Опорний вузол ротора вітроенергоустановки

1. Опорний вузол ротора вітроенергоустановки, що містить магнітопов'язані елементи, розміщені із зазором на площинах ротора і основи, який відрізняється тим, що постійні магніти встановлені тільки на диску ротора і служать магнітами збудження, площиною основи служить платформа статора, яка виконана двоярусною, причому на її верхньому ярусі встановлені модулі лінійного генератора, а на нижньому - короткозамкнуті котушки, диск ротора розміщений в зазорі між ярусами статора, а магніти закріплені так, що при роботі вітроенергоустановки входять протилежними полюсними гранями в магнітне зчеплення з модулями і котушками відповідно. 2. Опорний вузол ротора вітроенергоустановки за п. 1, який відрізняється тим, що нижній ярус статора виконаний у вигляді суцільної пластини з діамагнітного матеріалу, яка служить деталлю теплообмінника, зокрема водяного. Винахід відноситься до вітроенергетики і дозволяє збільшити продуктивність генератора і надійність опірного вузла ротора вітросилової установки. Серед безлічі проблем, пов'язаних з розробкою вертикальноосьових вітроенергоустановок (ВЕУ), існує проблема економічної підвіски ротора генераторного вузла, а також надійної позиційної сталості трансмісійного валу при «неабсолютній» жорсткості системи фіксації. Ця проблема загострюється і виходить на перший план при створенні ВЕУ великої потужності. Наприклад, конструктивна схема карусельних ВЕУ має два недоліки: кільцевий ротор має велику масу і значні геометричні розміри. Переміщення важкого ротора по естакаді відбувається з серйозними фрикційними втратами, якщо здійснюється на механічних опорах (роликах). У вертикальноосьових ВЕУ рушійна сила, що обертає ротор, утворюється різницею вітрового тиску на ліву і праву групи лопастей (крил) вітроколеса. Тиск повітряних потоків розподілений нерівномірно по вітроприймальних площинах ВЕУ, що створює деформуючі навантаження, збільшені моментами сил. Пульсуючі аеродинамічні навантаження і вібрації, що передаються на вал, істотно ускладнюють умови роботи маточини і опірнопідшипникового вузла. Для ефективної роботи ВЕУ вал необхідно захистити від вібрацій, а ротор повинний надійно фіксуватися в межах встановленної траєкторії руху. Таким чином, він потребує не тільки економічного підвісу, але і системи стабілізації динаміки. Огляд патентної літератури показує, що ці проблеми знаходяться в зоні великої активності розробників. Відомий вітродвигун [а.с. СССР №1344936, МПК6 F03D11/04, Колобушкин Р.С. и др., Аэродинамическое устройство ветродвигателя, Опубл. 15.10.87, Бюл. №38.]. Він являє собою аеродинамічний пристрій, який має розміщене в камері башти вітроустановки горизонтальне вітрило. Камера обладнана вікнами з регульованими шторками, а також горизонтальною перегородкою, що розділяє її на верхню і нижню порожнини. Віт (19) UA (11) 86143 (13) (21) a200708837 (22) 31.07.2007 (24) 25.03.2009 (46) 25.03.2009, Бюл.№ 6, 2009 р. (72) ДЗЕНЗЕРСЬКИЙ ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA, ТАРАСОВ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, КОСТЮКОВ ІГОР ЮРІЙОВИЧ, UA, БУРЯК ОЛЕКСАНДР АФАНАСІЙОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ ТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ І ТЕХНОЛОГІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ "ТРАНСМАГ", UA (56) JP, 2005160197, F03D 9/00, 11/00, H02K 21/24,1/26, 16.06.2005 JP, 2006152983, F03D 9/00, 3/04, 7/04, H02K 21/12, 15.06.2006 US, 4633149, H02K 5/08, 29/08, Dec.30, 1986 US, 4072881, H02K 29/06, Feb.7, 1978 RU, 2168062, F03D 9/00, 27.05.2001 SU, 1714188, F03D 11/00, 23.02.1992 SU, 1344936, F03D 11/04, 15.10.1987 C2 1 3 рило розміщено в першій з їх, має по периферії вертикальні лопасті, розміщені навколо перегородки в обох порожнинах, і жорстко пов'язаний з вертикальним валом. Є ще декілька факультативних ознак, що підсилюють основну ідею, яка викладена далі. При робочій швидкості вітрові струмені надходять у камеру і обертають вітрило. Після цього потік розділяється на дві течії - верхню і нижню. Верхня течія через систему заслінок попадає в надвітрильну порожнину і виходить крізь витяжні канали в атмосферу. Нижня течія таким же чином подається в нижню порожнину, в підвітрильний простір, і гальмується в ній, створюючи аеродинамічний підпір. Таке розгалуження потоків піднімає вал за рахунок різниць тиску, що утворюється, розвантажуючи кінематичні вузли і опірний підшипник. Таким чином зменшуються фрикційні втрати, збільшується ККД перетворення. До недоліків прибудові можна віднести надмірну складність системи розподілу і проводки потоків (з її численними вікнами, заслінками, замкненими порожнинами і каналами), а також негативний вплив на динаміку робочого проходу повітряного потоку стрічного тиску з боку нижнього вихору. Найбліжчим технічним рішенням, узятим як прототип, є опорний вузол ротора вітродвигуна [по а.с. СССР №1714188 МПК6 F03D11/00, Артышев Ю.А. и др., Опорный узел ротора ветродвигателя, Опубл. 23.02.92, Бюл.№7]. Цей вузол є важливою деталлю вертикальноосьової ВЕУ, розміщений в нижній опорі валу. Він містить нерухому основу і ємність, частково заповнену робочою магнітною рідиною. В ємності розміщений понтон, який має відкриту з боку основи порожнину, заповнену газом. В нижній частині ємності встановлені постійні магніти, орієнтовані один до одного однойменними полюсами і розділені прокладкою з діамагнітного матеріалу. До складу магнітної рідини входять рідина-носій і колоїдні частинки феромагнетика, стабілізовані в рідині поверхносто-активними речовинами. Тиск валу зближує полюсні грані магнітів, магнітна рідина, намагнічується і набуває в'язкості, і далі працює як пружина, що демпфує вертикальне навантаження. Сумісна і однонаправлена дія сил магнітного відштовхування і сил пружності забезпечує корекцію положення торцевої зони валу ВЕУ, що не має прямого механічного контакту з основою. До недоліків описаного способу розвантаження валу ротора можна віднести те, що магнітний "замок", утворений за допомогою постійних магнітів, які при такій орієнтації полюсів не дає достатньо жорсткої бічної фіксації. Крім того при роботі спостерігається сильне розсіювання магнітних потоків, яку, хоча і зменшує, але не усуває наявність магнітної рідини. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача збільшення ККД генератора за рахунок розвантаження ротора ВЕУ і підвищення надійності м'якої фіксації трансмісійного валу ротора. 86143 4 Поставлена задача вирішується тим, що в розробленому пристрої, що містить магнітопов'язані елементи, розміщені із зазором на площинах ротора і основи, постійні магніти встановлені тільки на диску ротора і служать магнітами збудження, площиною основи служить платформа статора, яка виконана двох'ярусною, причому на її верхньому ярусі встановлені модулі лінійного генератора, а на нижньому - короткозамкнуті котушки, диск ротора поміщений в зазорі між ярусами статора, а магніти закріплені так, що при роботі ВЕУ входять протилежними полюсними гранями в магнітне зчеплення з модулями і котушками відповідно. Проведемо детальний аналіз технічного рішення. На ККД вітрогенераторів сильно впливає наявність системи кінематичних зв'язків вітроколеса з робочими органами або перетворювачами енергії. Редуктори, що змінюють напрям передачі обертання, мультиплікатори, фрикційні муфти і подібні вузли забирають частину енергії, і на генераторі знімається не вся утилізована потужність. Тому на сучасному етапі перевагу взяли безредукторні типи ВЕУ. Але вони вимагають використання лінійних перетворювачів енергії різних модифікацій. Для розвантаження і поліпшення фіксації ротора статор пропонованої конструкції виконаний у вигляді двох'ярусної платформи. Верхній ярус є індуктивною частиною лінійного генератора кільцевого типу. Кільцева розгортка виконана з модулів, що складаються із котушок з осердями. Нижній (опорний) ярус складається з короткозамкнених плоских контурів і служить для створення розвантажувальної реакції - безконтактної сили, направленої стрічно силі тяжіння. Котушки цього ряду не мають осердь. В зазорі між ярусами поміщений диск з діамагнітного матеріалу, в периферічну кругову зону якого вбудовані постійні магніти. Розміри між'ярусного зазора регламентовані умовами забезпечення оптимальних умов роботи лінійного генератора у всіх фазах дії вітроустановки. В даній компоновці використовуються магнітні потоки обох полюсів постійних магнітів, які взаємодіють з двох'ярусним статором. Але оскільки активні елементи різних ярусів не ідентичні, вони виконують неоднакові функції. Котушки не забезпечені осердею, оскільки їх функція - не генерація максимальної електрорушійної сили (для чого потрібна концентрація перетинаючого контур потоку), а для стиснення верхнього і наведеного магнітних потоків між полюсними гранями з метою формування магнітної подушки. Електродинамічна опора компенсує силу тяжіння ротора в діапазоні від часткового розвантаження до повної левітації. З'єднання функцій підвісу і виробництва електроенергії дає ще один корисний ефект. Колі при сильному вітрі швидкість обертання ротора збільшується, то збільшена підйомна сила зміщує ротор вгору і зменшує зазор в генераторній частині вузла. Це призводить до збільшення відбору потужності і до швидкого зростання сил гальмування. А також має слідством зменшення швидкості обертання ротора. Таким чином, відбувається автоматичне регулювання швидкості обертання. 5 Практічній інтерес має і використання «зворотного» ефекту, що має велике значення для тихохідних ВЕУ. При малих оборотах генератори виводять на пік продуктивності за рахунок збільшення швидкості обертання ротора. Для перетворення швидкості застосовують мультиплікатори. При оснащенні таких ВЕУ лінійними генераторами проблема швидкості розв'язується за рахунок зміни діаметра ротора, а не за рахунок частоти обертання. І карусельні і вертикальноосьові ВЕУ мають резерв по цьому параметру, оскільки не обмежені ваговими та габаритними показниками. Заміна запатентованого в прототипі магнітостатичного обпирання ротора на електродинамічне дає наступні переваги. - Роль опорного вузла ротора виконує сам перетворювач енергії, в даному виконанні - лінійний генератор. Поєднання функцій покращує умови роботи генератора в різних режимах функціонування вітрогенератора. - Поліпшується фіксація валу ротора, оскільки при електродинамічному типі обпирання відбувається автогасіння коливань і вібрацій валу ротора. - Центр ваги ВЕУ зміщується вниз, завдяки тому, що генератор може бути розміщений на рівні землі. Це істотно підвищує стійкість башти, знімає жорсткі вимоги до компактності вузлів ротора і обмеження по масі. Нижній ярус може мати спрощену конструкцію - виконаний у вигляді суцільного металевого (мідного або алюмінієвого) кільця або плити. Але при такому виконанні помітно розмивається зона локальної електродинамічної реакції. Крім того вихрові струми, циклічно відтворні на одних і тих же ділянках плити протягом багатьох годин роботи, нагрівають її. Проте цю енергію легко утилізувати, охолоджуючи плиту водою, яка може використовуватися для побутових потреб. Магнітний підвіс (розвантаження) ротора ВЕУ у принципі не зменшує кількості розсіяної енергії. Фрикційна дисипація, що зменшилася, доповнюється електродинамічною дисипацією (яка нагріває опору вихровими струмами). Але ця відмінність змінює на краще характер динаміки ротора. Оскільки ротор ВЕУ, особливо великої потужності, одержує від вітроколеса не тільки чистий обертаючий момент, а імпульси різних напрямів, вібрації різних гармонік, то робота опірних підшипників або роликів ускладнюється перекосами, локальними деформаціями та іншими механічними ефектами, які збільшують гальмуючі сили, прискорюють зношування та інші негативні процеси в матеріалах. Магнітний підвіс не тільки звільняє систему обпирання від цих недоліків, але і активно гасить вібрації і коливання валу і ротора. Він м'яко демпфує відхилення валу за рахунок наявності сильного індуктивного зв'язку. Циклічні відхилення від штатного взаємного положення ротора і статора, незалежно від їх походження, викликають сили, гальмуючі ці відхилення, шляхом відбору і переводу частини кінетичної енергії в теплову форму. Таким чином зменшується амплітуда вібрацій, що передається з вітроколеса на вал (вона гаситися на роторі, який «знімає» коливання з валу). Прічому це відбувається в умовах м'якого (безконтактного 86143 6 або слабоконтактного) зв'язку, тобто фактичному розділенні обертального і коливального рухів. Цього ефекту немає в установці-прототипі, в якій вібрації підсилюють опір обертанню. За відомостями, що є у авторів, запропоновані істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано на підприємствах по виробництву ВЕУ. Критерій «промислове вживання» підтверджується актуальністю проблематики на сучасному етапі розвитку вітроенергетики і його практичною прив'язкою до реальних виробничих технологій. Схематичній розріз запропонованого вузла у складі вертикальноосьової ВЕУ приведено на Фіг.1. ВЕУ складається з вітроколеса 1, закріпленого на трансмісійному валу 2. У верхній частині вал фіксується за допомогою підшипникового вузла 3, а в нижній - хвостовик валу вільно змішується (по висоті) в лунці 4. Вал 2, постачений диском 5 з діамагнітного матеріалу. По периферійному колу в нього вмонтовані бруски постійних магнітів 6. Диск 5 розміщений в зазорі між двома ярусами платформи. Верхній ярус 7 оснащений круговим ланцюжком модулів 8, зібраних на його активній площині. Модулі є котушками індуктивності, сполученими в електричний контур і мають вихід в мережу корисного навантаження через систему комутації (не показана). Нижній ярус 9 забезпечений круговою доріжкою з короткозамкнених контурів індуктивності 10. Всі три рівні активних елементів позиційно залежні. Постійні магніти 6 встановлені ланцюжком так, що проекція траєкторії руху їх центрів ваги на обидва яруси співпадає з лініями розміщення центрів модулів 8 та короткозамкнених котушок 10. А протилежні полюсні грані кожного магніта паралелі полюсним наконечникам верхнього ярусу і площинам котушок нижнього відповідно. Геометрічне узгодження проведено для отримання максимального магнітного зв'язку всіх елементів. Описаний пристрій складається з двох функціональних частин: верхній ярус 7 і диск 5 є магнітоелектричний генератор, а диск 5 і нижній ярус 9опорний вузол ротора. Диск 5, таким чином, об'єднує обидві частини, і його магніти служать джерелами поля збудження для обох рівнів вузла, замикаючи через них потоки від протилежних полюсів. Асиметрія в магнітопровідності верхнього та нижнього ярусів відповідає їх функціональній програмі, яка забезпечується концентрованим потоком у верхньому (програма генерації електрорушійної сили) і розподіленим потоком в нижньому ярусі (програма левітації). Вузол працює наступним чином. При передачі на вузол обертаючого моменту від вітроколеса 1 ВЕУ, тобто - у фазі зчеплення, хвостовик валу 2 спирається на дно лунки 4 всією масою робочого органу ВЕУ. Полюсні грані постійних магнітів 6 в початковій позиції віддалені від модулів 8 верхнього ярусу і тому опір розгону малий. У міру розкручування диска 5 левітаційна взаємодія поля магнітів з контурами 10 нижнього ярусу створює силу, діючу стрічно силі тяжіння і 7 зміщує диск у бік верхнього ярусу. Тім же рухом в модулях наводиться ЕРС індукції, яка виводиться в споживчу мережу. Потужність перетворення енергії при зменшенні зазора в генераторі поступово збільшується, а фрикційні втрати зменшуються. Хвостовик не виходить з лунки 4 при будьяких швидкостях обертання, але його контакт з її стінками при цьому мінімізується. Безконтактній (за допомогою магнітної взаємодії) спосіб компенсації ваги ротора (або його частини) знімає основне механічне навантаження зі всіх вузлів кінематичного зв'язку валу з опорною платформою. Безконтактний підпір ротора проводиться в периферичній його частині (в зоні розміщення постійних магнітів), що знімає проблеми, пов'язані з моментами власного вагового навантаження на конструкцію ротора, особливо в таких випадках, коли для збільшення відносної швидкості ходу малошвидкісних ВЕУ доводиться збільшувати діаметр рознесення магнітів збудження. Можлива при такому типі підвісу прецессия валу, що супроводжується дрейфом товщини зазора, менше відбивається на коефіцієнті перетворення, ніж зміни швидкості у ВЗУ-прототипі. Швидкість же руху ротора ВЕУ, що патентується, стабілізується великою інерцією диска ротора. Створення оптимального режиму вироблення електроенергії проводиться шляхом позиційної настройки кінематичної системи. Зазори d1 і d2 встановлюються з наступного розрахунку. Хід залежності підйомної сили від швидкості обертання ротора згідно теорії електродинамічної левітації характеризується наявністю стадії насичення (плато значень при певній швидкості). При розкручуванні ротора зазор d2 збільшується, а зазор dl зменшується. Згідно цьому зазор d1 при досягнені цієї швидкості повинний відповідати максимуму 86143 8 ККД установки. При цьому подальше зростання швидкості обертання не веде до збільшення зазору. Таким чином стійкість режиму автоматично стабілізується. Можливість вільного вертикального зсуву в лунці 4 дає ще один корисний ефект. Пройшовши всі етапи розгону, ротор на швидкісному максимумі одержує запас не тільки кінетичної енергії, але і потенційної, за рахунок збільшення висоти підйому над нижнім ярусом. Тому при можливих коливаннях вітрового натиску цей резерв може використовуватися для стабілізації числа оборотів. При зменшенні обертаючого моменту ротор втрачає висоту, але зберігає швидкість обертання. Таким чином, кінетичний накопичувач енергетичного ресурсу перетворювача, замінений потенційним накопичувачем. Дія такого накопичувача виражається в згладжуванні дії поривів вітру і падіння вітрового тиску, що вирівнює хід ветроколеса. А це, у свою чергу, підвищує стійкість роботи вітрогенератора. З тієї ж причини великий діаметр ротора підвищує також його позиційну стійкість. Це вигідно відрізняє дану конструкцію від прототипу. Всі конструктивні особливості описаного вузла служать досягненню поставленої мети - збільшенню ККД генератора за рахунок розвантаження ротора ВЕУ і підвищення надійності м'якої фіксації валу відбору потужності. Опорній вузол ротора, що патентується, може використовуватися як у традиційних горизонтальноосьових ВЕУ, так і у вертикальноосьових. Особливе вдало він інтегрується в тихохідні ВЕУ, розраховані на слабкий або переривистий вітровий натиск, де малий момент трогання вітроколеса є солідною перевагою. 9 Комп’ютерна верстка В. Клюкін 86143 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