Вітроколесо вітрогенератора

Вітроколесо вітрогенератора, що містить лопаті, пристрої для зміни кута атаки потоку повітря на них і елементи їх кріплення до обертового вала, яке відрізняється тим, що до нього жорстко приєднаний трубчастий стрижень, розміром ВІДПОВІДНИЙ розрахунку на СТІЙКІСТЬ, ДО ЦЬОГО стрижня жорстко прикріплені гнучкі зв'язки, які з'єднують його з кінцями середин лопатей і безпосередньо з трубчастими балками однакового перерізу по всій довжині, на ці балки з кроком ВІДПОВІДНОГО розрахунку насаджені і закріплені за допомогою стопорних гвинтів циліндричні кільця з Винахід відноситься до нетрадиційної енергетики і зокрема конструкції вітроколеса до генератора потужністю 5 - 50кВт Відома конструкція вітроколеса до генератора великої потужності, яке складається з трьох лопатей, розташованих, під кутом 120° один до одного і приєднаних до валу генератора з можливістю змінювати кут атаки потоку повітря за допомогою автоматики, керованої комп'ютером, лопаті складені з центрального стрижня в основі, який на деякій відстані переходить у крилоподібну форму, а далі загострюється до верхівки В порожнині лопатей розміщені з певним кроком ребра жорсткості, які забезпечують незмінність форми перерізу Обшивка виконана з листа склопластика Ротор фірми LM має діаметр 72 м, важить 50 т, потужність турбіни 2 МВт Журнал "Wind Directions" листопад 2000 crop 14-19 (аналог) Недоліки аналогу застосування дорогих синтетичних смол, електроніки, комп'ютерів, які керують механізмами повороту лопатей і гондоли, труднощі з транспортуванням і монтажем ротору великих діаметрів, складна технологія виготов отворами в торцях, в які вставлені і жорстко закріплені відігнуті під прямим кутом КІНЦІ спіральних пружин, розрахованих на задану силу і кут скручування і які вільно насаджені на трубчасті балки, протилежні КІНЦІ пружин виконані з прямолінійними відрізками в плані паралельно один до одного, на них, в утворені на секціях лопатей ребра жорсткості насаджені ці секції, виконані з можливістю змінювати кут атаки потоку повітря в межах від початкового до 90°, жорсткість з'єднання секцій лопатей з відрізками пружин здійснена елементами кріплення, СТІЙКІСТЬ лопатей у площині обертання виконана за допомогою гнучких зв'язок, якими з'єднані їх вершини, напруга у зв'язках здійснена муфтами натягу, а кут атаки повітряного потоку у стаціонарному стані вітроколеса зменшується ступінчасто від секції до секції лопатей у напрямку до основи, де він дорівнює 20° до вершини, де він становить 10° лення, значна гнучкість лопатей Найбільш близькою до замовленого з технічної суті є конструкція вітроколеса (МІНІ - турбіни) до генератора значно меншої потужності, їх встановлюють, наприклад, на даху будинків, потужність їх біля 5кВт, діаметр ротору 5 - 7м Вони оснащені флюгером, лопаті суцільні і виготовлені з пластика, мають у плані форму трикутника, переріз тонкостінний, доволі гнучкі а тому значно деформуються при навантаженні За прототип прийнята конструкція з журналу "Wind Directions", березень 2001 crop 18-20 Недоліки прототипу надто велика гнучкість лопатей, їх форма у плані трикутна, розрахункова схема - як консоль, нероз'ємність, застосування синтетичних матеріалів, відсутність жорсткого з'єднання лопатей з валом Таким чином, потужність і деякі ІНШІ складові і параметри прототипа обмежені зазначеним переліком суттєвих конструктивних недоробок і недоліків, причому їх вплив на ці ВІД'ЄМНІ фактори більш істотний для турбін потужністю 5 - 50кВт В основу винаходу поставлена задача по 00 ю 52879 створенню вітроколеса, яке забезпечить підвищення його потужності шляхом зміни форми і конструкції лопатей при одночасному підвищенні жорсткості і СТІЙКОСТІ а також зниженні матеріальних і трудових ресурсів Це досягається тим, що вітроколесо вітрогенератора у складі лопатей, пристроїв для зміни кута їх нахилу до потоку повітря і елементів їх прикріплення до обертового валу до нього жорстко приєднаний трубчастий стрижень розміром згідно розрахунку на СТІЙКІСТЬ, ДО ЦЬОГО стрижня жорстко прикріплені гнучкі в'язі, ЯКІ з'єднують його з кінцями і серединами лопатей і безпосередньо з трубчастими балками однакового по всій довжині перерізу, на ці балки з кроком згідно розрахунку насаджені і закріплені за допомогою стопорних гвинтів циліндричні кільця з отворами в торцях, в які вставлені і жорстко закріплені відігнуті під прямим кутом КІНЦІ спіральних пружин, розрахованих на завдану силу і кут скручування і які вільно насунуті на трубчасті балки, протилежні КІНЦІ пружин виконані з прямолінійними відрізками, розташованими в плані паралельно один до одного,на них в утворені секціях лопатей ребра жорсткості насаджені ці секції, виконані з можливістю змінювати кут атаки потоку повітря в межах від початкового до 90°, СТІЙКІСТЬ лопатей у площині їх обертання виконана за допомогою гнучких в'язів, якими з'єднані верхівки лопатей,жорсткість з'єднання секцій лопатей з відрізками пружин здійснена елементами кріплення, напруга у в'язях здійснена муфтами натягу, а кут атаки повітряного потоку у стаціонарному стані вітроколеса зменшується ступінчасто від секції до секції лопатей у напрямку від основи, де він дорівнює 22° до верхівки де він становить лише 10° Між суттєвими ознаками і задачею винаходу існує наступний причинно - наслідковий зв'язок на відміну від прототипу, у якому при конструюванні вітроколеса застосований принцип концентрації матеріалу, у замовленому винаході домінуючим є принцип багатов'язності системи, - на відміну від прототипу, у якому лопаті працюють на згин одного знаку, скручування і розтяг від центробіжної сили, у замовленому винаході вони працюють на знакоперемінний згин, скручування і стиск, - на відміну від прототипу, у якому лопаті в плані мають трикутну формна площа їх дорівнює половині добутку висоти на основу, у замовленому винаході вони мають прямокутну форму, площу у 2 рази більшу, а скручуючий момент, ними утворений, у 3 рази потужніший, - на відміну від прототипу, у якому лопаті виконані суцільними і об'ємними з порожниною в середині, у замовленому винаході вони площинні і складаються з окремих секцій, - на відміну від прототипу, у якому лопаті працюють як консоль, у замовленому винаході трубчаста балка лопатей нерозрізна за рахунок обпирання на в'язі де в цих перерізах утворюються розвантажуючі згинаючі моменти, - на відміну від прототипу, у якому потужність вітроагрегата збільшують шляхом збільшення довжини лопатей, у замовленому винаході ця задача вирішена шляхом збільшення їх ширини, що більш ефективно, - на відміну від прототипу, у якому з'єднання лопатей з валом турбіни виконані з однією ступінню свободи, у замовленому винаході з'єднання жорстке, - на відміну від прототипу, у якому згинаючий момент в основі лопатей як у консолі дорівнює 0,5gl2, у замовленому винаході на опорі по центру він дорівнює 0,125gl2, а у проміжках опор 0,0703дІ2 тобто у 4 і 5 раз менший, - на відміну від прототипу, у якому зміна кута атаки потоку повітря на лопаті виконується за допомогою комп'ютера, у замовленому винаході цю операцію автоматично виконують спіральні пружини, - на відміну від прототипу, у якому лопаті мають можливість змінювати кут атаки повітряного потоку на постійну по всій їх довжині величину, у замовленому винаході забезпечена можливість зміни цього кута відбірково, посекційно в залежності від потужності спіральних пружин, - на відміну від прототипу, у якому застосовані три лопаті, тобто система, яка потребує більш точного урівноваження, щоб уникнути розбалансування вітроколеса, у замовленому винаході рівновагу чотирьох лопатей забезпечити легше, - на відміну від прототипу, у якому центробіжні сили зменшують несучу спроможність лопатей, у замовленому винаході їх нейтралізують в'язі, якими з'єднані верхівки трубчастих балок, - на відміну від прототипу, у якому надто велика гнучкість лопатей приводить до знакоперемшного напруження і деформації в них, що знижує їх ДОВГОВІЧНІСТЬ, у замовленому винаході в'язі забезпечують жорсткість лопатей і меншу деформативність, а тому підвищену ДОВГОВІЧНІСТЬ, - на відміну від прототипу, у якому для виготовлення лопатей застосовані кошторисні синтетичні матеріали, складне обладнання і спеціальна технологія, у замовленому винаході застосовані алюмінієві сплави, високоміцний дріт і стандартні труби, а технологія звичайна, - на відміну від прототипу, у якому лопаті не мають ребер жорсткості, у замовленому винаході з зовнішньої сторони секцій лопатей з кроком згідно розрахунку встановлені ребра жорсткості, в які вмонтовані прямолінійні відрізки спіральних пружин Таким чином, внесення цілої низки суттєвих удосконалень в конструкцію вітроколеса забезпечить значне збільшення його потужності з одночасним підвищенням СТІЙКОСТІ і ДОВГОВІЧНОСТІ при заощадженні матеріальних і трудових ресурсів Суть винаходу пояснюється кресленнями на яких зображені На фіг 1 - план вітроколеса по 1 - 1 , На фіг 2 - вид вітроколеса по 2 - 2 , На фіг 3 - вузол А, загальний вигляд лопаті, На фіг 4 - вузол з'єднання секції лопаті з пружиною, На фіг 5 - вузол В, фрагмент секції лопаті, На фіг 6 - епюра згинаючого моменту в трубчастій балці від вітрового навантаження Замовлений винахід складається з наступних матеріальних об'єктів валу вітрогенератора 1, турбіни 2, вежі 3, зварного шва 4, трубчастого стрижня 5, трубчастої балки 6, циліндричних кілець 7, стопорних гвинтів 8, відігнутих КІНЦІВ 9, 52879 спіральних пружин 10, стопорних гвинтів 11, прямолінійних відрізків 12 пружин 10, елементів кріплення 13, секцій лопатей 14, опорних в'язів 15, в'язів з'єднання лопатей 16, муфт натягу 17, ребер жорсткості 18 Вітроколесо збудоване і працює наступним чином до валу 1 вітрогенератора 2, змонтованого на вежі 3 за допомогою зварного шва 4 приєднаний стрижень 5 розмірами згідно розрахунку на СТІЙКІСТЬ, до валу 1 під прямим кутом жорстко приєднані чотири нерозрізні трубчасті балки однакового по всій довжині зовнішнього діаметру і товщиною стінок згідно розрахунку на ці балки вільно насунуті з кроком згідно розрахунку циліндричні кільця 7,які прикріплені до валу 1 стопорними гвинтами 8 В торцях цих кілець 7 утворено по одному отвору, в який вставлений відігнутий під прямим кутом кінець 9 спіральної пружини 10 і закріплений стопорним гвинтом 11 Протилежні КІНЦІ пружин 10 мають прямолінійні відрізки 12, розташовані паралельно в плані один до одного, до яких за допомогою елементів кріплення 13 і, використовуючи ребра жорсткості 18, приєднані секції лопатей 14, СТІЙКІСТЬ яких у напрямку вітрового потоку забезпечена в'язями 15, приєднаними одними кінцями до кілець 7, а другими - до стрижню 5 В'язі 16 з муфтами 17 забезпечують СТІЙКІСТЬ лопатей у площині їх обертання Ребра жорсткості 18 служать одночасно разом з прямолінійними відрізками 12 і пружинами 10 елементами кріплення до них лопатей 14 Діаметр високоміцного дроту, для виготовлення спіральних пружин 10, радіус їх гвинтової ВІСІ, крок витків і їх КІЛЬКІСТЬ, а також початковий і кінцевий (максимальний) кут атаки потоку повітря при деформації скручування пружин приймають згідно розрахунку Величина зазору між трубчастою балкою 6 і спіральною пружиною 10 у неробочому стані складає 2- 6 мм, в залежності від діаметру трубчастої балки і КІЛЬКОСТІ витків пружини При збільшенні вітрового навантаження цей зазор в наслідок скручування пружин зменшується і може досягти нульової позначки, а кут атаки повітряного потоку збільшується і може досягти 90°, тобто секції лопатей перейдуть до стану повного розвантаження, а при зменшенні швидкості вітру все протікає у зворотньому порядку Застосовуючи пружини різної потужності, можна виготовляти вітроколеса, призначені для ВІДПОВІДНИХ вітрових зон території України Таким чином, запропонована конструкція вітроколеса після реалізації в вітроенергетиці забезпечить їх застосування для вітрогенераторів потужністю 5 - 50кВт при значно меншій швидкості вітру і одночасному зниженні матеріальних і трудових ресурсів і це дозволяє зробити висновок про ВІДПОВІДНІСТЬ винаходу критерію -"промислова придатність" Реалізація винаходу у вітроенергетиці забеспечить досягнення таких показників Нижній поріг використованого вітрового потоку знизиться до 1,1 м/с, а верхній підвищиться до 30м/с Матеріальні витрати скоротяться на 20 - 25% Трудові витрати знизяться на 15 - 20% ДОВГОВІЧНІСТЬ вітроколеса підвищиться у 2 рази і досягне ЗО - 35 років, що дає змогу констатувати - за весь термін дії машини (20 - 25 років) вітроколесо капитального ремонту не потребує 52879 ПАДН і-і Філе ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24