Ветрогенератор

Полезная модель относится к устройствам, использующим возобновляемые источники энергии на основе ветра, и может быть использована в качестве автономной энергоустановки для удовлетворения собственных нужд в электроэнергии отдельных потребителей, а также как дополнительный источник энергии в общей энергосистеме.
Под ветрогенератором понимают устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора электрической машины с последующим ее преобразованием в электрическую энергию.
Изначально энергия ветра использовалась для ее преобразования в механическую энергию. Однако механическая энергия с трудом передавалась на расстояние.
С изобретением электрических машин механическая энергия ветрового потока стала сразу преобразовываться в электрическую энергию.
Известен ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси, содержащий ротор, способный вращаться под действием ветра вокруг своей вертикальной оси по отношению к горизонту, и поворотный вал, связанный с ротором (RU 2294452 С1, F03D 3/00, опубл. 27.02.2007 Бюл. №6). Указанный ветряной двигатель жестко крепится на нескольких опорах, отличается громоздкостью и подвержен разрушению в условиях ураганных порывов ветра, резко меняющихся погодных условий.
Известен роторный ветродвигатель, содержащий каркас с закрепленным на нем с помощью подшипников валом и рабочими лопастями, которые соединены с валом с возможностью вращения с ним и выполнены в виде изогнутых в вертикальной плоскости по спирали, а в горизонтальной плоскости по дуге пластин (RU 2210000 С1, F03D 3/00, опубл. 10.08.2003 Бюл. №22). Недостатком данной конструкции является то, что в условиях холодного климата и резкого перепада температур, при наличии ледяного ветра происходит накопление льда на рабочих лопастях, их дисбаланс и разрушение.
Известна энергетическая установка по использованию ветровой энергии, содержащая расположенный на фундаменте вертикальный вал с электрогенератором, состоящим из статора и ротора, и коромыслами, на которых установлены лопасти, при этом на фундаменте дополнительно установлена неподвижная ось, выполненная в виде цилиндрической трубы, вертикальный вал, выполненный в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную ось, и расположенный соосно с ней (RU 2347942 C1, F03D 3/00, опубл. 27.02.2009 Бюл. №6). Однако данная энергетическая установка обладает низкой надежностью и безопасностью, у нее короткий срок эксплуатации. Эти недостатки вызваны низкой устойчивостью к разнонаправленным сильным порывам ветра во время штормов, ураганов, смерчей, проливных дождей, резко меняющихся погодных условий, вызывающих изгибающие осевые нагрузки на неподвижную ось и вертикальный вал. Низкая устойчивость энергетической установки к сильным порывам ветра и ураганным ветрам объясняется креплением вертикального вала на неподвижной оси с помощью подшипниковых узлов, содержащих радиальные (аксиальные) подшипники, которые рассчитаны, преимущественно, на восприятие нагрузок с векторами, перпендикулярными к оси вращения вертикального вала (радиальных), и подвергаются разрушению при наличии осевых нагрузок.
Указанная энергетическая установка по своей технической сущности и назначению является наиболее близкой заявляемой полезной модели и принята за прототип.
Перед полезной моделью была поставлена задача - обеспечить повышение надежности и безопасности, увеличить срок эксплуатации энергетической установки по использованию ветровой энергии в условиях сильных порывов ветра и ураганных ветров.
Общие существенные признаки технического решения, используемые в прототипе и в заявляемом техническом решении, характеризуются наличием неподвижной оси в виде цилиндрической трубы, электрогенератора, вертикального вала, выполненного в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную ось, и расположенного соосно с ней, с закрепленными на нем лопастями.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности и безопасности, увеличение срока эксплуатации.
Технический результат достигается за счет того, что в энергетической установке по использованию ветровой энергии, содержащей неподвижную ось в виде цилиндрической трубы, электрогенератор, вертикальный вал, выполненный в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную ось, и расположенный соосно с ней, с закрепленными на нем лопастями, вертикальный вал закреплен на неподвижной оси посредством двух подшипниковых узлов, верхний из которых содержит радиально-упорный подшипник, а нижний содержит самоустанавливающийся подшипник.
Радиально-упорные (радиально-аксиальные) подшипники могут одновременно воспринимать как радиальные, так и осевые (аксиальные) усилия. При этом радиально-упорные подшипники предназначены для преобладающих радиальных нагрузок, свойственных фактическим условиям эксплуатации ветрогенератора.
Достижению заявленного технического результата способствует также использование в предлагаемой конструкции ветрогенератора самоустанавливающегося (самовыравнивающегося) подшипника.
Самоустанавливающийся шарикоподшипник имеет два ряда шариков с двумя независимыми дорожками качения на одном внутреннем кольце и одной общей сферической дорожкой качения на наружном кольце. Эта особенность конструкции обеспечивает самоустанавливаемость подшипника, позволяя ему воспринимать угловые перекосы и изгибы вертикального вала относительно неподвижной оси при сильных порывах ветра и ураганных ветрах.
Самоустанавливающиеся подшипники особенно необходимы в узлах, где возможны значительные изгибы вала или различные перекосы. Кроме того, они имеют самый низкий коэффициент трения из всех подшипников качения, благодаря чему слабо подвержены нагреву даже при вращении с высокими скоростями. Низкий коэффициент трения самоустанавливающегося шарикоподшипника повышает не только его надежность и безопасность, увеличивает срок эксплуатации, но и всего ветрогенератора в целом. При этом самоустанавливающиеся подшипники способны компенсировать такие перекосы вала, при которых другие подшипники быстро изнашиваются.
Самоустанавливающиеся двухрядные шарикоподшипники, таким образом, самовыравниваются в процессе эксплуатации, компенсируя угловую несоосность вертикального вала с неподвижной осью, которая возникает при изгибах и перекосах вала.
На чертеже представлен ветрогенератор (вид сбоку).
На фундаменте 1 расположена неподвижная ось 2, выполненная в виде цилиндрической трубы. Вертикальный вал 3 выполнен в виде цилиндрической трубы, охватывающей неподвижную ось 2, и расположен соосно с ней. К валу 3 жестко прикреплены лопасти 4. Вертикальный вал 3 сочленен с ротором 5 генератора, который расположен соосно с жестко закрепленным статором 6. Вертикальный вал 3 сочленен с неподвижной осью 2 посредством подшипниковых узлов, верхний из которых содержит радиально-упорный подшипник 7, а нижний содержит самовосстанавливающийся подшипник 8.
Ветрогенератор действует следующим образом.
Ветровая нагрузка на лопасти 5 приводит во вращение вертикальный вал 3 с ротором 5 электрогенератора. При вращении ротора 5 относительно неподвижного статора 6 происходит преобразование механической энергии вращательного движения в электрическую энергию.
Иготовленные опытные образцы ветрогенератора подтвердили достижение заявленного технического результата. В процессе эксплуатации без выхода из строя они выдерживали воздействие сильных порывов ветра и ураганных ветров.
Заявляемая конструкция ветрогенератора является новой, промышленно применимой. Она несложна при монтаже, проста в техническом обслуживании.
Предлагаемое техническое решение особенно актуально в условиях глобального изменения климата, резкого увеличения количества природных катаклизмов, в том числе, ураганных ветров, смерчей, снежных и суровых зим.