РОТОРНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ВСТРЕЧНОГО ВРАЩЕНИЯ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использовано в электромашиностроении.
Ветроэнергетическая установка позволяет повысить надежность, коэффициент использования ветра, КПД и исключить гироскопические нагрузки на конструкцию роторов при колебаниях опоры за счет вращения верхнего и нижнего ярусов в противоположные стороны, ротор и статор генератора кинематически соединены с вращающимися роторами, чем обеспечивается выработка электроэнергии при скоростях ветра 5-7 м/с.
В качестве прототипа принята роторная ветровая установка с вертикальной осью вращения (вариант двухъярусный), патент по изобретению РФ №2347104, патентообладатель ООО ТРЦ «Вертикаль» (RU). Указанный прототип имеет следующие недостатки: номинальная скорость ветра составляет 10-12 м/с, при которой ветроустановка отдает мощность, на которую рассчитана, что не позволяет эффективно ее использовать при скорости ветра менее 10 м/с. Следует отметить, что средняя скорость ветра на большей части территории РФ составляет 5-7 м/с и менее; горизонтальные лопасти ярусов служат только для торможения роторов при скоростях ветра выше максимально допустимых; подшипники опоры ярусов полностью воспринимают нагрузку от веса вращающихся частей конструкции, что снижает их надежность по критерию работоспособности; при ураганном ветре 45-60 м/с ротор будет вращаться со скоростью 300-600 об/мин, что приведет, при незначительном изгибе мачты, к возникновению значительных усилий в конструкции за счет гироскопического эффекта. Прототип ветровой установки с вертикальной осью вращения не имеет системы полного торможения вращения ярусов, что не позволяет при наличии ветра провести экстренную остановку или проводить профилактические мероприятия по техническому обслуживанию.
Ветроэнергетическая установка встречного вращения (фигура 1) состоит из вертикальной опоры 1, к которой крепится генератор 2, к статору 3 и ротору 4 генератора крепятся верхний и нижний ярусы 5 и 6 соответственно посредством горизонтальных лопастей 8 и 9, к которым одним концом крепятся вертикальные лопасти 10 и 11. Горизонтальные и вертикальные лопасти имеют аэродинамический профиль ЦАГИ; лопасти верхнего и нижнего ярусов ориентированы в противоположные стороны. Вертикальные лопасти установлены под острым углом к касательной окружности - траектории движения конца горизонтальных лопастей обоих ярусов (показаны на фигуре 2). Горизонтальные, лопасти установлены под острым углом к плоскости их вращения (фигура 2). Другие концы вертикальных лопастей обоих ярусов крепятся к плоским кольцам 12-13. Вертикальные лопасти имеют смещенный центр тяжести относительно осей 14-15 за счет профильных грузов 16-17, закрепленных внутри задних кромок вертикальных лопастей (показано на фигуре 2); ось ротора генератора закреплена в подшипниковом узле 18; механизма токосъема 19; пружины 20, закрепленной на горизонтальных и вертикальных лопастях. Горизонтальные лопасти имеют упор 21 (фигура 2), ограничивающий поворот вертикальных лопастей; количество вертикальных и горизонтальных лопастей варьируется от 2 до 12 штук
Роторная ветроэнергетическая установка имеет механическое тормозное устройство, которое состоит из: диска статора 22, неподвижно соединенного с фланцем 23 статора; диска ротора 24, соединенного с валом ротора и имеющим свободное перемещение в осевом направлении; диска 25, соединенного с опорой через подвижную втулку 26, имеющую свободное перемещение вдоль оси вращения; тяги 27, соединенной с вилкой 28 и рычагом 29.
1в
1г
2в
2г
1в
1г
2в
2г
в
н
в1
в2
Роторная ветроэнергетическая установка встречного вращения работает следующим образом: при появлении минимальной скорости ветра 3,5-4,0 м/с верхний и нижний ярусы ветроэнергетической установки начинают противоположные вращательные движения вокруг оси опоры; набегающий поток воздуха, воздействуя на аэродинамические профили вертикальных и горизонтальных лопастей верхнего и нижнего ярусов, обеспечивают появление подъемных сил R, R и R, R, соответственно верхнего и нижнего ярусов, эти силы создают крутящие моменты М от вертикальных и M от горизонтальных лопастей верхнего яруса, М от вертикальных и М от горизонтальных лопастей нижнего яруса, эти моменты обеспечивают надежное начальное вращение ярусов, т.к. начальный момент трогания уменьшается за счет условного деления ветроэнергетической установки встречного движения на две части - верхнего и нижнего ярусов, которые раскручиваются самостоятельно в противоположные стороны под действием скорости ветра V и скорости набегающего потока воздуха V от вращательной угловой скорости ω верхнего яруса и ω нижнего яруса; горизонтальные лопасти верхнего и нижнего ярусов при вращении создают вертикальную составляющую аэродинамических сил, которая действует вверх вдоль оси вращения, уменьшают вес ротора, тем самым разгружаются подшипники генератора, и чем больше угловая скорость вращения ротора верхнего и нижнего ярусов, тем большую разгружающую силу создают горизонтальные лопасти ярусов, что ведет к увеличению КПД и снижению трения в подшипниках генератора.
1Г
2Г
1В
2В
∗
∗
Горизонтальные лопасти создают дополнительные вращающиеся моменты M и М, что также обеспечивает повышенный КПД и коэффициент использования ветра ξ по сравнению с прототипом. Торможение вращательного движения роторной ветроэнергетической установки встречного движения осуществляется за счет использования центробежных сил, которые действуют на вертикальные лопасти верхнего и нижнего ярусов, так как эти лопасти имеют смещенный центр тяжести за счет утяжеления хвостовой части вертикальных лопастей ярусов и удерживаются пружинами в рабочем положении под острым углом 4-7° к касательной линии окружности, описываемой концом горизонтальной лопасти, осуществляется рабочий режим работы установки. В том случае, если скорость ветра превысит установленный предел (20 м/с), центробежные силы, действуя на утяжеленную хвостовую часть вертикальных лопастей, преодолевают усилие пружины, поворачивают вертикальные лопасти ярусов на угол 7-15° до упора, тогда вращательные моменты M  и М  действуют в противоположные стороны относительно рабочего вращения роторов, обеспечивая торможение установки, постоянство максимального угла поворота 15° вертикальных лопастей при предельном торможении обеспечивается упорами, поэтому при увеличении скорости ветра более критической увеличивается и момент, препятствующий вращательному движению, обеспечивая нормальную работу установки. Формула для расчета аэродинамического торможения имеет следующий вид:
∗
1В
1В
1Г
- М ≥M+M - для верхнего яруса,
∗
2В
2В
2Г
- М ≥М+М - для нижнего яруса,
∗
∗
∗
1B
1В
1
- M =R ·d ,
∗
∗
∗
2В
2В
2
- M =R ·d ,
∗
∗
∗
∗
1В
2В
1
2
где R , R  - подъемная сила, d , d  - плечо силы.
Выработка расчетной электрической энергии начинается при скоростях ветра 5-7 м/с за счет вращения ротора и статора генератора в противоположные стороны, при этом относительная скорость пересечения магнитных силовых линий ротора и витков катушек вращающегося статора увеличивается. Следует отметить, что расчетная электрическая мощность у прототипа начинает вырабатываться при скоростях ветра 10-12 м/с. Низкая скорость ветра, необходимая для выработки электроэнергии, позволяет расширить географию применения заявленной роторной ветроэнергетической установки встречного движения в районах со средними скоростями ветра от 3,5 до 7 м/с.
Установка и техническое обслуживание заявленной установки осуществляется при заторможенных ярусах с помощью тормозного устройства с тремя тормозными дисками.
Механическое тормозное устройство работает следующим образом: при опускании тормозного рычага 29 вилка 28, действуя на подвижную втулку опоры 26, и перемещает невращающийся диск опоры 24 вдоль оси, прижимает диск ротора 24, который в свою очередь, перемещается по шпоночному пазу вдоль соединения, прижимается к тормозному диску статора 22, в результате этих взаимодействий ярусы ветроустановки прекращают вращательное движение.