НАЗЕМНО-ГЕНЕРАТОРНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
GROUND-GENERATOR WIND ENGINE

Применяется для высотной генерации энергии атмосферных потоков на уровне скоростных ветров в электрическую энергию.
Настоящий ветродвигатель относится к энергетическим установкам, имеющим ортогональные лопасти и горизонтальную ось вращения виндроторов, перпендикулярную направлению ветра.
В ветроэнергетике известны устройства, ветросиловые блоки которых входят в состав воздухоплавательных модулей и подняты ими на высоту скоростных ветров. При этом в ряде конструкций ветросиловые блоки разделены так, что их турбины совместно с аэростатной оболочкой остаются на большой высоте, а генераторы опущены в наземное положение и входят в состав наземных причальных узлов. Этим достигается значительное уменьшение веса воздухоплавательного модуля на вес массивного генератора (65-70% от массы всего силового агрегата), снижение объемов газонаполнения аэростатной оболочки. Массогабаритные характеристики высотной части устройства улучшаются еще более, т.к. устранение генератора, как единственно пожароопасного узла, из состава ветросилового блока воздухоплавательного модуля вниз на значительное расстояние создает предпосылки для безопасной замены гелиевого газонаполнения аэростатной оболочки на водород, более дешевый, доступный и создающий большую подъемную силу.
Воздухоплавательный модуль при наземной дислокации генератора может быть поднят на высоту скоростных ветров с помощью аэростатных оболочек, после чего полезная работа совершается парусными элементами (патент RU 2467201 С2, 27.11.2012) или парашютными куполами (патент US 20130307274 А1, 21.11.2013), которые под воздействием ветра перемещаются в сторону от причальных узлов и тянут за собой троса, стравливая их с наземных барабанов, что передают вращение на валы тут же расположенных генераторов. Однако при снижении скорости ветра ниже допустимого значения тяга парусов и парашютов падает, паруса могут провиснуть, а купола схлопнуться, полезная работа прекращается. Оба устройства периодически нуждаются в энергии от стороннего источника, что затрачивается на намотку тросов на барабаны после их полного стравливания под напором ветра на паруса или парашюты. Таким образом способ и средства генерации энергии ветра в данных устройствах не являются оптимальными.
В наземный генератор ветроэнергетической установки (патент SU 1302011 А1, 07.04.1987) вращение поступает через гибкий вал от вновь парусного элемента, скрученного винтом при помощи поперечных стержней и тросов. Использованные для создания винтовой конфигурация паруса средства не придают ему высотой прочности и жесткости, в скоростных ветрах такой парус будет быстро разрушен. При наступлении затишья или безветрия в атмосфере воздухоплавательная часть ВЭУ упадет на землю. Такой вариант разделенного ветросилового блока следует признать не работоспособным.
Известны способ и система с летающим крылом, несущим на высоте радиально-лопастную турбинную часть ветросилового блока, генераторная часть блока входит в состав причального узла (патент KR 20150092332 А, 12.08.2015). Эта, как и любая иная система с ветряным ротором, генерирует промышленные мощности при больших площадях ометания турбины ветром, что влечет за собой утяжеление данного высотного элемента ветросилового блока. Чтобы поднять и удержать в воздухе тяжеловесную турбину, летающее крыло должно иметь большие габариты и соответствующую им собственную массу. Возникает противоречие, которое разрешимо лишь при малых мощностях генерации от ветра. Промышленного значения такая система не имеет. Как и в ранее рассмотренной парусно-винтовой установке, ослабление ветра до определенного значения или до безветрия приведет к падению летающего крыла вместе с турбинной частью ветросилового блока. Неопределенными являются способ и средства подъема летающего крыла на высоту скоростных ветров, при которых создается аэродинамическая подъемная сила, достаточная для устойчивости в воздухе высотной части рассматриваемой системы.
Среди воздухоплавательных аппаратов ветроэнергетического назначения с разделенными силовыми блоками имеются устройства, где передача вращения высотной турбины передается через гибкий вал в наземный генератор не на прямую, а через зубчатые передачи. Так может работать привязная высотная ветроэлектрическая станция (патент SU 69787, 01.01.1947), где от одной турбины вращение поступает через гибкий вал и двухступенчатую зубчатую передачу в один генератор, а от другой турбины - через полый вал и другую двухступенчатую зубчатую передачу в другой генератор. Использованные в данной установке технические решения не являются рациональными: змейковое подъемное устройство ненадежно и небезопасно, не в состоянии поднять в воздух тяжелые ветросиловые блоки промышленной мощности; генераторы подвешены на трос, а не располагаются в наземном положении, чем утрачивается смысл разделения ветросилового блока в целях облегчения воздухоплавательной части станции; турбины ориентируются хвостовым оперением на ветер не на уровне самих турбин, а на более низкой высоте, их оси вращений не могут, как это безусловно требуется, строго совпадать с направлением ветра.
Важным признаком ветродвигателя (патент SU 1509560 А1, 02.09.1987) является наличие ортогонально-лопастных виндроторов с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра. Виндроторы могут ометать большие площади, в результате чего ветродвигатель способен вырабатывать электроэнергию промышленной мощности. Воздухоплавательный модуль включает в себя аэростатные оболочки положительной плавучести, которые надежно поднимают и удерживает виндроторы на высоте скоростных ветров. Вместе с тем устройство не обладает средствами поддержания стабильной пространственной устойчивости, не оснащен системой регулирования ориентации на ветер через привязные троса. Вращение высотных виндроторов поступает в генератор, установленный на наземном причальном узле, посредством гибкого вала и через четыре конических зубчатых передачи, где генерируемая от ветра мощность частично теряется. При больших габаритах виндроторов, необходимых для генерации мощностей в промышленных целях, и соответствующих объемах аэростатных оболочек общая ось вращения виндроторов достигнет не приемлемой длины и массивности. Передающий механизм имеет длинномерные валы, что работают на скручивание, должны обладать при этом в прочностных целях надлежащими по площади сечениями, что утяжеляет воздухоплавательный модуль.
По ряду конструктивных признаков близким прототипом является высотная ветряная турбина (патент SU 1546, 31.05.1930). К эти признакам относятся газонаполненная аэростатная оболочка, гибкий вал, коническая зубчатая передача. Вместе с тем устройство имеет особенности отрицательного свойства, в их числе исполнение за одно целое оболочки и радиально-направленных лопастей, создающих в местах их соединений напряжения, разрушающие оболочковый материал. В передаче вращения к генератору участвуют два гибких вала разновеликой длины, носовой более короткий гибкий вал в результате напора ветра на оболочку с лопастями будет всегда натянут, а кормовой гибкий вал - провисать, чем создает помехи для вращения воздухоплавательной части устройства, может полностью остановить турбину намотавшись на ее лопасти. Гибкие валы, и ведущие конические шестерни вращаются в одинаковую сторону, а передают свои вращения на сдвоенное в одно целое ведомые конические колеса, располагаясь от них сверху и снизу. Такое зубчатое зацепление неработоспособно, поскольку верхняя ведущая коническая шестерня придает сдвоенному ведомому коническому колесу вращение в одном направлении, а нижняя ведущая коническая шестерня пытается провернуть то же колесо в противоположном направлении. В таком передаточном механизме вращение блокируется и не поступает в генератор. Столь грубая ошибка в кинематической схеме ветряной турбины делает ее практическое применение не возможным.
Сущность изобретения состоит в том, что центр тяжести воздухоплавательного модуля смещен под аэростатную оболочку соответствующим перемещением вниз ортогонально-лопастных виндроторов, что наряду с их идентичностью по габаритам и встречным вращением, гасящим реактивные моменты, улучшает пространственную устойчивость модуля в целом, стабильность оптимальной ориентации осей вращения ветряных роторов на ветер и постоянство генерации энергии от атмосферных потоков. Механизм конической зубчатой передачи от высотных виндроторов через гибкий вал к наземному генератору помещен на поперечную опору подвесной фермы, является одноступенчатым, его кинематическая схема работоспособна благодаря соосности ведущих шестерен, их диаметрального расположения относительно ведомого колеса и противоположной направленности вращения. Габариты и массивность всех элементов механизма зубчато-конической передачи, зависимый от них объем газонаполнения аэростатной оболочки находятся в практически реализуемых пределах и не являются препятствием для преобразования энергии скоростных ветров на больших высотах в электроэнергию промышленных мощностей.
Целью изобретение является практическая реализуемость более устойчивой генерации промышленных мощностей от ветра и уменьшение энергетических потерь в ветряных системах с механизмом зубчато-конической передачи вращения от высотных ортогонально-лопастных виндроторов через гибкий вала к наземному генератору.
Поставленная цель достигается тем, что под днищем аэростатной оболочки жестко подвешена ферма, по обе стороны которой на одном уровне симметрично размещены равновеликие ортогонально-лопастные виндроторы с горизонтальными осями противоположного вращения, одновременно перпендикулярными направлению ветра. На концах осей вращения виндроторов, что обращены внутрь фермы, насажены ведущие шестерни одноступенчатого механизма зубчато-конической передачи. Относительно ведомого колеса той же передачи шестерни расположены диаметрально. Ведомое колесо, подшипники его вала, сам вал находятся по центру поперечной опоры, относящейся к ферме. При этом данный вал вращается под прямым углом к опоре, его концы выступают из подшипников и задействованы сверху под размещение ведомого колеса, а нижний конец сращен с гибким валом, переносящим вращение далее к генератору на поворотной платформе наземного причального узла.
На фиг. 1 показан общий вид наземно-генераторного ветродвигателя; на фиг. 2 - вид со стороны ветра на воздухоплавательный модуль того же устройства.
Ветродвигатель состоит из воздухоплавательного модуля и наземного причального узла, соединенных провисающими тросами 1 и натянутым гибким валом 2. В состав модуля входят аэростатная оболочка 3, жестко подвешенная к ней ферма 4 с поперечной опорой 5. По обе стороны фермы симметрично размещены соосные ортогонально-лопастные виндроторы с идентичными габаритами 6, что крутятся от ветра в подшипниках 7 разно направленно, их горизонтальные оси вращения перпендикулярны ветряному потоку. Вращения от виндроторов поступает на гибкий вал через одноступенчатый механизм зубчато-конической передачи, содержащий ведущие виндроторные шестерни 8, расположенные диаметрально относительно ведомого колеса 9, установленного на валу 10 в подшипниках 11 под прямым углом к их опоре, относящейся к ферме. Нижний конец вала ведомого колеса сращен с гибким валом, натянутым от генератора 12, свободно раскачивающимся на поворотной платформе 13 причального узла, в который еще входят соосные лебедки 14 на наветренной стороне платформы и бетонная тумба 15. Позицией 16 обозначено направление ветра, позициями 17 и 18 - направления встречных вращений ортогонально-лопастных виндроторов.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Троса стравливаются с барабанов лебедок и воздухоплавательный модуль с аэростатной оболочкой положительной плавучести, фермой и виндроторами поднимается на высоту, ограниченную длинной гибкого вала. Благодаря известной конструкции наземного причального узла и схемы его связей с модулем, высотная часть ветродвигателя ориентируется на ветер так, что гибкий вал натянут, а троса приспущены, все наклонно в подветренную сторону от наземной базы, горизонтальные оси вращения виндроторов становятся перпендикулярными направлению ветра. Под скоростным напором ветра соосные виндроторы начинают вращаться в противоположные стороны, чем гасятся их реактивные моменты. Через ведущие шестерни и ведомое колеса одноступенчатого зубчато-конического механизма вращение поступает на гибкий вал, от него в генератор. Получаемая электроэнергия после контроллера, аккумуляторной батареи и инвертора подается потребителям.
При изменении направленности воздушного потока его напор воздействует на наветренную боковую поверхность аэростатной оболочки. Под этим давлением воздухоплавательный модуль описывает дугу вокруг наземного причального узла, увлекая в такое же смещение через натянутый гибкий вал его поворотную платформу вместе с генератором и лебедками. Переориентация модуля завершается, когда все гибкие связи между высотной и наземной частями ветродвигателя перемещаются в предельно подветренное положение, направленности связей и ветра полностью совпадают.
Генерация энергии атмосферных потоков в данном ветродвигателе практически возможна благодаря работоспособности примененной кинематической схемы механизма зубчато-конического передачи вращения от виндроторов к гибкому валу, одноступенчатая передаточная схема позволяет снизить потери мощности от трения в данном механизме. Ветродвигатель создает предпосылки для безопасного применения водорода при газонаполнении аэростатной оболочки, что доступнее, дешевле и эффективнее использования гелия; обладает лучшей пространственной устойчивостью воздухоплавательного модуля, стабильностью оптимальной ориентации осей вращения ветряных роторов относительно направления ветра.