Вітросилова установка

Вітросилова установка, що містить вітроколесо з вертикальною віссю обертання, генератор і C2 1 3 ку. 2. На ділянці перетворення механічної енергії в електричну. а) методом витратного гальмування ротора; б) методом збільшення відбору корисної потужності в мережу. Так відомий вітрогенератор [пат. RU №168062 МПК7 F03D 9/00, Д.А. Ивашинцов и др., «Ветрогенератор», Опубл. 27.05.2001, Бюл.№5], що відноситься до безредукторних агрегатів з вертикальною віссю обертання. Він містить вітроколесо і магнітоелектричний генератор, ротор якого виконаний у формі диска з немагнітного матеріалу й оснащений постійними магнітами, а також подвійний статор з кільцевими магнітопроводами, на яких установлені плоскі котушки індуктивності, звернені до полюсних граней магнітів. Крім того генератор оснащений комутаційним пристроєм, що дає можливість переключення обмоток з рівнобіжного на послідовне з'єднання в залежності від швидкості вітру. Недоліком аналога являється те, що комутаційний пристрій вітрогенератора служить регулятором вихідної напруги і скоріше зрушує робочий діапазон убік великих швидкостей вітру ніж регулює швидкість обертання вала. Ця дія не призводить до охорони цілісності ВЕУ при сильних вітрах. Відомий також вітродвигун [а.с. СССР №721285 МПК7 F03D 3/04, В.А. Захаров и А.В. Захаров, «Ветродвигатель», Опубл. 23.03.92, Бюл. №1], який містить вітроколесо з лопастями і кільцевим направляючим апаратом, установленим коаксіально зовні колеса. Апарат має розташовані рівномірно по кільцю перегородки, установлені з утворенням каналів. Кожна перегородка виконана з нерухомої і поворотної частин, причому поворотна частина постачена пружиною і регулятором зусилля пружини. При роботі потік повітря, що набігає, проходить спочатку через канали, де відхиляється рухливими частинами перегородок у залежності від швидкості вітру. У такий спосіб здійснюється керування перетвореною потужністю (і швидкістю обертання вітроколеса). До недоліків даного технічного рішення можна віднести надмірну ускладненість конструкції вітроколеса, а також те, що обмеження потоку досягається за рахунок збільшення пасивної парусності вітроколеса, оскільки закриті перегородки утворюють глуху площину великої площі, і гальмують плин потоку без перетворення його енергії. Це призводить до небезпечного механічного перевантаження опори ВЕУ. Найбільш близьким технічним рішенням, узятим як прототип, є вітросилова установка [а.с. СРСР №1409775 МПК F03D 7/02, Ю.В. Шевченко, «Ветродвигатель», Опубл. 15.07.88, Бюл.№6], яка містить закріплені на валу вітроколесо з вертикальною віссю обертання, генератор (двигун) і комбінований пристрій просторової орієнтації і гальмування. Останній виконано у виді пустотного обтічника, постаченого муфтою. У тілі вала в районі установки муфти виконані два канали, у яких розміщені разфіксовані підпружинені вантажі, постачені гальмовими колодками, розрахованими на фрикційну взаємодію з внутрішньою поверхнею 86128 4 муфти. При розкручуванні вала під дією відцентрових сил вантажі, переборюючи опір пружин, зміщаються і при надмірних швидкостях обертання вітроколеса упираються гальмовими колодками в поверхню муфти, фіксуючи положення обтічника. Обтічник починає обертатися разом з валом, створюючи зустрічну обертанню силу аеродинамічного опору. Таким чином, при сильних поривах вітру обтічник працює як аеродинамічне гальмо, що обмежує швидкість обертання вала ВЕУ. При зменшенні швидкості потоку вантажі відтягаються пружинами до центра вала і знімають зачеплення. Після цього гальмо функціонально перетворюється в обтічник. До недоліків прототипу варто віднести те, що надлишкову енергію обертання не утилізують, а просто гасять. Крім того, застосований гальмовий механізм є за принципом дії не регулятором швидкості обертання ветроколеса, а її обмежником. Контактний фрикційний спосіб фіксації обтічника для перетворення його в гальмовий пристрій виключає застосування таких регуляторів на ветроустановках великої потужності. В основу запропонованого рішення поставлена задача створення можливості керування швидкістю обертання вітроколеса для підвищення рівня безпеки його експлуатації при будь-яких вітрових напорах і для стабілізації оптимальної швидкості обертання. Поставлена задача вирішується тим, що генератор вітроустановки виконаний у виді безредукторного магнітоелектричного агрегату з постійними супермагнітами, при цьому статор генератора складається з дископодібної площадки, на якій установлено круговий ланцюжок котушок індуктивності, витягнутих по довжині у радіальному напрямку, ротор містить установлену на валу вітроколеса систему з'єднаних обічайкою штанг, кожна з яких складається з напрямних, з'єднаних за допомогою траверси через стопорний фланець з валом вітроколеса, і постійного супермагніту, установленого на напрямних з можливістю переміщення по їхнім стрижням, усі магніти зв'язані з фланцями за допомогою пружин і мають полярність, що чергується, а під площиною ротора встановлена кільцеподібна доріжка, виконана з листової міді, яка по ширині дорівнює статорному кільцю, а внутрішній радіус якої більше внутрішнього радіуса статорного кільця на довжину магніту. Розглянемо детально основні ознаки пристрою, що патентується. Вітер рідко має режим стаціонарного повітряного плину. Звичайний вид потоку - пульсуючий (рвучкий вітер). Тому обертаючий момент колеса непостійний. Щоб вирівняти хід, необхідно збільшити його інерційність. У запропонованому рішенні збільшується інерційність ротора, оскільки вітроколесо і ротор мають спільний трансмісійний вал. Інерція цієї системи збільшується непрямо, а через одержання на мідній пластині ефекту в'язкого електродинамічного тертя. У даному випадку аналогом інерційних сил служать сили, так званого, в'язкого тертя. У момент рушіння сили дорівнюють нулю, тому вітроколесо розкручується малим імпульсом, перебо 5 рюючи тільки його номінальну масову інерцію. Потім, у міру розгону колеса, магніт зміщається відцентровою силою і входить у зону магнітного контакту з мідним треком. Вихрові струми, що наводяться в міді, розсіюються на опорі матеріалу і відбирають енергію в магніту. У цій зоні гальмування збільшується при подальшому збільшенні швидкості, оскільки при зсуві магніту від центра росте плече сили опору руху. Магнітний спосіб гальмування ротора вбирає в себе ті особливості електродинамічної взаємодії, що можуть стати корисною відміною пристрою. Так, хід залежності сили електродинамічного гальмування від швидкості обертання ротора при дуже малих зазорах якнайкраще накладається на бажані пофазні зміни інерційності вітроколеса. У даному компонуванні генератора здійснюється як загальне коректування швидкості обертання ротора (і вітроколеса), так і згладжування різких змін швидкості, причому це реалізується на тому самому вузлі. Вітросилова установка, що патентується, виконана у виді безредукторного агрегату з вертикальною віссю обертання, оснащеного магнітоелектричним генератором з постійними супермагнітами і безконтактним електродинамічним гальмовим пристроєм, що є стабілізатором швидкості обертання (регулятором потужності). Вибір схеми перетворювача був продиктований тим, що в лінійних системах електрогенераторів відкриваються можливості комплексного використання вузлів і їхніх елементів. Так у даній конструкції практично всі деталі ротора є в той же час і деталями гальмового пристрою. У такий спосіб магніт ротора працює відразу обома полюсними гранями, впливаючи полем обох полюсів на дві відповідні площини: статорний диск і гальмову доріжку. Оскільки магніт збудження рухливий відразу у двох напрямках (у радіальному та у круговому), то відповідним чином змінена і форма котушок індуктивності. Вони витягнуті по розміру в радіальному напрямку так, що на всьому діапазоні зсувів магніт не виходить з ними з індуктивного зв'язку. Ці зміни не погіршують роботу генератора, оскільки електрорушійна сила індукції у витках рейстрекової форми наводиться, відповідно до теорії, у поперечних ділянках обмотки. А саме їхній розмір і збільшено. Запропонований вітрогенератор відрізняється від відомих тим, що складні системи індикації і корекції числа оборотів вітроколеса заміняються безконтактним гальмовим пристроєм відносно простої конструкції, автоматично стабілізуючим коливання швидкості обертання ротора при середніх вітрових навантаженнях і, що знижує до безпечного рівня обороти, викликані штормовими повітропотоками. За наявними в авторів відомостям запропоновані істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використане на підприємствах з виробництва вертикальноосьових вітроустановок великої потужності. На Фіг.1 приведена схема генератора вітроси 86128 6 лової установки з регулятором швидкості. На Фіг.2 - структура роторних штанг у плані. Статор генератора складається (Фіг.1) з дископодібної площадки 1, з'єднаної з естакадою (не показана, даний тільки умовний знак нерухомого закріплення), на якій закріплений рівномірний круговий ланцюжок модулів, що містять шихтовані феромагнітні осердя 2 і котушки індуктивності 3. Ротор лінійного генератора виконаний у виді радіальної системи штанг, кожна з яких складається з постійного супермагніту 4, встановленого з можливістю переміщення по напрямним 5, що з'єднані за допомогою траверси 6 з валом 7 вітроколеса (не показан). Фланець 8, що з'єднує траверсу і напрямні служить стопором, до якого кріпиться пружина 9, зв'язана з магнітом 4. Магніти на штангах мають полярність, що чергується. Кінці штанг по периферії для забезпечення механічної міцності зв'язані обичайкою 10. Під ротором на естакаді встановлена кільцеподібна доріжка 11, виконана з листової міді, що зсунута в радіальному напрямку щодо статорного кільця 1 на відстань, яка дорівнює розміру магніту. Модулі витягнуті по розміру в радіальному напрямку. Ця міра створює позиційний діапазон, у якому здійснюється їх повне магнітне зчеплення з магнітами 4 при переміщенні останніх. Кліренс (повітряний зазор між площиною доріжки і нижніх полюсних граней магнітів) мінімізовано. Штанги ротора (вид зверху на Фіг.2) постачені подвійними напрямними 5. Вони являють собою стрижні з гладкою поверхнею, пропущені у відповідні канали, виконані в тілі магнітних брусків (показані пунктиром). Пружина 9 розкріплена між бічною гранню бруска і фланцем 8. Рух по напрямних відбувається при мінімальному фрикційному опорі завдяки використанню змащення. Описана вітросилова установка працює в такий спосіб. До запуску установки пружини 9 знаходяться в цілком скороченому стані і при цьому магніти 4 розташовуються по колу мінімального діаметра, знаходячись навпроти внутрішніх частин модулів, витягнутих поперек руху ротора. У цій позиції магнітне поле не перетинає гальмовий диск 11. При розкручуванні ротора обертаючим моментом від вала 7 на магніти починає діяти відцентрова сила, яка розтягує пружини. Елементи генератора, включаючи і гальмовий диск, позиційно розміщені таким чином, що у всьому діапазоні швидкостей магніти ротора не виходять за межі контуру модулів, переміщуючись від внутрішнього їхнього кінця до зовнішнього при зростанні числа обертів. Але в положенні на напрямних 5, що відповідає оптимальному значенню швидкості обертання, проекції магнітів лягають на площину гальмових доріжок і магнітний потік дифундує в мідний лист. Наведені в матеріалі доріжки вихрові струми починають розсіювати енергію руху, гальмуючи ротор. Унаслідок цього швидкість обертання зменшується і пружини зміщають магніти убік вала. Гальмова доріжка розміщена так, що внутрішнього її краю магніти досягають при оптимальній для даного ВЕУ швидкості обертання ротора. Якщо напір вітрового потоку перевищує середні ве 7 личини або стає надмірним, то магніт усе більше зміщається до периферії гальмової доріжки. При цьому момент гальмової сили росте завдяки збільшенню радіуса руху магнітів (плеча сил). Ефективність гальмування забезпечується малим опором матеріалу доріжки (вихрові струми великі), малим кліренсом (сила електродинамічного гальмування максимальна). Таким чином, при перемінному напорі вітрового потоку з поривами небезпечної інтенсивності надлишкове розкручування вітроколеса усувається завдяки гасінню частини енергії на роторі, шляхом збудження інтенсивного тертя з боку безконтактного гальмового пристрою. При цьому оптимальна швидкість цілком відновлюється. При вітрі з постійним потоком магніт зупиняється на такій відстані від вала, де сила натягу пружини дорівнює відцентровій силі. З цього випливає, що гальмовий пристрій усуває негативні наслідки нерівномірності надходження потужності на генератор, стабілізуючи швидкість обертання на оптимальному рівні, а також парирує катастрофічні прискорення вітроколеса, утримуючи швидкість у безпечному діапазоні. 86128 8 Як слідує з опису, гальмовий вузол убудований у структуру генератора так, що всі деталі ротора є в той же час і деталями гальмового вузла. А принцип одержання гальмуючих сил можна охарактеризувати як безконтактний електродинамічний. Характерно, що завдяки використанню «в'язкого тертя» перехідні процеси в системі генератора проходять плавно, згладжуються різкі пульсації потужності. Фактично ротор одержує фіктивне збільшення інерційності при постійній масі. Два вторинних корисних ефекти, притаманні запропонованому гальмовому пристрою, також можуть бути використані. Перший полягає в тім, що робота гальма супроводжується виділенням теплової енергії, яка накопичується в масі доріжки. Цю енергію можна шляхом теплообміну з водою подати в накопичувальний резервуар, або ж синхронно в контур обігріву помешкань. Другий складається в появі сили відштовхування магніту від гальмової доріжки. Ця сила частково компенсує вагу магнітної системи, що може при великому діаметрі кола обертання давати деформації ротора, що змінюють номінальні зазори між активними елементами ротора. 9 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 86128 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601