ЭКОЛОГИЧНАЯ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ ВЕТРОТУРБИНА НА ГОРИЗОНТАЛЬНОМ ВАЛУ
ENVIRONMENTAL-FRIENDLY AND ENERGY-EFFICIENT WIND TURBINE ON HORIZONTAL SHAFT

Экологичная и энергоэффективная ветротурбина на горизонтальном валу.
Задачей предполагаемого изобретения является создание простой и надежной конструкции ветротурбины, отвечающей основным требованиям по экологии (минимизации вибрационных шумов, помех для электроники, влияния на здоровье людей, отсутствие внешних вращающихся деталей - не бьет птиц и другую летающую живность, может использоваться внутри жилого комплекса, например, на крышах жилых построек) и обеспечивающей максимально возможный съем энергии с ВП. Достигается это выбором оптимального значения угла атаки α всех крыльев, при котором обеспечивается максимальновозможная скорость вращения главного горизонтального вала (его вращающего момента) при конкретных текущих значениях скорости ВП и нагрузки на генераторе (рабочем валу ветротурбины).
В качестве аналога выбран энергопреобразователь по Патенту RU №2253747 кл. F03D 3/00 от 10.06.2005 г. Этот энергопреобразователь содержит ветротурбину, выполненную в виде лопастей, установленных на горизонтальном рабочем валу, приводной вал, кинематически связанный с рабочим валом генератора, и направляющий хвостовик. Рабочий вал и приводной вал установлены с возможностью вращения на одном кронштейне и связаны друг с другом через коническую передачу. В рассматриваемом аналоге применена лопастная ветротурбина, наиболее распространенная для современных ВТ. Однако она имеет ряд недостатков, ограничивающих область ее применения. Недостатком данной конструкции является малая поверхность лопасти, а как следствие этого - начальный крутящий момент близок к нулю и поэтому запуск таких ветродвигателей затруднен. Крупные установки вообще приходится раскручивать от постороннего источника. Скорость концов лопастей при сильном ветре может приближаться к скорости звука, создавая шум как у винтомоторного самолета и помехи для электронных устройств (бьют птицу и другую летающую живность). При повороте ветродвигателя с изменением направления ветра на лопасти действует гироскопический момент, стремящийся дважды на каждом обороте изогнуть лопасть (вперед и 2 назад), а это может вызывать большие напряжения, приводящие иной раз и к отрыву лопастей. Чтобы избежать этого, лопасти максимально облегчают и применяют специальные устройства - виндрозы, осуществляющие очень медленный поворот ветродвигателя. Система виндроз и другие дополнительные устройства значительно усложняют и повышают стоимость этих ВТ.
Рассмотрим профиль крыла в потоке воздуха по фиг. 1, где угол α - это угол атаки крыла относительно вектора воздушного потока. (ВП). Подъемная сила крыла:
где p - массовая плотность воздуха, V - скорость движения крыла относительно воздуха, S - площадь крыла, Су - коэффициент подъемной силы крыла. Совершенно понятно, что все зависит от коэффициента подъемной силы Су по (1). Он сильно зависят от угла атаки отдельного крыла в ВП (см. фиг. 2).
Ветротурбина Дарье (ВД) с вертикальным валом по сравнению с широко распространенными пропеллерными ВТ с горизонтальным валом обладают рядом преимуществ. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикально-осевые ВТ с ВД и аэродинамическим профилем крыла.
В качестве второго аналога выбрана ВТ по патенту RU №2042044, кл. F03D 3/00 от 20.08.1995 г "Карусельный ветродвигатель", опубликованному 20.08.1995 г., который содержит установленную на вертикальной оси (вертикальном валу) ВД с лопастями аэродинамического профиля, размещенными на радиальных штангах, и механизм изменения угла атаки лопастей путем поворота лопастей вокруг собственных осей, параллельных оси вращения ротора. Механизм выполнен в виде связанного с каждой лопастью устройства изменения угла атаки, соединенного с другими аналогичными устройствами, радиальными штангами посредством согласующего узла, смонтированного на оси вращения ротора. Устройство изменения угла атаки содержит смонтированный на каждой радиальной штанге корпус, в котором установлен пространственный кривошипно-шатунный механизм качающейся шайбы, связанный с осью лопасти посредством конической шестерни ориентации, сидящей на оси кривошипа, на которой установлен подшипник кронштейна, качающейся шайбой является втулка с двумя радиальными цапфами, установленная с возможностью поворота на наклонной оси, расположенной под углом α=45 градусов к оси лопасти, а на цапфах шарнирно укреплены два вильчатых поводка, ось одного из которых установлена с возможностью вращения в подшипнике, размещенном на основании корпуса под углом β к линии оси лопасти, а ось второго вильчатого поводка установлена с возможностью поворота в подшипнике кронштейна, причем угол β не превышает угол α, а согласующий узел выполнен в виде конического дифференциала.
1. Основным недостатком рассмотренной ВТ является сложность конструкции механических узлов управления углом атаки отдельных его лопастей (крыльев).
2. Сложно добиться надежности при эксплуатации механической системы управления углами атаки.
3. Стоимость 1 квт установленной мощности, рассмотренной ВТ будет завышена из-за узла управления углом атаки.
4. С точки зрения экологии применение такой ВЭУ в жилой зоне проблематично, как и ВЭУ с ЛВ (шумы, помехи электронике, битье птиц и другой летающей живности).
В качестве прототипа предложен патент №2563558 Цилиндрическая ветротурбина. Опубликовано: 20.09.2015 г. Бюл. №26. Цилиндрическая ветротурбина (ЦВТ) установлена на главном горизонтальном валу ВТ, содержит аэродинамические крылья, размещенные на радиальных штангах переднего и заднего колеса, и механизм изменения углов атаки α крыльев, причем поверхность цилиндра примыкает к переднему и заднему колесам, состоящим из ободов, ступиц, закрепленных на главном горизонтальном валу ЦВТ, и радиальных штанг, соединяющих обода колес со своими ступицами, где колеса имеют по N>2 симметрично расположенных штанг, а положение штанг заднего колеса сдвинуто относительно штанг переднего на угол β, который задает угол атаки α для всех лопастей при наладке и фиксируется ступицей заднего колеса, на штангах находятся точки крепления ближайших боковин всех N лопастей, а к одноименным точкам крепления штанг на ободах обоих колес крепятся N ребер, к последним подсоединены противоположные боковины соответствующих лопастей, причем к задней кромке лопастей на шарнире прикреплены закрылки с нагрузочными планками на нижней кромке и ограничителями, совпадающими по направлению с нижней плоскость лопастей.
В состав устройства входит цилиндрическая ветротурбина (ЦВТ) на главном горизонтальном валу, на этом же валу находится конический редуктор, втулки с подшипниками, обеспечивающими вращение главного вала с малым коэффициентом трения, базовая опорная конструкция, защитная сетка, рабочий вал, который через коническую передачу передает вращение с главного вала на блок генератора через радиальный подшипник, его опору и соединительную муфту, блок генератора с механизмом изменения оборотов, выход которого подается на вход преобразователя электроэнергии. С целью обеспечения ориентации ЦВТ на ВП в качестве флюгера используется боковая поверхность цилиндра, а центром вращения при ориентации по направлению ветра является рабочий вал. Активными элементами ЦВТ являются АК с закрылками, закрепленными к задней кромке каждого крыла. Таким образом внутри цилиндра сформирован аналог ВД с горизонтальным валом, кроме того, крылья в ЦВТ закреплены на штангах колес, ребер и составляют единый (цельный) механизм с цилиндром. Особенностью конструкции ЦВТ является постоянное оптимальное положение всех крыльев относительно вектора входного ВП - т.е. его угла атаки α.
Установка при наладке угла β (β - угловой сдвиг между радиальными штангами переднего и заднего колес ЦВТ) - позволяет выставить постоянный, оптимальный угол атаки для всех крыльев в номинальном режиме работы (номинальной скорости ВП, номинальных оборотах главного горизонтального вала). Резервом эффективности ЦВТ является разница скоростей ВП на ее выходе и скорости ВП, обтекающего цилиндр с внешней стороны.
Недостатки конструкции прототипа:
1. Оптимизация угла атаки крыльев α осуществляется только для некоторого номинального режима работы, снижая эффективность ЦВТ в остальных режимах работы.
2. Конструкция ЦВТ позволяет изменять угол атаки α в очень малом диапазоне (на несколько градусов).
Задачей предполагаемого изобретения является создание простой и надежной конструкции ветротурбины, отвечающей основным требованиям по экологии (минимизации вибрационных шумов, помех для электроники, влияния на здоровье людей, отсутствие внешних вращающихся деталей - не бьет птиц и другую летающую живность, может использоваться внутри жилого комплекса, например, на крышах жилых построек) и обеспечивающей максимально возможный съем энергии с ВП.
Для решения этой задачи разработана ветротурбина (ВТ), установленная на главном горизонтальном валу (ГГВ). Она содержит аэродинамические крылья (АК), закрепленные на штангах, и механизм изменения углов атаки α крыльев. Ее формообразующим элементом является симметричная призма, а ступицы, закрепленные на переднем и заднем концах ГГВ, соединены с помощью штанг под углом π/2 с серединами сторон соответствующих симметричных многоугольников - оснований симметричной призмы. Причем передние кромки АК закреплены на комплекте передних штанг с помощью петель, а на комплекте задних штанг, на их серединах, установлены регуляторы угла атаки α крыльев (РУАК), состоящие из следящего электропривода с датчиком и регулятором положения, которые задают угол атаки α всем АК по командам из узла управления ветротурбины (УУВ) на базе контроллера, на входы регуляторов угла атаки α крыльев, вращающих оси с резьбой, на которых насажены гайки с возможностью перемещения при изменении угла атаки α в пазах, которые располагается вблизи задних кромок аэродинамических крыльев и перпендикулярны им. Причем задние кромки всех аэродинамических крыльев двигаются синхронно.
Узел управления ветротурбины состоит из экстремального регулятора оборотов главного горизонтального вала, получающего информацию от датчика оборотов главного горизонтального вала. Для защиты разработанной ветротурбины в УУВ предварительно введены предельные контролируемые значения параметров: скорости воздушного потока, оборотов главного горизонтального вала, тока генератора. Когда сигналы, получаемые от соответствующих датчиков, превышают предельные контролируемые значения параметров, контроллер переключает входы РУАК от выхода экстремального регулятора на входы регуляторов слежения соответствующих параметров на базе контроллера, которые через РУАК отклоняют угол атаки крыльев от оптимального значения, т.е. уменьшают угол атаки α вплоть до нуля.
Общий вид заявляемой ВТ дан на фиг. 3. Формируют симметричную призму и симметричные многоугольники в переднем и заднем ее основании. В состав ВТ входит симметричная призма - 1, ГГВ - 2, на этом же валу находится конический редуктор - 5, втулки - 6 с подшипниками, УУВ - 6а, в состав которого входит контроллер, датчик оборотов ГГВ (ДОГГВ), а также на его входы подключены датчик скорости ВП (ДСВП)- 6б с датчиком тока генератора (ДТГ) из преобразователя энергии - 12, базовая опорная конструкция - 3, защитная сетка - 4, рабочий вал - 7, который через коническую передачу передает вращение с ГГВ - 2 на блок генератора через радиальный подшипник - 8, его опору - 9 и соединительную муфту - 10, блок генератора с механизмом изменения оборотов - 11 и датчиком тока генератора (ДТГ), выход которого подается на один из входов контроллера и на преобразователь электроэнергии - 12, а сама ВТ размещена, например, на крыше жилого здания - 13. С целью обеспечения ориентации ВТ на вектор ВП устанавливается круговая вилка - 14, колесо на оси с ограничителем - 15 и кольцевой опорой - 16, причем в качестве флюгера используется боковая поверхность ВТ, а центром ее вращения при ориентации на вектор ВП является рабочий вал - 7.
Решение поставленной задачи достигается за счет доработки конструкции прототипа - ЦВТ. Симметричная призма - 1 состоит из симметричных многоугольников в переднем - 17 и заднем - 18 ее основании, ступиц 20, закрепленных на концах ГТВ - 2 и переднего комплекта штанг (фиг. 4) и заднего комплекта штанг (фиг. 5) - 21 соединяющих ступицы - 20 с соответствующими серединами сторон многоугольников - 17, 18 - оснований ВТ на ее входе (спереди) и на выходе (сзади). К комплекту передних штанг передние кромки АК-23 закрепляются с помощью петель - 22. РУАК-25, закрепленные посредине задних штанг - 21, вращают оси с резьбой - 26, на которых насажены гайки - 27, закреплены в пазах - 28, допускающих перемещение гаек при изменении угла атаки α в пределах h на задних кромках АК. Задние кромки АК при вращении осей с резьбой - 26 двигаются синхронно под воздействием своих РУАК-25, задавая оптимальное значение угла α для всех АК по командам с УУВ - 6а (фиг. 5, 6).
Активными элементами ВТ являются АК-23 (длиной, например, L и шириной t по фиг-6). Особенностью конструкции ВТ является поддержание оптимального положения всех АК-23 относительно вектора входного ВП - т.е. их угла атаки α в рабочем режиме. При рабочем угле атаки α положение передней кромка каждого АК будет отличаться от задней его кромки относительно вектора ВП примерно на величину Н - разность уровней передней и задней кромки крыльев (см. фиг. 7).
где L - длина призмы (в нашем примере L=R).
При отработке угла атаки α РУАК - 25 задняя кромка АК-23 смещается в сторону входа ВТ примерно на величину
В связи с этим, гайки-27 помещают в пазах-28, допускающих их перемещение при изменении угла атаки α АК-23 не менее чем на h. В общем случае оптимальный угол атаки АК α может варьироваться в широком диапазоне (например, от 0 до 20-30 градусов в зависимости от соотношения Н и L по фиг. 7). Необходимо отметить, что сама призма-1 является надежным флюгером с боковой площадью 2RL, кроме того, по (1) за счет удлинения призмы возможно увеличение площади каждого АК и его подъемной силы. Резервом эффективности ВТ является разница скоростей ВП на выходе призмы-1 и ВП обтекающего ее с внешней стороны (в связи с более высокой скоростью внешнего ВП создается разряжение на выходе призмы и вытяжка внутреннего ВП ВТ). Предлагаемая ВТ работает в 2-х режимах. Рабочем и защитном. В рабочем режиме экстремальный регулятор беспрерывно корректирует угол атаки α всех крыльев при малейшем изменении скорости ВП (и существенном изменении нагрузки). При этом РУАК вращает ось с резьбой-26, перемещая по оси гайку-27, которая движется внутри паза-28, смещая заднюю кромку АК от уровня передней кромки АК. Одновременно сама гайка смещается внутри паза-28 в сторону передней или задней кромки АК в пределах п. Сам паз-28 располагается вблизи задних кромок крыльев и перпендикулярно им. Важным процессом при оптимизации рабочего режима ВТ является самоориентация ВТ на вектор ВП за счет большой боковой площади BT-2LR и большого плеча для момента вращения вокруг рабочего вала-7 (более половины L). Предложенная система ориентации более надежна, чем в ВТ классического исполнения (с горизонтальным валом и пропеллерной турбиной и специальной системой ориентации). Таким образом, предложенная ВТ в рабочем режиме обеспечивает максимально возможную скорость ГГВ, рабочего вала и оборотов генератора (максимально возможную эффективность). Дополнительную оптимизацию работы ВТ можно обеспечить за счет регулирования нагрузки (Соколовский Ю.Б., Соколовский А.Ю., Современные ветроэнергетические установки (обзор). Электротехнический сетевой электронный журнал. 2015 г, том 2, №4, стр. 27-38) при наличии аккумуляторов большой емкости. Для защиты ВТ от штормовых ВП предусмотрен защитный режим работы. В контроллер предварительно введены предельные контрольные значения скорости воздушного потока, оборотов главного горизонтального вала, тока генератора, причем когда сигналы, получаемые от соответствующих датчиков (ДОГГВ, ДСВП, ДТГ), превышают предельные значения контролируемых параметров, контроллер переключает входы РУАК от выхода экстремального регулятора на входы регуляторов слежения соответствующих параметров на базе контроллера, которые через РУАК отклоняют угол атаки крыльев от оптимального значения, т.е. уменьшают угол атаки α (вплоть до нуля). Таким образом, разработанная ВТ энергетически более эффективна по сравнению с прототипом и также обладает высокими экологическими характеристиками. Важным достоинством ВТ является автоматическая ориентация на вектор ВП. Разработка может найти применение в ВТ мощностью 10-20 кВт в жилой зоне.