым покрытием, на пересеченных местностях. В случаях более высоких башенных конструкций используется вертолетная техника. Доля эксплуатационных затрат в материковой ветроэнергетике становится еще более значимой в составе себестоимости электроэнергии и начинает носить определяющее значение. Здесь в три-пять раз сокращается межремонтный пробег ВЭУ, учащаются аварийные остановки, регулярно возникает необходимость полной замены поврежденных или изношенных частей.
В атмосферно-климатических условиях материкового применения ВЭУ возрастает значение технической задачи по перемещению турбинно-генераторного блока из труднодоступного рабочего положения на большой высоте в положение легкодоступное для обслуживания и ремонта, то есть к фундаменту установки.
Из развития техники известен ряд конструктивных решений указанной задачи. В большинстве из них турбинно-генераторный блок опускается к фундаменту ВЭУ за счет перемещения зубчатого колеса и вместе с ним гондолы устройства вдоль зубчатой рейки, установленной вертикально за одно целое с опорной мачтой (патенты US №№7442009, 2р09/008711), которая может разбираться на секции (патент RU №2075643).
В отдельных устройствах в тех же целях используются системы блоков, шарниров и канатов. При этом гондолы перемещаются по вертикали, как в ветроустановке с телескопическим регулированием габаритов (патент RU №2042861), или совершают наклон к фундаменту (патент RU №2037644). В последнем ветродвигателе вынос генератора и двух ветроколес в сторону от несущей башни, дополнительный вес двух кронштейнов, высокая парусность генерирующего узла создает нагрузку на фундамент установки и излишнюю чувствительность на изменения ветровой нагрузки. Соединение частей башни только при помощи шарнира имеет недостаточную прочность. Конструкция содержит несколько гибких элементов: канат, растяжку, цепи, которые снижают ее надежность.
Все известные технические решения разработаны исключительно для горизонтально-осевых ВЭУ, эффективность генерации которых падает вне «офшорных» атмосферно-климатических зон до 10-15%, существенно осложняют и удорожают конструкции, содержат много слабых и ненадежных элементов. Применительно к виндроторам, обладающим лучшей работоспособностью на материковых территориях, подобных систем практической значимости, направленных на облегчение и удешевление эксплуатации, не выявлено.
Целью изобретения является создание простого, прочного и надежного механизма наклона турбинно-генераторного блока к фундаменту установки виндроторного класса для проведения работ по обслуживанию и ремонту основного технологического узла.
Поставленная цель достигается тем, что турбина ВЭУ является вертикально-осевой, лебедка установлена на одном фундаменте рядом с мачтой, поднята на заданную высоту, обеспеченную рамой, жестко связанной с нижней частью мачты. При этом лебедка имеет гибкую связь с верхней часть мачты. Стык частей мачты выполнен фланцевым, скошенным вниз и в сторону, диаметрально противоположную лебедке, данный узел в дополнение к шарнирному соединению усилен стягивающим крепежом. Добавочная прочность мачте в продольном направлении может быть достигнута применением перфорированных ребер жесткости.
На фиг.1 показан предлагаемый виндротор в рабочем режиме ветрогенерации; на фиг.2 - тот же виндротор во время обслуживания и ремонта турбинно-генераторного блока, когда в указанных целях он опущен к основанию установки; на фиг.3 - сечение «А-А».
Устройство содержит единый фундамент 1, на котором установлены жестко связанные между собой нижняя часть мачты 2 и рама 3 под лебедкой 4, имеющей в свою очередь гибкую связь 5 с верхней частью мачты 6, где на вершине расположены генератор 7 и вертикально-осевая турбина 8. Части мачты состыкованы скошенным фланцевым соединением 9, в состав которого входят шарнир 10 и стягивающие крепежи 11. Мачта может быть усилена продольными ребрами жесткости 12, при ремонте может применяться промежуточная опора 13.
Виндротор действует следующим образом. Для обслуживания и ремонта турбинно-генераторного узла 7, 8 верхняя часть мачты 6, поворачиваясь вокруг шарнира 10, наклоняется к земле. Для этого разбираются крепежи 11 и стравливается гибкая связь 5 с лебедки 4. При возвращении виндротора в рабочее положение лебедка 4 натягивает гибкую связь 5 до тех пор, пока верхняя часть мачты 6, поворачиваясь вокруг шарнира 10, не займет вертикальное положение. После чего крепежи 11 стягиваются и виндротор становится готовым к работе.
Простота конструкции минимизирует число операций осуществляемых с виндротором в целях обслуживания и ремонта турбинно-генераторного блока. Благодаря наклону фланцевого соединения от лебедки осуществляются повороты верхней части мачты вокруг шарнира в том единственном направлении, которое нужно.
Прочность и надежность устройства достигается сокращением числа гибких связей до одной по сравнению с прототипом, где они применяются в количестве четырех элементов. На решение последней задачи направлено также фланцевое соединение нижней и верхней частей мачты, стягиваемое крепежами. При большой длине верхней части мачты, чтобы исключить ее прогиб в горизонтальном положении, делается усиление ребрами жесткости, размещаемыми продольно в вертикально-осевой плоскости, применяется промежуточная опора. В целях снижения парусности мачты, поднятой в рабочую позицию, упомянутые ребра жесткости исполнены перфорированными.