Перебазовувана вітроенергетична установка

Перебазовувана вітроенергетична установка, що містить щоглу, вітроколесо, гондолу, генератор, трансмісію та гнучкі розчалки, яка відрізняється тим, що щогла виконана у вигляді трубчастої стійки, яка закріплена нерухомо на основі і оснащена технологічною площадкою для розміщення гондоли, встановленої у верхній частині C2 2 (19) 1 3 Крім того, розміщення ВЕУ на унікальних площадках обтяжено рядом додаткових проблем, пов'язаних у всіх випадках з дефіцитом площі спирання по одній з координат (з боку обриву). Відомі технічні рішення, в яких вказані проблеми частково вирішені. Аналогом технічного рішення, що патентується, є патент Російської Федерації № 2095624, Ба6 шта вітроустановки, МПК F03D 11/04, заявник уфімський державний авіаційний технічний університет, автори Єнікеєв Г.Г. Гузаіров А.Р., патентовласник уфімський державний авіаційний технічний університет, пріоритет від 13.04. 1995, Опубл. 10.11.1997. Башта цієї вітроустановки містить внутрішній порожнистий вертикальний стрижень, сполучений із зовнішнім корпусом за допомогою системи горизонтальних перемичок, кількість, розміри і положення яких по висоті башти можна регулювати і підбирати так, щоб частота власних коливань башти збільшувалася або зменшувалася. До недоліків даного пристрою можна віднести недостатню варіативність конструкції башти, що обмежує можливості її використання на місцевостях складного рельєфу. Найближчим до технічного рішення, що заявляється, узятим як прототип, є патент РФ № 6 2075643, МПК F03D 11/04, Пересувна вітроенергетична установка і спосіб її монтажу, автори Забєгаєв А.И., Горбунов Ю.Н., Наумов В.В., Чернишов С.К., Смирнов С.Л., Новак Ю.И., Соболь Я.Г., Дьомкін В.В., патентовласник Товариство з обмеженою відповідальністю - Фірма "Общемашінжиніринг", Науково-виробниче об'єднання "Вітроен", Заявка 95101550/06, 31.01.1995, Опубл. 20.03.1997. Дана ВЕУ містить секційну щоглу, вантажопідйомний пристрій, вітроколесо, гондолу, генератор, трансмісію, гнучку тягу і забезпечена регульованими та периферійними опорами і силовою обоймою. Щогла виконана з однотипних модулів, нижній з яких вмонтований в обойму, а на верхньому закріплена гондола. Периферійні основи виконані з можливістю спирання на ґрунт, а також оснащені штирем для заглиблення в ґрунт. Кожна гнучка тяга сполучає периферійні основи з верхнім модулем щогли та забезпечена механізмом зміни її натягнення. Монтаж-демонтаж установки проводять за допомогою функціонального оснащення і вантажопідйомного пристрою. До недоліків прототипу можна віднести громіздкість і складність конструкції ВЕУ, неможливість зміни частоти власних коливань опорного каркаса, а також труднощі встановлення її на площадках складної конфігурації. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача створення перебазовуваних ВЕУ з настоюваним по власній частоті коливань і несиметричним силовим каркасом. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованій перебазовуваній вітроенергетичній установці, що містить щоглу, вітроколесо, гондолу, генератор, трансмісію, гнучкі розчалки і регульовані підпори, щогла виконана у вигляді трубчастої стійки, яка закріплена нерухомо на основі і осна 95529 4 щена технологічною площадкою для розміщення гондоли, встановленої у верхній частині щогли, у кормовій частині гондоли закріплено кіль, стійкість щогли до бічних навантажень забезпечена силовим каркасом, що складається з двох або більше гнучких розчалок, укріплених на тимчасових основах і забезпечених пристроями для натягнення, і жорсткої підпори, також оснащеної пристроями для натягнення та укріпленої в двох місцях, - на власній основі і на технологічній площадці, причому кріплення до площадки виконане у вигляді осьового упора, що дає можливість міняти кут нахилу підпори, яка складається з двох труб, сполучених по торцях і розсунених на відстань, дорівнюючу діаметру укосини, яка закріплена одним кінцем на окремому осьовому упорі з можливістю зміни нахилу, а її вільний кінець має можливість бути пропущеним в зазор між трубами підпори і переміщатися усередині зазору за допомогою лебідки, трос якої перекинутий через блок, змонтований в зазорі підпори, при цьому фіксація укосини проводиться шляхом затискання її кінцевої ділянки між трубами при закручуванні затяжного гвинта, що вставляється в найближчий до вибраного положення укосини крізний отвір, для чого в підпорі, по обидва боки від середини, виконано ряд отворів, що проходять через дві труби. Проведемо аналіз на відповідність заявлених ознак поставленій задачі. 1. Щоглу виконано у вигляді трубчастої стійки, яка закріплена нерухомо на основі і оснащена технологічною площадкою для розміщення гондоли, встановленої у верхній частині. Використання в даній схемі розчалок дає можливість максимально спростити конструкцію силового каркаса. Так щоглу можна виконати у вигляді простого трубчастого елемента, монтаж і транспортування якого не надає проблем. І що найважливіше - в критичних обставинах щоглу можна замінити яким завгодно елементом, здатним виконувати її функції. Вона не вимагає капітального фундаменту. Залежно від якості ґрунту його можна замінити тимчасовими опорами типу підп'ятників, каміння, поглиблень і т.п. 2. У тильній частині гондоли встановлений кіль. Кіль не є обов'язковим вузлом. В повній відповідності із загальною ідеєю максимального спрощення конструкції, по схемі, що патентується, можна виготовляти модифікації ВЕУ без вузла флюгерної орієнтації. Тоді вітроколесо матиме робочу позицію з підвітряної сторони гондоли. І хоча в такому разі вітроколесо буде працювати наполовину в аеродинамічній тіні каркаса, воно автоматично і з великою точністю (без перекосів) буде орієнтовано уздовж течії. 3. Силовий каркас складається з двох або більше гнучких розчалок, укріплених на тимчасових основах і забезпечених пристроями для натягнення, і жорсткої підпори, також оснащеної пристроями для натяжіння, та укріпленої в двох місцях, - на власній основі і на технологічній площадці, причому кріплення до площадки виконане у вигляді осьового упора, що дає можливість міняти кут нахилу підпори, яка складається з двох труб, сполу 5 чених по торцях і розсунених на відстань, дорівнюючу діаметру укосини, яка закріплена одним кінцем на осьовому упорі з можливістю зміни нахилу, а її вільний кінець пропущений в зазор між трубами підпори. Стійкість щогли при фіксації розчалками, що забезпечується анкерами (штирями) для заглиблення в ґрунт або лід, по трьох точках в на півплощині (на малому або несиметричному майданчику) не може бути реалізована. В цих випадках можна здобути певного результату, використовуючи дві гнучкі розчалки і одну жорстку підпору. Проте, проста трубчаста підпора має значну довжину і піддається прогинанню, як під дією власної ваги, так і при подовжніх (стискаючих) навантаженнях, що передаються через щоглу і мають своїм джерелом тиск вітрового потоку на вітроколесо. Появу і розвиток поперечних деформацій можна обмежити вживанням ще одного елемента - укосини, зв'язуючи центральну зону підпори з основою (фундаментом) щогли. При розробці силового каркаса ВЕУ, що патентується, був проведений аналіз розподілу сил по всіх його елементах кріплення (гнучким і жорстким) залежно від напрямку вітру. Несиметрична схема фіксації щогли конструктивно виражається у відсутності симетричного елемента по координаті, пов'язаній з жорсткою підпорою. Кругове розвертання сил навантаження при несиметричній схемі розміщення елементів кріплення залежно від румба вітрового потоку має наступний вигляд. Якщо розчалки при будь-якому вітрі працюють в режимі розтяжіння, то навантаження, діюче на підпору, змінює знак. При навітряних румбах підпора зазнає розтяжіння, а при підвітряних - стискання. Максимальне навантаження підпора витримує тільки в двох положеннях: в лобовому навітряному і прямому підвітряному. При інших румбах навантаження розподіляється між нею і розчалками в різних пропорціях, але ніколи не лягає вся на підпору. Проведений аналіз дає можливість визначити співвідношення міцносних характеристик між деталями каркаса. Якщо всі деталі виконані трубчастими, то максимальну товщину повинна мати щогла, що тримає гондолу з генератором і працююча на стискання та вигин. Підпора виконана з більш тонких труб, але подвоєних. Найтонша деталь укосина. Вона зазнає тільки стискаючих навантажень, але набагато менших по інтенсивності, ніж підпора. Вживання додаткового жорсткого елемента дає новий корисний результат. Він полягає в тому, що з'являється можливість змінювати власну частоту коливань каркаса ВЕУ. Настройку власної частоти конструкції проводять вимушено і з наступних причин: а) робота ВЕУ в зимовий період або ж в заполярних широтах супроводжується обмерзанням лопатей ротора, що призводить до биття, яке може увійти в резонанс з опорним каркасом. Ці процеси ускладнюються тим, що ВЕУ з горизонтально-осьовими роторами мають вузли роздачі обертального моменту з кутовим поворотом. 95529 6 б) при перебазуванні ВЕУ змінюються умови її спирання на ґрунт, причому це стосується не тільки конфігурації силової конструкції (місць фіксації розчалок), але і фізичних властивостей ґрунту. Всі разом узяті ці чинники змінюють діапазон автоколивальних процесів. в) експериментальні установки із змінними лопатями (насадками і т.п.) мають динаміку, що змінюється, зі своїми характерними спектрами частот. Як відомо, власна частота коливань силового каркаса, який зазнає дії поздовжньої стискуючої сили N, обчислюється по співвідношенню: fN = f0/(1-N/Nкр.), де fN - власна частота коливань при умові, що N  0; f0 - власна частота коливань при умові, що N=0; Nкр - ейлерова критична сила, яка визначається жорсткістю (пружністю) елементів каркаса, їх довжиною та граничними умовами закріплення. Таким чином, чутливість параметра власної частоти коливань до зміни структури каркаса яскраво виражена. Залежність частоти автоколивань каркаса від довжини елементів, способу їх закріплення та поздовжнього навантаження, дає можливість керувати основним параметром fN. Ця обставина дозволяє користуватися найпростішими прийомами варіювання конструкції каркаса для підстроювання та виводу установки із смуги резонансних частот. Корекцію частоти автоколивань проводять шляхом оперативної перебудови структури каркасу, а саме - зміною місця закріплення укосини, що має наслідком відносну зміну довжин трубчастих ділянок елементів каркаса. Три елементи, складові каркасу, скріплюють між собою так, що взаємний вплив при перерозподілі навантажень і вібрацій від загального силового джерела розширює безпечну зону частот. Окрім того, рівень поздовжнього напруження жорсткої підпори регулюється за допомогою талрепа, що розширює можливості зміни власної частоти коливань усієї опорної конструкції. 4. Вільний кінець укосини переміщається усередині зазора за допомогою лебідки, трос якої перекинутий через блок, змонтований на підпорі. Лебідка є універсальним комплектуючим механізмом, який застосовується у даному випадку не тільки для перенастроювання силового каркаса, але і при монтажі перебазовуваної ВЕУ. Після завершення збірки ВЕУ лебідка переходить в її конструкцію як штатний вузол. Лебідка може мати електропривід (в установках середньої потужності). В легких пересувних вітроустановках можна обмежитися ручними лебідками. Багатофункціональність і простота даного вузла виправдовує її вживання в рамках технічного рішення, що патентується. Проведений аналіз показав, що відмінні ознаки ВЕУ, що патентується, обґрунтовано забезпечують розв'язання поставленої задачі. За відомостями, що є у авторів, запропоновані суттєві ознаки, які характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. 7 Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні вітроенергетичних пристроїв малої і середньої потужності для розміщення на виробничих будівлях, а також в регіонах із складним рельєфом місцевості - на скельних виступах, крижаних полях і т.і. Конструкція пристрою, що патентується, ілюструється схемою. На фіг. 1 представлена фронтальна проекція пристрою. На фіг.2 приведена схема тильного виду цього ж пристрою. Силовий каркас перебазовуваної вітроустановки містить щоглу, розчалки, жорстку підпору та укосину. Щогла 1 (фіг. 1-2) виконана у вигляді трубчастої стійки, яка закріплена нерухомо на основі 2. На технологічній площадці 3, розташованій у верхній частині щогли, встановлена гондола 4 з генератором (не показаний), на валу якого знаходиться вітроколесо 5. В тильній частині гондоли встановлений кіль 6. Стійкість щогли 1 до бічних навантажень забезпечується системою кріплень, що складається з двох і більше гнучких розчалок 7 і жорсткої здвоєної трубчастої підпори 8, укріпленої в двох місцях - на власній основі 9 і на площадці 3. Кріплення до площадки виконано у вигляді осьового упора 10, що дає можливість міняти кут нахилу підпори. Підпора складається з двох труб, сполучених по торцях і розсунених на відстань, дорівнюючу діаметру укосини 11. Укосина закріплена одним кінцем на спільній основі 2 з щоглою з можливістю зміни кута нахилу. Для цього її також встановлюють на осьовому упорі 12, а вільний кінець пропускають в зазор між трубами підпори 8. Вільний кінець укосини при зміні кута переміщається усередині зазора за допомогою лебідки 13, трос якої перекинутий через блок 14, змонтований в зазорі підпори. Фіксація укосини проводиться шляхом затискання її кінцевої ділянки між трубами при закручуванні затяжного гвинта 15, вставленого в найближчий, до вибраного положення укосини, крізний отвір, для чого в підпорі, по обидві сторони від середини, виконано ряд отворів 16, які проходять через дві труби. Розчалки 7 укріплені на основах 17 і забезпечені пристроями для натягнення 18 - талрепами. Талрепом 19 оснащена також укосина. При частому перебазуванні застосовуються тимчасові полегшені фіксатори основ у вигляді анкерних стрижнів, клинів і т.п. кріплення. Складна поверхня місця базування ВЄУ (наприклад, скельна площадка або каркас споруди), вирівнювання якої під розміщення установки неможливо, або надто енергоємне, не стає перешкодою для монтажу. Основи установки, що патентується, завдяки рухомому кріпленню, можуть бути встановлені на різних висотах відносно основи щогли. Розбіг висот  h (Фіг. 1-2) не позначається на міцносних показниках кріплення щогли, чим здобувається легкість адаптації ВЕУ до особливостей рельєфу. Робота і настройка описаної вітроустановки відбувається наступним чином. Вітровий потік повертає гондолу, виставляючи вітроколесо на вітер, робота якого творить опір швидкісному натиску потоку. Сила тиску передається на щоглу у вигляді поперечного навантаження, прикладеного до верхнього її кінця. Її ком 95529 8 пенсують протисилами з боку розчалок і підпори. В початковому положенні підпора провисає під дією власної ваги, чим задається напрям її подальшої деформації при дії поздовжніх стискаючих навантажень. Розтягуючі сили тільки зменшують вже наявне пружне прогинання. Для того, щоб деформації не перейшли в необоротну пластичну форму, підпорку підкріплюють в районі середини довжини укосиною, яка компенсує її вагу. Введений елемент дає можливість паралельно розв'язати проблему автоколивань опорного каркаса ВЕУ. Частота власних коливань конструкції залежить від положення точок спирання кожного її елемента. Оскільки деталі каркаса взаємно підтримують одна одну, переміщення точок закріплення змінює цей параметр. В пристрої, що патентується, точку закріплення укосини міняють за допомогою лебідки. Перекидання точки фіксації укосини повинне проводитися при недеформованій напругою щоглі. Її розвантаження здійснюють за рахунок енергії вітру. Фіксацію підпорки проводять, коли вона виявляється з навітряного боку, в діапазоні навітряних румбів. В цьому положенні вона розвантажена силами вітрового тиску на вітроколесо, що передаються на неї, і має мінімальне вагове прогинання. На неї діють розтягуючі навантаження, частково знімаючі поперечні деформації, а подовжні деформації не перешкоджають проведенню операції перезакріплення укосини. Після фіксації укосини за допомогою затяжного гвинта установка випробовується при різних швидкостях вітру. В разі появи резонансних вібрацій місце фіксації укосини міняють. У випадку неможливості виводу пристрою з резонансної смуги за допомогою талреп змінюють поздовжнє навантаження на трубчасті деталі підпори. Операцію настройки продовжують до тих пір, поки зникнуть ці негативні процеси. Після настройки ВЕУ готова до експлуатації. На ВЕУ малій потужності зміну конфігурації опорної щогли можна проводити уручну. Оскільки опорний каркас ВЕУ, що патентується, складається з простих деталей (труб), для її демонтажу і транспортування не потрібне складне оснащення і додаткові механізми. Монтаж може бути здійснений за допомогою ручної лебідки. Технічне рішення, що патентується, засновано на концепції високого ступеня адаптивності пристрою. Принципова схема вітроустановки передбачає незалежність від особливостей конкретного виконання. Сюди включається простота принципової схеми і технології монтажу, мала залежність від розміру, форми і несучих якостей площини спирання, змінність і варіативність окремих деталей, її елементи і вузли допускають спрощення і варіації за матеріалом і конструктивними частинами без втрати функціональності. Можливі наступні спрощення силового каркаса: 1. Замінити здвоєну підпору одиночною трубою; 2. Затяжний гвинт замінити стягуючою скобою; 3. Трубчасті форми замінити на профільовані; 4. Збільшити кількість гнучких розчалок; 5. Замінити привідну лебідку ручною. 9 95529 6. Замінити анкерні кріплення клиновими; Щоглу легко виготовити з частин інших механізмів і підручних матеріалів. ВЕУ можна перебазувати не в повній комплектації. Саме ці якості показують переваги її використання у важкодоступних регіонах, віддалених від виробництв і підприємств відповідного профілю (в заполярних зонах, в горах, на крижаних масивах і т.п.). Максимально спрощена модифікація вітроустановки, що патентується, має опорний каркас, складений з одинарних трубчастих елементів, сполучених між собою жорстко, без можливості зміни кутів нахилу. Така ВЕУ встановлюється стаціонарно на проблемних площадках постійно і експлуатується без перебазування. Безпечна частота автоколивань визначається для конкретних умов Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 10 експлуатації, після чого деталі силового каркаса з'єднуються шляхом зварки. Для більш надійного захисту будівлі від вібрацій, виникаючих в умовах частої та різкої зміни напрямку вітру (що призводить до інтерференції коливань різного спектра частот) Можливість зміни кута нахилу підпорки та нежорстке кріплення укосини дає можливість встановлювати ВЕУ на площадках без їх вирівнювання. Основи гнучких розчалок та рухомої підпорки можуть кріпитися на тому рівні, який існує в місці спирання. Запропоноване технічне рішення дає можливість використовувати маловитратні способи інтеграції ВЕУ в складні типи місцевості. Підписне Тираж 23 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