ВЕТРЯНАЯ ТУРБИНА

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована при производстве ветроэнергетических установок горизонтально-осевого типа.
Известна ветряная турбина ветроэнергетических установок горизонтально-осевого типа, например, BWC EXCEL-S [1], Alize 10kW [2], а также ряд других подобных установок с генератором переменного тока на постоянных магнитах с неподвижным креплением лопастей к корпусу ротора генератора, играющему роль ступицы.
Недостаток известной ветряной турбины заключается в высоком сопротивлении страгивания при пуске в работу вследствие действия сил магнитного взаимодействия статора и магнитов ротора генератора, что определяет высокую скорость пуска ветряной турбины в работу, следовательно, и пониженную выработку электроэнергии ветроэнергетической установкой.
Известна ветряная турбина [3] с регулятором частоты вращения для пуска ветроколеса в работу и ограничения числа оборотов в заданных пределах в диапазоне рабочих скоростей ветра. Регулятор состоит из двух втулок, ограничителя, коромысла, двух скоб, рабочей и пусковой пружины. При отсутствии ветра пусковая пружина выводит лопасти на пусковые углы. Таким образом, наличие регулятора в составе ступицы ветроколеса с полноповоротными лопастями направлено на увеличение пускового момента для преодоления момента сопротивления страгиванию.
Недостаток известной ветряной турбины заключается в сложности изготовления и в сложных расчетных условиях работы по перестановке положения лопастей под действием ветровой нагрузки.
Известна ветряная турбина [4 - прототип], содержащая несущий вал с установленным на нем рабочим колесом со ступицей, с закрепленными на ступице поворотными лопастями, с сопряжением несущего вала со ступицей в виде подвижного зацепления, при этом валики поворотных лопастей кинематически связаны между собой и с несущим валом при помощи тяговой тарелки, закрепленной на торце несущего вала, и шарнирных двухзвенных рычагов, а регулятор мощности выполнен в виде пружины, надетой на вал между упором и подвижной ступицей, на которой закреплен регулируемый трубчатый упор.
Недостатком известной ветряной турбины является низкая надежность и сложные расчетные условия работы по перестановке положения лопастей под действием ветровой нагрузки.
Предлагаемой полезной моделью решается задача снижения момента сопротивления страгиванию при пуске в работу ветряной турбины путем применения подвижной ступицы с неподвижным креплением лопастей.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в ветряной турбине, содержащей несущий вал с установленным на нем рабочим колесом со ступицей с неподвижным креплением лопастей на валу, ступица установлена с зазором на главном валу турбины с возможностью осевого перемещения (качения) на расстояние хода b, по поверхности шариков, помещенных в продольные пазы между втулкой ступицы и валом, и передачи через шарики вращающего момента, при этом одним торцем своей втулки ступица упирается в ограничитель осевого перемещения, а другим торцем упирается в пружину сжатия, установленную на валу между ступицей и статором генератора с возможностью обеспечения, при отсутствии ветра (в нерабочем состоянии), расстояния, равном сумме хода ступицы b и эффективного осевого зазора δ между катушками статора и магнитами ротора генератора.
На фигуре 1 показан продольный совмещенный разрез ветряной турбины с подвижной ступицей.
На фигуре 2 показан поперечный разрез подвижной ступицы ротора ветряной турбины.
Согласно фигурам 1 и 2 в ветряной турбине с неподвижным креплением лопастей 1 ступица 2 установлена с зазором на главном валу 3 турбины с возможностью осевого перемещения (качения) на расстояние хода b по поверхности шариков 4, помещенных в прадольные пазы между втулкой ступицы и валом, и передачи через шарики вращающего момента, при этом одним торцем своей втулки ступица упирается в ограничитель 5 осевого перемещения, а другим торцем упирается в пружину сжатия 6, установленную на валу между ступицей и статором генератора 7 содержащего катушки 8. Ротор генератора, содержащий высокоэффективные магниты 9 является составной частью подвижной ступицы ветряной турбины.
Для обеспечения плавности и равномерности осевого перемещения (качения) и для снижения контактных напряжений при передаче вращающего момента длина втулки подвижной ступицы 2 больше диаметра главного вала 3, а количество пазов для размещения шариков 4, два или более.
Продольные пазы ступицы 2 заполнены шариками 4 определенного диаметра, имеющими между собой и торцевыми ограничителями 5 и 10 необходимый для плавного качения зазор, покрыты смазкой.
Пружина сжатия 6 установлена на валу между ступицей 2 и статором генератора 7 с возможностью обеспечения, при отсутствии ветра (в нерабочем состоянии), расстояния, равном сумме хода ступицы b и эффективного осевого зазора δ между катушками 8 статора и магнитами 9 ротора генератора.
Работает ветряная турбина следующим образом.
При отсутствии достаточного ветрового потока пружина 6 перемещает ступицу 2 в крайнее положение до упора в ограничитель 5. Между катушками 8 статора и магнитами 9 ротора генератора образуется свободное пространство с расстоянием b+δ таким, что магнитное взаимодействие и момент сопротивления страгиванию практически отсутствуют.
При возникновении ветрового потока со скоростью, близкой к скорости страгивания, на спинке лопасти 1 возникает разряжение. Аэродинамические силы преодолевают силы трения в подшипниках, и ветряная турбина приходит в движение. Создаваемый лопастью 1 вращающий момент Мвр передается через подвижную ступицу 2 и шарики 4 на главный вал 3. В отсутствии дополнительных сил сопротивления, кроме сил трения в подшипниках, страгивание главного вала 3 происходит при меньших скоростях ветра.
Аэродинамические силы на лопастях 1 кроме проекции на плоскость вращения с образованием движущих сил дают проекцию на ось вращения ветряной турбины с образованием осевой силы, направленной от ступицы 2 к генератору 7. Осевая сила, преодолевая сопротивление пружины 6, перемещает подвижную ступицу 2 по шарикам 4 на расстояние b, тем самым, уменьшая расстояние между катушками 8 статора и магнитами 9 ротора генератора до расстояния δ наперед заданной величины, обеспечивающей их наиболее эффективное взаимодействие для выработки электрического тока. При этом ступица 2 через шарики 4 становится на упор продольного паза главного вала 3. Дальнейшее увеличение скорости ветра и возрастающая осевая сила уравновешиваются реакцией в упоре продольного паза главного вала 3.
Снижение скорости ветра уменьшает осевую силу и реакцию в упоре продольного паза вала 3, но не изменяет расстояния δ во всем рабочем диапазоне скоростей ветра, вплоть до скорости страгивания. При уменьшении скорости ветра до скорости, ниже скорости страгивания, пружина 6, преодолевая осевое усилие подвижной ступицы 2, перемещает ступицу в направлении от генератора 7 до постановки на упор ограничителя 5.
Предлагаемая ветряная турбина с подвижной ступицей состоит из типовых и освоенных промышленностью элементов и имеет более простую и надежную конструкцию с меньшим, по сравнению с прототипом, количеством узлов и агрегатов. Ветряная турбина с подвижной ступицей и неподвижными лопастями близкой конструкции была испытана в составе экспериментальной ветроэлектрической установки 018.00.000.
Библиографические данные
1. http://www.bergey.com/technical (сайт компании «Bergey Windpower Со»)
2. http://www.fortiswindenergy.com/products/wind-turbines/alize (сайт компании «Fortis Wind Energy»)
3. Агрегат ветроэлектрический унифицированный модернизированный типа АВЭУ6-4М. 133ГА.636.008 ТО Техническое описание.
4. Патент RU 2165544 C1. Ветродвигатель, F03D 1/00 14/09/1999