Малошумна вітроенергоустановка з вертикальною віссю обертання

Реферат: Малошумна вітроенергоустановка з вертикальною віссю обертання містить вітроколесо з силовою обв'язкою, виконане сумісно з безредукторним електрогенератором і встановлене на горищному перекритті житлового будинку на віброізоляторах. Силова обв'язка знята з вітроколеса і виконана автономно у вигляді бандажної клітки, що спирається на основу установки. Клітка складається з двох і більше вертикальних стійок, укріплених на основі установки і зв'язаних опорними кільцями. На кільцях бандажної клітки закріплені два вузли магнітного підвісу, що складаються з брусків постійних магнітів, укладених у вигляді здвоєних кільцевих доріжок, встановлених з постійним повітряним зазором на опорних кільцях, в яких магніти звернені один до одного протилежними полюсами. Вітроколесо виконано у вигляді ротора Дар'є. На кінцях крил ротора укріплені пластинчасті алюмінієві наконечники, встановлені вертикально, які входять із зсувом відповідно у верхній і нижній зазори кільцевих доріжок. UA 100178 C2 (12) UA 100178 C2 UA 100178 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вітроенергетики, зокрема до конструювання та виробництва вітроенергетичних установок для монтажу на житлових будівлях і промислових спорудах. Розповсюдженню вітроенергетичних установок (ВЕУ) в містах перешкоджає виробництво шуму, яким супроводжується нормальна робота всіх типів вітроустановок. Захист людей, що знаходяться в будівлі, яка служить опорою для ВЕУ, від шкідливої дії вібрацій і шуму проводиться використанням звукоізоляції, віброізоляції, а також зменшенням обох чинників шляхом вдосконалення вітроприймальної і кінематичної схем вітроустановки. Тихохідні ВЕУ створюють менший акустичний фон, проте ця їх перевага знецінюється за рахунок широкого спектра вібрацій, усунути які повністю не вдається. Віброізолятори різних типів тільки знижують потужність коливань, але не гасять їх. Окрім амортизації з коливаннями силових вузлів борються ще двома технологічними прийомами: збільшенням жорсткості фіксації вала за допомогою бандажних просторових конструкцій, що обрамляють ротори ВЕУ і поліпшують фіксацію вала, а також шляхом з'єднання лопатей ротора за допомогою ободів, кілець, перемичок і т.п., що збільшує кінематичну жорсткість самого ротора. 7 Так, відомий роторний двигун з вертикальним валом обертання за пат. РФ № 2263815, МПК F03D 3/00, автори Халюткін В.А., Мерзлікін Р.Ю., патентовласник Федеральна державна установа вищої профосвіти Ставропольський державний аграрний університет, заявка № 2004110308/06, пріоритет від 05.04.2004, опубл. 10.11.2005, Бюл. № 31. Пристрій оснащений роторною фермою, яка охоплює вітроротор і має не менше трьох опор. Таким чином, ротор обертається усередині жорсткого конструктивного вузла, що створює валу ротора дві точки опори - верхню і нижню, що в технічному виконанні реалізовано як два опорнопідшипникових вузли, що забезпечують валу надійну фіксацію. Опори жорстко закріплені на фундаменті. Такий прийом зменшує вібрації системи за рахунок жорсткості установки деталей, що обертаються. До недоліків аналога слід віднести те, що виникаючі вібрації відводяться на фундамент, від масивності і пружності якого залежить процес їх гасіння. Такі пристрої не можна встановлювати на легких баштах з розчалками, на високих опорах, а також на жилих спорудах. Найближчим технічним рішенням, узятим як прототип, є автономний пристрій для 7 опалювання житлової або виробничої будівлі за пат. РФ № 2158849, МПК F03D 9/00, F24D 3/00, автор Богаєнко В.П., патентовласник Богаєнко Володимир Прокофьєвич, заявка № 99105291/06, пріоритет від 11.03.1999, опубл. 10.11.2000, Бюл. № 31. Пристрій містить вітроколесо і безредукторний вітроелектрогенератор з вертикальною віссю обертання, які встановлені сумісно на горищному перекритті житлового будинку або виробничого приміщення, а електричний водонагрівач і акумулятор тепла встановлені в підвальному приміщенні тієї ж будівлі. Захист людей, що знаходяться в будівлі, від вібрації забезпечується встановленням платформи вітроелектрогенератора на пружинні віброізолятори, а такою вільним обертанням вітроколеса і його малою вагою. До недоліків прототипу слід віднести те, що гасіння вібрацій проводиться на вторинній підвісці, що не може усунути акустичного шуму, випромінюваного лопатями. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача створення ВЕУ, що має знижений вібраційний і шумовий фон за рахунок м'якої безконтактної корекції деформацій лопатей вітроротора при одноточковій фіксації вала для можливості установки його на житлових будівлях і виробничих спорудах. Поставлена задача вирішується тим, що силова обв'язка знята з вітроколеса і виконана автономно у вигляді бандажної клітки, що спирається на основу установки, клітка складається з двох і більше вертикальних стійок, укріплених на основі установки і зв'язаних опорними кільцями, на опорних кільцях бандажної клітки закріплені два вузли магнітного підвісу, що складаються з брусків постійних магнітів, укладених у вигляді здвоєних кільцевих доріжок, встановлених з постійним повітряним зазором на опорних кільцях, в яких магніти звернені один до одного протилежними полюсами, вітроколесо виконано у вигляді ротора Дар'є, на кінцях крил ротора укріплені пластинчасті алюмінієві наконечники, встановлені вертикально, які входять із зсувом у верхній і нижній зазори кільцевих доріжок. Аналіз відмінних ознак на предмет їх новизни і можливості технічної реалізації дав наступні результати. 1. "силова обв'язка знята з вітроколеса і виконана автономно у вигляді бандажної клітки, що спирається на основу установки". Запропоноване рішення відкриває можливості нарощування потужності будинкових ВЕУ. Звичайні труднощі для конструкції прототипу обумовлені тим, що при збільшенні діаметра вітроприймального вузла прогресивно росте його маса, обтяжена силовою обв'язкою та системою магнітів збудження. В установці, що патентується, швидко зростає маса тільки 1 UA 100178 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 бандажної клітки через те, що її обважнює вузол магнітного підвісу. А маса вітроротора збільшується значно повільніше, при цьому левітаційний ефект знімає навантаження з опорних вузлів ротора. Збільшення ж маси клітки позитивно позначається на процесах гасіння вібрацій, оскільки маса зменшує амплітуду коливань. Таким чином, механічний обід, що зв'язує лопаті, можна скасувати. Маса вітроколеса в прототипі істотно збільшується за рахунок розміщення на його нижньому ободі системи магнітів збудження, які не створюють ефекту левітації, а працюють тільки на електрогенератор. В пристрої, що патентується, ротор полегшений не тільки тому, що з нього зняті металеві ободи, але і за рахунок роботи вузла магнітного підвісу, який спирається на перекриття будівлі і не обважнює вітроротор. 2. "клітка складається з двох і більш вертикальних стійок, укріплених на основі установки і зв'язаних опорними кільцями. На опорних кільцях бандажної клітки встановлено два вузли магнітного підвісу, що складаються з брусків постійних магнітів, укладених у вигляді здвоєних кільцевих доріжок, встановлених з постійним повітряним зазором на опорних кільцях, в яких магніти звернені один до одного протилежними полюсами". В прототипі деформації лопатей передаються на ободи, що сполучають їх в єдину жорстку конструкцію. Проте одержана жорсткість має той недолік, що первинною опорною базою всієї конструкції служить вал вітроколеса. Саме за рахунок його ресурсів пружності гасяться деформації. Але сам процес гасіння супроводжується затухаючими вібраціями вала, які ускладнюють його роботу, створюючи крім того додаткові навантаження на підшипникові вузли і додатковий акустичний фон. В пристрої, що патентується, жорсткість конструкції понижена, та зате істотна частина енергії вібрацій перехоплюється магнітним ободом і йде на бандажну клітку, яка стоїть на віброізоляторах. У фізичному відношенні перевага м'якої магнітної підвіски полягає в тому, що вона не тільки розмиває максимуми механічних напруг, але і гасить їх прямо в місці їх зародження, чим знижує рівень акустичного випромінювання. 3. "вітроколесо виконано у вигляді ротора Дар'є, на кінцях крил ротора укріплені пластинчасті алюмінієві наконечники, встановлені вертикально, які входять із зсувом відповідно у верхній і нижній зазори кільцевих доріжок". До деформацій від дрейфуючих градієнтів тиску на крило найбільш схильні їх кінцеві ділянки, їх пружність створює поле динамічних напруг, наслідком безладної розрядки яких стає спектр релаксаційних вібрацій. Локальні ядра вібрацій взаємодіють між собою, результуючі коливання передаються на вал, утрудняючи роботу ВЕУ і забираючи у неї частину потужності. Вал вібрує в режимі передаваної з лопатей частоти. В результаті знакозмінних навантажень з гострими амплітудними викидами виникають додаткові фрикційні втрати потужності, і поступова втомна втрата міцності вала. Вібрації і вигини вала призводять до динамічної розбалансування. В установці, що патентується, ободи, які сполучають лопаті вітроротора, замінені вертикальними насадками з алюмінію. Це зменшує масу ротора, а жорсткий зв'язок крил, що передавав вібрації між ними, відокремлює в кінематичному відношенні кожне крило. М'яка ж двостороння корекція коливань кінців лопаті, що проводиться магнітним безконтактним способом, істотно гасить виниклі коливання, і, компенсуючи деформації, попереджає їх виникнення. Унаслідок прийнятих змін конструкції зменшуються втрати механічної енергії за рахунок ліквідації перекосів, затискань, підвищеного тертя між зчленованими деталями і вузлами. На підставі проведеного аналізу можна стверджувати, що відмінні ознаки установки, що патентується, суттєво поліпшують її функціональні можливості щодо гасіння вібрацій та попередження акустичного випромінювання. Такі установки можна встановлювати на житлових будинках для включення їх в систему резервного або ж допоміжного енергозабезпечення. Крім того, здобуте підвищення вібро - та шумозахисту відкривається можливість збільшення потужності будинкових установок. 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 при проектуванні будинкових вітроенергоустановок збільшеної потужності, а також використовувати будівлі селищ та великих міст в ролі опор для ВЕУ будь-якого призначення. Опис вітроустановки, що патентується, ілюструється кресленнями. На фіг. 1 наведений фронтальний переріз вітроустановки, на фіг. 2 показана принципова схема вузла магнітного підвісу. 2 UA 100178 C2 5 10 15 20 25 Малошумна вітроенергоустановка з вертикальною віссю обертання (фіг. 1) містить вітроротор, що складається з крил 1 аеродинамічного профілю, жорстко укріплених на валу 2 за допомогою ферм 3, і розміщених між стійками 4 бандажної клітки, зміцнених ребрами 5. Стійки укріплені на основі 6 вітроустановки. На стійках встановлені два опорні кільця - верхнє 7 і нижнє 8, оснащені вузлами магнітного підвісу. Кожний вузол підвісу виконаний у вигляді брусків постійних магнітів 9, укладених у формі здвоєних кільцевих доріжок, встановлених з постійним повітряним зазором 10, в яких магніти звернені один до одного протилежними полюсами. На кінцях крил 1 укріплені пластинчасті алюмінієві наконечники 11, встановлені вертикально, які входять із зсувом відповідно у верхній і нижній зазори вузлів магнітного підвісу. Електрогенератор 12 має спільний з ротором вал 2, який укріплений за допомогою опорнопідшипникового вузла 13 на основі установки, яка встановлена на перекритті будівлі (не показано), за допомогою віброізоляторів 14. Пристрій, що патентується, працює наступним чином. При набіганні потоку вітру на робочі органи, виконані у вигляді крил 1 аеродинамічного профілю, виникає крутильний момент, що передається через вал 2 на електрогенератор 12. При цьому починають працювати вузли магнітного підвісу. Робота вузлів підвісу пояснюється схемою, відображеною на фіг. 2. Металевий наконечник 11, укріплений нерухомо на кінці крила 1, охоплюється по бічних площинах парою зв'язаних магнітів 9. При цьому наконечники 11 крил рухаються усередині щілистого зазору 10 в полі, створюваному магнітами 9. Магніти орієнтовані зустрічно протилежними полюсами, унаслідок чого в зазорі 10 густість поля максимальна. При русі наконечників 11 в системі зв'язаних магнітів 9 із швидкістю V, направленою перпендикулярно площини малюнка, виникає, крайовий ефект, що є наслідком несиметричності потоку індукції між джерелами поля, що проходить середовища з різним магнітним опором. Фізичним наслідком ефекту є поява сили FП, направленої вертикально. В даній схемі, в якій зв'язані магніти 9 закріплені на опорному кільці 7, ця сила діє на наконечник проти сили тяжіння, зменшуючи вагу крила 1, її значення може бути обчислено з виразу FП  2   0  H2    V  b 2  a /  3 , де 30 a - ширина наконечника; b - висота частини наконечника, що взаємодіє з магнітами; H - напруженість магнітного поля в зазорі; V - швидкість руху наконечника;  0 - магнітна проникність матеріалу наконечника;  - електропровідність матеріалу наконечника. 35 40 45 50 Після підстановки у формулу відповідних значень констант для алюмінію одержимо, що при 4 проектній швидкості руху V=20 м/с і напруженості поля в зазорі, рівної Н=10 е (b=0,2 м), 4 2 підйомна сила рівна FП = 1∙10 н/м , тобто одна тонна на квадратний метр площин. Таким чином, необхідне для розвантаження розміри наконечників легко розраховується по питомій підйомній силі FП. Вузли магнітного підвісу, встановлені на опорних кільцях бандажної клітки по наведеній на фіг. 2 схемі, створює силовий вузол, що самостабілізується, оскільки при зсуві наконечника 11 з рівноважної траєкторії порушується горизонтальна симетрія і виникають сили F1 і F2, прагнучі відновити рівноважну динаміку. Залежно від рішення загальної проблеми опорного обрамлення для конкретних функцій ВЕУ у вітроустановці, що патентується, може застосовуватися як одноточкова фіксація вала, оскільки корекція траєкторії руху лопатей проводиться на самих лопатях, так і двоточкова. Дана відмінність дає великий простір для варіацій технічної політики при проектуванні ВЕУ. Перевага установки, що патентується, в тому, що розширяється область її використання. ВЕУ з магнітною підвіскою крил ротора можуть використовуватися не тільки для обігріву житлових будов і виробничих корпусів, але й мати будь-яке цільове призначення, навіть не пов'язане з потребами даної будівлі. Споруди можуть бути просто використані як готові башти для розміщення ВЕУ значно вище рівня землі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 Малошумна вітроенергоустановка з вертикальною віссю обертання, що містить вітроколесо з силовою обв'язкою, виконане сумісно з безредукторним електрогенератором і встановлене на горищному перекритті житлового будинку на віброізоляторах, яка відрізняється тим, що 3 UA 100178 C2 5 силова обв'язка знята з вітроколеса і виконана автономно у вигляді бандажної клітки, що спирається на основу установки, клітка складається з двох і більше вертикальних стійок, укріплених на основі установки і зв'язаних опорними кільцями, на кільцях бандажної клітки закріплені два вузли магнітного підвісу, що складаються з брусків постійних магнітів, укладених у вигляді здвоєних кільцевих доріжок, встановлених з постійним повітряним зазором на опорних кільцях, в яких магніти звернені один до одного протилежними полюсами, вітроколесо виконано у вигляді ротора Дар'є, на кінцях крил ротора укріплені пластинчасті алюмінієві наконечники, встановлені вертикально, які входять із зсувом відповідно у верхній і нижній зазори кільцевих доріжок. 4 UA 100178 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5