Вітрова енергетична установка з вертикальною віссю обертання

1. Вітрова енергетична установка з вертикальною віссю обертання, що включає вітрову турбіну, трансмісійну систему з тихохідним валом, генератор, автоматичну систему керування і контролю, і споруду з опорною баштою і, принаймні, однією опорною рамою, яка в і д р і з н я є т ь с я тим, що вона додатково має мультиплікатор, з'єднаний через зубчасту муфту з тихохідним валом і через втулково-пальцеву муфту з генератором, при цьому тихохідний вал виконаний роз'ємним і з'єднаний з турбіною через зубчасту передачу, причому мультиплікатор і генератор розміщені на одній опорній рамі. 2. Установка за п.1, яка в і д р і з н я є т ь с я тим, що вона має додаткову опору, що контактує з тихохідним валом, розташовану на опорній башті і виконану з трьох рівномірно розміщених котків, що закріплені з можливістю обертання навколо осі кріплення і встановлені з можливістю переміщення у горизонтальному І вертикальному напрямках. 3. Установка за пп. 1-2, яка в і др і з н я є т ь с я тим, що мультиплікатор виконаний у вигляді зубчастих передач з розташуванням його ступенів зверху вниз І має загальне передаточне співвідношення рівне 52,8, причому перші два його ступені являють собою циліндричні зубчасті передачі з передаточним співвідношенням 4,87 і 5,78 відповідно, а третій конічну зубчасту передачу з передаточним співвідношенням рівним 1,88. Корисна модель відноситься до вітряних енергетичних установок і может бути використана у промисловості і сільському господарстві для перетворення енергії природного вітру у електричну енергію промислової частоти та напруги при паралельній роботі з енергосистемою, і створена за програмою розвитку енергозберігаючих і енергозабезпечуючих технологій в Україні. Відомо, що вітряні електричні станції в порівнянні з іншими видами електричними станціями є екологічно чистими та безпечними і мають доцільність використання, у тому числі і в Україні, поряд з атомними та тепловими станціями для енергозабезпечення незалежних промислових і сільськогосподарських об'єктів. Загально відомо, що вітроенергетична установка це є комплекс технічних пристроїв (вітродвигун у комплекті з однією чи декількома робочими машинами, пристрій, що акумулює енергію чи резервує потужність І система автоматич 472 >рування та регулювання режимів установки) для перетворення кінезнергії вітрового потоку в який-неиий вид енергії. їодвигун - двигун, що використотичну енергію вітру для виробленнічної енергії чи інакше1 перетворює ну вітроколесом енергію вітру у іьний рух вала, з яких найбільш ливим є з вертикальною віссю •Гня'З коефіцієнтом використання вітру до 0,48 і як вітроенергетична ка відповідає таким властивостям: кність роботи від напрямку вітру, зність, тихохідність вітряної турбіни, ічність і надійність, простота кції і зручність технічного обслуго, можливість роботи чи разом з енератором такої потужності чи віденергію у електричну мережу, більш відомим рішенням аналогіччі, ідо вибране заявником як протовітрова енергетична установка з льною віссю обертання, що вклюову турбіну, трансмісійну систему ідним валом, генератор, автома;истему контролю і керування, ' з опорною башнею і, принаймні, эпорною рамою для встановлення туговування вітрової турбіни та эра. аті вітрової турбіни закріплені на ах з можливістю повороту навколо пьних шарнірних осей, що змонтотраеерсах. Спеціальний механізм нячими підйомами та інерційними ми забезпечує розворот лопатей згаданих осей. При відсутності вітру чий стан турбіни) пружини повніскаються і лопаті стають поперек >ії обертання і вітрового потоку. Та•.тан забезпечує пуск турбіни при ;нні вітру до швидкості 10 м/с, а іозволяє регулювати швидкістю ня турбіни при вітровому режимі, юється з 10 м/сек до 20 м/с. ма вітроенергетична установка зі \л вище спеціальним механізмом эстатню надійність роботи вітрової при слабкому вітрі (до 10 м/с), в эбледенЫня і пилових бурь, тому іабезпєчує високого початкового ' обертання і, таким чином, при 10 м/с не дозволяє привести ма•рбіну у обертальний рух і значної і кінематичних пар, які вийдуть з и попаданні у спеціальний мехаювих часток і обледенінні. :нову корисної моделі покладено досконалення вітрової енергетич 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 4 ної установки з вертикальною віссю обертання шляхом наявності нової сукупності елементів, нових зв'язків між ними, та нового взаємного їх розташування, новоі форми виконання елементів підвищити надійність роботи при слабому вітрі при одночасному покращенні їі ефективності. Поставлена задача вирішується тим, що вітрова енергетична установка з вертикальною віссю обертання, що включає вітрову турбіну, трансмісійну систему з тихохідним валом, генератор, автоматичну систему керування і контролю, і споруду з опорною баштою і, принаймні, однією опорною рамою для встановлення та обслуговування вітрової турбіни -уа генератора, вона додатково має мультиплікатор, з'єднаний через зубчасту муфту з тихохідним валом і через втулково-пальцеву муфту з генератором, при цьому тихохідний вал виконаний роз'ємним і з'єднаний з вітровою турбіною через зубчасту передачу, причому мультиплікатор і генератор роз'міщені на одній опорній рамі, і має додаткову опору, що контактує з тихохідним валом, розташованому на опорній башті, виконану з трьох рівномірно розміщених котків, що закріплені з можливістю обертання навколо осі кріплення і встановлені з можливістю переміщення у горизонтальному і вертикальному напрямках, при цьому мультиплікатор виконаний у вигляді зубчастих передач з розташуванням його ступенів зверху вниз і має загальне передаточне співвідношення рівне 52,8, причому перші його дві ступені являють собою циліндричні зубчасті передачі з передаточним співвідношенням 4,87 і 5,78 відповідно, а третя - конічну зубчасту передачу з передаточним співвідношенням рівним 1,88. Наявність мультиплікатора забезпечує підвищення частоти обертів вала до частоти обертання генератора вже при швидкості вітру 5 м/сек і підвищує надійність роботи вітрової установки при слабому вітрі, в зимових умовах і при пилових бурях при одночасному покращенні її ефективності. Виконання тихохідного вала роз'ємним і з'єднання його з мультиплікатором через зубчасту муфту забезпечує компенсацію кутових перекосів, підвищення надійності та ефективності. З'єднання мультиплікатора з генератором через втулково-пальцему муфту забезпечує компенсацію неточностей співвісності валів мультиплікатора та генератора, підвищення надійності та ефективності. 472 Розміщення мультиплікатора і генератора на одній опорній рамі створює оптимальні температурні умови Тх роботи, забезпечує підвищення надійності та ефективності, а також зменшення термінів монтажу установки. . Наявність додаткової опори, що контактує з тихохідним валом, розташованої на опорній башті і виконання її у вигляді трьох рівномірно розміщених котків, що закріплені з можливістю обертання навколо осі кріплення, встановлення їх- з можливістю переміщення у горизонтальному і вертикальному напрямках підвищує надійність та ефективність установки. Виконання мультиплікатора у вигляді зубчастих передач з розташуванням його ступенів зверху вниз з загальним передаточним співвідношенням 52,8 і при цьому перших його двох ступенів у вигляді циліндричних зубчастих передач з передаточним співвідношенням 4,87 І 5,78 відповідно,-а третьої - конічної зубчастої передачі з передаточним співвідношенням рівним 1,88 забезпечує підвищення частоти обертів вала до частоти обертання генератора вже при швидкості вітру 5 м/с і підвищує надійність роботи вітрової установки при слабкому вітрг, в зимових умовах і при пилових бурях при одночасному покращенні її ефективності. • На фіг. 1 зображена вітрова енергетична установка, загальний вигляд; на фіг. 2 - траверса установки, загальний вигляд; на фіг. З - трансмісійна система установк и , загальни-й вигляд; на фіг, 4 мультиплікатор, загальний вигляд; на фіг. 5 - розріз А-А на фіг. 1; на фіг. 6 - розріз Б-Б на фіг. 5; на фіг. 7 - виріз В на фіг. 1. Вітроенергетична установка складається з вітрової турбіни, трансмісійної системи, мультиплікатора, генератора, автоматичної системи керування і контролю і споруди з опорною баштою для встановлення і обслуговування вітрової турбіни і генератора (фіг. 1). Вітрова турбїна виконана за схемою типу ротора Дарье, принцип дії якого заснований на ефекті підйомної сили при обтіканні повітряним потоком прямих крилоподібних вертикальних лопатей, що обертаються навлоко вертикальної осі. Вітрова турбіна складається з двох лопатей 1, що розташовані діаметрально за колом і з'єднані шарнірно з чотирма траверсами 2. Місця з'єднання лопатей 1 з траверсами 2 закриті залізами 3. Кут установлення хорд лопатей щодо дотичної до кола обертання складає 0°. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Лопать 1 вітрової турбіни має прямокутну форму у плані з однаковим за довжиною симетричним аеродинамічним профілем, складається з двох кінцевих і однієї середньої частин, з'єднаних між собою і має носову частину, два лонжерони з фітінгами, внутрішню та зовнішню пане лі, хвостову частину і силовий набір з стрингерів та нервюр. Кожна лопать 1 має отвір для зливу конденсату. На лопаті 1 встановлений блискавковідвод. Траверса 2 вітрової турбіни має у плані форму прямого кута з однаковим за довжиною симетричним профілем, складається з носової частини, двох лонжеронів, внутрішньої та зовнішньої панелей, хвостової частини і силового набору, з'єднаних між собою стрингерів та нервюр. Траверса 2 має фланцевий 4 та шарнірний 5 вузли для з'єднання з опорно-підшипниковим вузлом 6 трансмісійної системи І лопаттю 1 вітрової турбіни відповідно (фіг.2). Трансмісійна система призначена для передачі потужності від вітрової турбіни з відповідною зміною частоти обертання, величини і напрямку обертального моменту, а також для розкручування вітрової турбіни при пуску установки. Трансмісійна система складається з опорно-підшипникового вузла 6 і тихохідного вала 7, то з'єднані між собою зубчатою передачею 8 (фіг.З). Опорно-підшипниковий вузол 6 трансмісійної системи призначений для встановлення на ньому лопатей 1 і траверс 2 вітрової турбіни, передачі обертального моменту від турбіни до тихохідного вала 7, сприйняття і передачі на опору баншю 9 аеродинамічних навантажень, що діють на турбіну як при її обертанні, так і при її зупиненні. Цей вузол виконаний з рухомого та нерухомого корпусів. Рухомий корпус має циліндричну форму з ребрами і фланцями для з'єднання цього вузла з турбіною і має стопорний пристрій. Рухомий корпус зв'язаний з тихохідним валом 7 через зубчасту муфту 10. Для забезпечення обертання рухомого корпусу відносно нерухомого призначені сферичний роликовий і радіальний шариколідшипники, що встановлені на зовнішній поверхні нерухомого корпусу. • Нерухомий корпус зв'язаний з опорной баштою 9 за допомогою кістяка, на зовнішній фланцевій поверхні якого встановлений гальмовий пристрій, а на внутрішній закріплені чотири стояночні опори. Гальмовий пристрій має колодочні гальма, що рівномірно розміщені за 472 периметром кістяка І зв'язані між собою гідросистемою та контактують з шківом. Стопорний пристрій призначений для зупинки та утримання установки в певному положенні при технічному обслугову- 5 ванні, ремонті. Цей пристрій складається з фіксуючого пояса з отворами, що зв'язаний за всім периметром з зовнішньою поверхнею нерухомого корпусу, при цьому на зовнішній поверхні рухомого корпу- 10 су закріплена перехідна пластина, до якої болтами закріплена опора з направляючим штирем, що проходить через отвір у рухомому корпусі і контактує з отвором фіксуючого пояса. 15 Тихохідний вал 7 призначений для передачі обертального моменту від эпорно-підшипникового вузла 6 до вхідно~о вала мультиплікатора 11 з компенсадією неспіввісності, кутових і осьових змі- 20 день мультиплікатора 11 відносно опорноіідшипникового вузла 6. Тихохідний вал ;кладається з семи циліндричних ділянок, іроставиша і кінцевої дільниці вала, що і'єднані між собою через болтові з'єднан- 25 ня. Кожна циліндрична і кінцева ділянки іала мають торцеві фланці для з'єднання л\ж собою через болтове з'єднання, при VbOMy на одному з фланців кінцевої діляни є два вуха для з'єднання з вхідним ЗО алом мультиплікатора 11 через підвіску -станнього. Проставиш виконаний конуовидним і має шліцьову втулку для з'едання з мультиплікатором 11 через зубасту муфту 10. Тихохідний вал 7 у верхній 35 астині має зубчасту обойму зубчастої ередачі 8, а у нижній - зубчасту муфту 0 для компенсації кутових перекосів та міщення валів при їх монтажі (фіг.1). Мультиплікатор 11 та генератор 12 40 гворюють машинну станцію споруди 13 тровоі установки і монтуються на одній юрній рамі 14 з метою створення оптиальних температурних умов при їх роботі і зменшення термінів монтажу установки 45 ж.4). Машинна станція має контейнер, на адсній силовій рамі якого розміщена опорна ша 14 чи приводу з мультиплікатором 11 і генератором 12, що- закріплені на ній >іг.1 І 4). Мультиплікатор 11 та генератор 50 І співвісно з'єднані між собою втулковоільцевою муфтою 15. На валу генератора * встановлений обтюратор, що взаємодіє датчиком обертів швидкохідного валу /льтиплікатора 11. 55 Мультиплікатор 11 призначений для 'редачі потужності від вітрової турбіни до нератора 12 з підвищенням частоти іертів до величини, що відповідає частоті іертів генератора 12. Мультиплікатор 11 складається з силовик частин, розташованих зверху донизу. Силові частини з'єднані між собою герметично через горизонтальні фланці і промазку з герметику. У* нижній частині мультиплікатора 11 розташовані маслозабірник системи змазки, сигналізатор нижнього рівнямасла, штихпробір два блоки трубчатих електрообігрівачів для підігріву масла у зимових умовах, сигналізатор стружки масла, зливна пробка. У верхній частині мультиплікатора 11 розташований" вертикально вхідний тихохідний вал з зубчастою муфтою 10 трансмісійної системи для з'єднання з тихохідним валом 7, у боковій - швидкохідний вихідний вал з втулочно-пальцевою муфтою 15 для з'єднання з генератором 12 (фіг. 1, 4, 7). У середині мультиплікатора 11 розміщені зубчасті передачі з загальним передаточним співвідношенням 52,8Р причому перші його дві ступені являють собою циліндричні зубчасті передачі з перєдаточним співвідношенням 4,87 і 5,78 відповідно, а третя - конічну зубчасту передачу з передаточним співвідношенням рівним 1,88. Генератор 12 призначений для перетворення енергії обертання вітрової турбіни у електричну енергію. Електрообладнання та автоматична система керування і контролю установкою розміщені у електротехнічному модулі споруди 13 установки. Генератор 12 і електротехнічний модуль утворюють електромеханічний агрегат для пуску та розгону до частоти обертання, що дорівнює Т000 об/хвил. на швидкохідному валу мультиплікатора 11, а також для перетворення механічної енергії в електричну фіксованої частоти при 1000 об/хвил. швидкохідного валу мультиплікатора та забезпечення оптимальної залежності частоти обертання установки від швидкості вітру. Генератор 12 виконаний асинхронним, що має фазний ротор. Статор генератора 12 підключений безпосередньо до мережі 380 вольт, 50 герц., а ротор - через тиристорний перетворювач у ту ж мережу. Для захисту перетворювача схема підключення генератора до мережі має підключений струмообмежувальний реактор, що забезпечує встановлену потужність перетворювача, що дорівнює близько 1/3 номінальної потужності, що генерується установкою. Економічне регулювання швидкості генератора здійснюється за рахунок виводу частини потужності у мережу через 472 роторний перетворювач. Допоміжними пристроями є пусковий резистор, струмообмежувальний реактор, дросель у кільці постійного струму і комутаційна апаратура. Для захисту ротора генератора від 5 перенапружень є вузол захисту із з'єднаних у трикутник варисторів, що підключені до ротора генератора 12, які мають великий опір при номінальній роботі установки і значно зменшують опір при досягненні 10 на них напруги порогового значення, що обмежує амплітуду напруги ротора на доступному рівні. Автоматична система контролю і керування включає контроллер, систему 15 датчиків та індикації і органи ручного керування. Опорна башта 9 призначена для розміщення вітрової турбіни та трансмісійної системи, а також для сприйняття та передачі 20 до фундаменту масових вертикальних і горизонтальних навантажень. Опорна башта 9 являє собою трубу, що стойками шарнірно з'єднана з закладними елементами, що вмонтовані у фундамент з моно- *25 літного залізобетону (фіг.1). Вітрова установка має додаткову опору, що контактує з тихохідним валом 7, виконану з трьох рівномірно розміщених котків 16, що закріплені на площадці 30 обслуговування 17 опорної башти 9 з можливістю обертання навколо осі кріплення 18 і встановлені на кріпильному елементі 19, який має кріпильні отвори 20 у вигляді пазів, що забезпечує регулювання котків 35 16 у горизонтальному і вертикальному напрямках (фіг. 5 і 6). Робота установки. Пуск установки здійснюється за сигналом автоматичної системи керування і контролю при наяв- 40 ності напруги живлення у тиристорному перетворювачі і системі пуску, відсутності аварійних сигналів, готовності тиристорного перетворювача до пуску і при швидкості вітру більш ніж за 6 м/с на протязі 2 хвил. 45 Пуск може бути автоматичним (основний режим), місцевим або дистанційним (оператором, пристроями групового автоматичного керування і т. п.). При автоматичному пуску пусковим ім- 50 пульсом є дискретний сигнал, відповідний швидкості вітру більш як 6 м/с на протязі 2 хв, що поступає від датчика швидкості повітря в автоматичну систему керування і контролю, що формує команду на роз- 55 гальмування тормозного пристрою. Гідросистема гальмівного пристрою працює у автоматичному режимі. При пуску генератор 12 працює у режимі двигуна, розганяється до синхрон 10 ної швидкості обертання 1000 об/хв і розвиває момент двигуна, який передається через втулково-пальцеву муфту 15 на вихідний вал мультиплікатора 11 і далі з'єднаний з ним тихохідний вал 7, рухомий корпус опорно-підшипникового вузла 6, на якому закріплена вітрова турбіна. Під дією цього моменту вітрова турбіна розганяється до 19 об/хв, що забезпечується передаточним співвідношенням 52,8 мультиплікатора 11. При вітрі більше 6 м/с і частоті обертання вітрової турбіни більше 19 об/хв за рахунок взаємодії аеродинамічних профілів лопатей 1 та траверс 2 з сумарним (результуючим) потоком вітру на турбіні виникає сила, що тягне, котра призводить до прискорення обертання турбіни і створенню обертального моменту, що має те ж саме направлення, що і обертальний момент ротора генератора 12. При появі у генераторі 12 негативного ковзання (при перевищенні швидкості обертання ротора над швидкістю обертання магнітного поля статора) виникає гальмовий момент, генератор 12, переходить у генераторний режим і починає видавати потужність у електричну мережу. Величина гальмового моменту, що розвиває генератор 12, керується за допомогою тиристорного перетворювача автоматично, що забезпечує підтримання швидкості установки, що відповідає завданню автоматичної системи контролю і керування. Зупинник установки. Робочий зупинник установки виникає при умові коли швидкість вітру зменшилась до значення менш 6 м/с протягом 2 хв або підвищилась до 26 м/с протягом 10 с і тоді робота у генераторному режимі неможлива. За сигналом системи контролю та керування відбувається зниження швидкості обертання генератора -12 до 1000 об/хв спрацьовують силові вимикачі, статор генератора 12 відключається від силової мережі, подається команда на зупинку установки і установка зупиняється. Після робочого зупинника при досягненні вітром швидкост» більш ніж 6 м/с або менш ніж 26 м/с протягом 2 хвилин система контролю та керування подпс команду на пуск установки за роиочим алгоритмом. ' При необхідності проведений регл.і ментних робіт за командою оператора може бути виконаний зупинник установки з л робочим алгоритмом. АпарІйний зупинник установки. Лпаріи ний зупинник устанопки викопусо'.ч :м робочим або аварійним алгоритмом І.ЇПІ, 11 мування. За робочим алгоритмом установка зупиняється при аварійному сигналі з датчиків. За аварійним алгоритмом установка зупиняється при відказі її електричного обладнання без зниження швидкості обертання генератора 12 з одночасовим включенням системи гальмування чи при натисненні операторної кнопки "Аварія" на панелі системи контролю та керування, тиристорного перетворювача чи системи пуску. Після аварійного зупинника, з'ясування причин аварійного зупинника і їх усунення повторний пуск установки у роботу можливий тільки за командою оператора. П р и к л а д . Вітрова енергетична установка ЄСО-0420 з вертикальною віссю обертання. Установка починає працювати при швидкості вітру 5 м/с, а при швидкості вітру у діапазоні від 6 до 12 м/с забезпечує оптимальний відвід енергії і починаючи з 13 м/с видає максимальну потужність у 500 кВт. При швидкості вітру 25 м/ с і више установка зупиняється. Установ 472 5 10 15 20 25 12 ка здатна у загальмованому стані витримувати буревий вітер до 60 м/сек. Вітроенергетична установка працює у автоматичному режимі без обслуговуючого персоналу і має систему контролю, яка автоматично слідкує за технічним станом вузлів та систем і при будь-яких відхиленнях від заданих параметрів відключає установку. Основні дані установки промислової ЕСО-0420: Висота опорного пристрою . 35 м Довжина лопатей 29 м Діаметр обертання лопатей §6 м Загальна висота 50 м Загальна маса (без фундаменту) 70 т Швидкість обертання турбіни 16-28 об/хв Потужність 500 кВт Залежність потужності, що видає установка від швидкості вітру, V, м/с / N, кВт: 5/40; 6/80; 7/120; 8/170; 9/225; 10/ 300; 11/370; 12/420; 13-25/500. 472 472 Ж ІИ Фіг. 2 Фіг. З 472 Фіг. 5 472 16 18 20 19 Фіг. 6 10 10 Упорядник Техред М. Келемеш Замовлення 542 Тираж Коректор О. Обручар Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101