Вітроенергетична установка

Реферат: Вітроенергетична установка містить вітродвигун з горизонтальною віссю обертання, що включає робоче колесо, розміщене перед стояком, з лопатями, генератор, поворотний вузол. Установка додатково містить механізм регулювання кутів встановлення лопатей, що повертаються навколо своєї повздовжньої осі, представлений системою взаємодіючих пружин, одна з яких закріплена на валу обертання робочого колеса та розміщена паралельно його осі обертання, а інша - в опорній частині механізму, з'єднаній з валом обертання робочого колеса та розміщеній перпендикулярно осі обертання робочого колеса, важелів, які шарнірно з'єднані один із одним та важелями, які з однієї сторони жорстко закріплені на комлевій частині кожної з лопатей, а з іншої - на опорній частині механізму, між опорною частиною та важелем якого закріплений синхронізатор. Установка додатково містить механізм вмикання приводу генератора, виконаний у вигляді клиноремінної передачі, що складається з ведучого шківа, розміщеного в верхній частині стояка, зі сторони головки вітроенергетичної установки, з'єднаного з зубчатою конічною передачею, і веденого шківа, розміщеного на валу генератора та з'єднаного з валом відбору потужності. Установка додатково містить механізм ручного гальмування, представлений системою взаємодіючих важелів, які шарнірно з'єднані з ручним гальмом і закріплені з однієї сторони на валу поворотного вузла, а з іншої - на стояку, та пружини, яка закріплена на валу поворотного вузла. UA 102458 C2 (12) UA 102458 C2 UA 102458 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вітроенергетики, а більш конкретно до конструкції вітроустановки з двигуном горизонтально-осьового типу і ручним гальмом, може бути використаний в вітроенергетичних установках, обладнаних регульованими вітродвигунами з лопатями, що повертаються навколо своєї повздовжньої осі, а також при розробці умов експлуатації, направлених на підвищення продуктивності, безпеки і ефективності роботи уже існуючих систем. Відома вітроустановка [кн.2 Кривцов B.C., Олєйніков О.М., Яковлев O.I. Невичерпна енергія. Вітроенергетика. - Харків: Нац. аерокосм. ун-т "Харк. авіац. ін-т", Севастополь: Севаст. нац. техн. ун-т, 2005. - с. 142]. На рис. 3.2 показана конструктивна схема вітроенергетичної установки з вітродвигуном горизонтально-осьового обертання, який має крилоподібну форму лопатей, які обертаються в вертикальній площині, перпендикулярно напрямку вітру. Основною обертаючою силою колес такого типу є підйомна сила лопатей. Вітроколесо розміщено перед стояком, має аеродинамічний стабілізатор, який втримує його в робочому положенні (непряме регулювання). Для орієнтації вітродвигуна за напрямком вітру в задній частині гондоли встановлений поворотний вузол, який повертає головку вітроенергетичної установки при зміні напрямку вітру. До вихідного вала трансмісії редуктором приєднаний вал відбору потужності з генератором. Головним недоліком даної вітроустановки є тип регулювання обертів вітродвигуна, який обмежує їх широке використання через: значний шум, який створюють стабілізатори; неможливість використання режиму антифлюгерного регулювання; необхідність заміни всього комплекту лопатей при поломці однієї із них. Тим більше, використані системи автоматики для стабілізації роботи вітроколеса на завжди надійні в експлуатації і часто, при збої подачі електроенергії, при поломках автоматичних систем управління чергова зміна швидкості вітру призводить до поломки вітродвигуна. Найбільш підходящою для порівняння є установка [Патент України № 79502, МПК F 03 D 1/00 F 03 D 7/00, опубл. 25.06.2007р.], яка містить вітродвигун з горизонтальною віссю обертання, що включає генератор, на валу якого розміщено робоче колесо з лопатями пропелерного типу, вісь обертання якого зміщена відносно осі стояка, поворотний вузол, хвіст зі штангою, яка жорстко зв'язана з циліндром поворотного вузла, який оснащений пружиною, прикріпленою одним кінцем до циліндра, в якому вона розміщена, а другим - до стакана з платформою. Недоліком даної конструкції є виконання лопатей неповоротними, що виключає можливість регулювання кутів встановлення лопатей робочого колеса вітроенергетичної установки та використання режиму його ручного гальмування і погіршує експлуатаційні характеристики вітроустановки. Через зміщення осі обертання вітроколеса відносно стояка збільшуються відцентрові навантаження на мах лопатей і лопаті втрачають рівновагу відносно осі обертання робочого колеса та головки вітроустановки, що робить конструкцію недостатньо надійною та небезпечною в експлуатації. В основу винаходу поставлена задача підвищення надійності, покращення експлуатаційних характеристик вітроустановки та забезпечення ефективної і безпечної роботи вітроустановки при всіх режимах експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що в вітроенергетичну установку, яка містить вітродвигун з горизонтальною віссю обертання, що включає робоче колесо, розміщене перед стояком, з лопатями, генератор, поворотний вузол, згідно з винаходом, входить: механізм регулювання кутів встановлення лопатей, що повертаються навколо своєї повздовжньої осі, механізм вмикання приводу генератора, механізм ручного гальмування, які працюють комплексно. Робоче колесо контролюється протягом всього режиму роботи вітроустановки при всіх кутах встановлення лопатей синхронізаторами, важелями та пружинами механізмів, що підвищує надійність та покращує її експлуатаційні характеристики. Ручне гальмо працює без складної електричної системи за допомогою важелів, пружин та тросів, які приводять його в дію та зупиняють, що забезпечує ефективну та безпечну роботи вітроустановки при всіх режимах експлуатації. Механізм регулювання кутів встановлення лопатей, що повертаються навколо своєї повздовжньої осі представлений системою взаємодіючих пружин, одна з яких закріплена на валу обертання робочого колеса та розміщена паралельно його осі обертання, а інша - в опорній частині механізму, з'єднаній з валом обертання робочого колеса та розміщеній перпендикулярно осі обертання робочого колеса, важелів, які шарнірно з'єднані один із одним, та важелями, які з однієї сторони жорстко закріплені на комлевій частині кожної з лопатей, а з іншої — на опорній частині механізму, між опорною частиною та важелем якого закріплений синхронізатор; механізм вмикання приводу генератора виконаний у вигляді клинопасової 1 UA 102458 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 передачі, що складається з ведучого шківа, розміщеного в верхній частині стояка, зі сторони головки вітроенергетичної установки, з'єднаного з зубчатою конічною передачею, і веденого шківа, розміщеного на валу генератора та з'єднаного з валом відбору потужності; механізм ручного гальмування, представлений системою взаємодіючих важелів, які шарнірно з'єднані з ручним гальмом і закріплені з однієї сторони на валу поворотного вузла, а з іншої - на стояку, та пружини, яка закріплена на валу поворотного вузла. Запропоновані технічні рішення дозволяють підтримувати швидкість обертання вітродвигуна близькою до номінальної при змінах швидкості вітру, зменшувати відцентрові навантаження на мах лопатей і підтримувати лопаті в рівноважному стані відносно осі обертання робочого колеса; забезпечують безпечну та надійну зупинку вітроустановки за рахунок примусового гальмування вітродвигуна при проведенні регламентних та ремонтних робіт і установку лопатей у флюгерне положення при збільшенні їх кутів встановлення; дозволяють синхронізувати кути повороту лопатей при всіх режимах роботи вітроустановки. На Фіг. 1 - вітроенергетична установка. На Фіг. 2 - механізм регулювання кутів встановлення лопатей, що повертаються навколо своєї повздовжньої осі (Вид А). На Фіг. 3 - механізми вмикання приводу генератора та ручного гальмування. Вітроенергетична установка містить вітродвигун з горизонтальною віссю обертання, що включає робоче колесо 1 з лопатями 2, що повертаються навколо своєї повздовжньої осі, генератор 3, розміщений під стояком 4 і приєднаний до вала 5 відбору потужності. Робоче колесо 1 розміщено перед стояком 4, має механізм 6 регулювання кутів встановлення лопатей, що повертаються навколо своєї повздовжньої осі (пасивне регулювання орієнтації робочого колеса 1), механізм 7 вмикання приводу генератора (активне регулювання орієнтації робочого колеса 1), механізм 8 ручного гальмування (пасивне регулювання орієнтації робочого колеса 1). В задній та нижній частинах головки 9 вітроенергетичної установки встановлений поворотний вузол 10, який повертає головку 9 вітроенергетичної установки при зміні напрямку вітру (активне регулювання орієнтації робочого колеса 1). Механізм регулювання кутів встановлення лопатей 2, що повертаються навколо своєї повздовжньої осі, представлений системою взаємодіючих пружин 11, 12, одна з яких закріплена на валу обертання робочого колеса 1 та розміщена паралельно його осі обертання, а інша - в опорній частині 13 механізму, з'єднаній з валом обертання робочого колеса 1 та розміщеній перпендикулярноосі обертання робочого колеса 1, важелів 14, 15, які шарнірно з'єднані один із одним та важелями 14, 16, які з однієї сторони жорстко закріплені на комлевій частині кожної з лопатей, а з іншої - на опорній частині 13 механізму, між опорною частиною 13 та важелем 16 якого закріплений синхронізатор 17. Механізм 7 вмикання приводу генератора виконаний у вигляді клинопасової передачі 18, що складається з ведучого шківа, розміщеного в верхній частині стояка 4, зі сторони головки 9 вітроенергетичної установки, з'єднаного з зубчатою конічною передачею 19, і веденого шківа, розміщеного на валу генератора та з'єднаного з валом 5 відбору потужності. Механізм 8 ручного гальмування представлений системою взаємодіючих важелів 15, 20, 21, які шарнірно з'єднані з ручним гальмом 22 і закріплені з однієї сторони на валу поворотного вузла 10, а з іншої - на стояку, та пружини 23, яка закріплена на валу поворотного вузла 10. Підтримка лопатей 2 у рівновагу та підтримка швидкості обертання вітродвигуна, близькою до номінальної при зміні швидкості вітру, забезпечується механізмом 6 регулювання кутів встановлення лопатей. Для передачі моменту обертання через зубчату конічну передачу 19 від робочого колеса 1 на генератор 3 механізм 7 вмикання приводу генератора діє на вал 5 відбору потужності, вмикаючи привід генератора, яким є робоче колесо 1, і синхронізуючи частоту обертання робочого колеса 1 з частотою обертання вала генератора 3. Механізм 8 ручного гальмування ручним гальмом 22 примусово гальмує двигун вітроенергетичної установки при проведенні регламентних і ремонтних робіт, встановлюючи лопаті 2 у флюгерне положення і виводячи з нього. Синхронізацію кутів повороту лопатей 2 при всіх режимах експлуатації забезпечують синхронізатори 17, наприклад, установлені в вітроустановці ВЕУ-10 [кн.2 Кривцов B.C., Олєйніков О.М., Яковлев O.I. Невичерпна енергія. Вітроенергетика. - Харків: Нац. аерокосм. ун-т "Харк. авіац. ін-т", Севастополь: Севаст. нац. техн. ун-т, 2005. - с. 162, рис. 3.15]. При досягненні вітровим потоком робочого діапазону швидкостей, за відповідними командами механізмів 6, 8 управління, лопаті 2 розвертаються з флюгерного положення на заданий кут встановлення, робоче колесо 1 починає обертатися і при досягненні генератором 3 номінальної частоти обертання вмикає генератор 3 в мережу за допомогою механізму 7 вмикання приводу генератора. При запуску вітроенергетичної установки лопаті 2 за рахунок жорсткості пружин 11 і 12 знаходяться в рівновазі. Після розкрутки робочого колеса 1 через дію відцентрової сили лопаті 2 UA 102458 C2 5 10 15 20 25 30 35 2 починають прикладати зусилля в напрямку від осі обертання робочого колеса 1. Це зусилля компенсується дією пружин 11. Як тільки швидкість обертання робочого колеса стає більше номінальної, відцентрова сила через важелі 16 і 20 починає стискати пружину 11, а самі лопаті 2 починають рухатися в радіальному напрямку. При цьому важіль 14 діє на важіль 15, а той, в свою чергу, повертає лопать 2 кругом своєї осі в сторону збільшення кутів встановлення, одночасно стискаючи пружину 12, і частота обертання робочого колеса повертається до номінального значення. При зменшенні швидкості вітру діюча на лопаті відцентрова сила зменшується і пружина 12 через важіль 16 повертає лопать 2 в початкове положення, при цьому важіль 14 відпускає важіль 15, пружина 12 рухає його в початкове положення. Лопать 2 повертається в робоче положення, що призводить до зменшення її кутів встановлення і збільшення швидкості обертання робочого колеса 1. При всіх режимах експлуатації кути встановлення лопаті 2 узгоджуються синхронізатором 17 (Фіг. 2, 3). Робоче колесо 1, яке обертається за допомогою вітру і закріплено на валу обертання робочого колеса, через зубчату конічну передачу 19 і вал 5 відбору потужності з'єднується з генератором 3. При обертанні ручки ручного гальма 22 важіль 21 діє через вал поворотного вузла 10 на важелі 15 і 20, які встановлюють лопаті 2 у флюгерне положення. При розгальмуванні пружина 12 разом з пружиною 11 повертає лопаті 2 в робоче положення (Фіг. 1, 3). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Вітроенергетична установка, яка містить вітродвигун з горизонтальною віссю обертання, що включає робоче колесо, розміщене перед стояком, з лопатями, генератор, поворотний вузол, яка відрізняється тим, що до її складу входить: механізм регулювання кутів встановлення лопатей, що повертаються навколо своєї повздовжньої осі, представлений системою взаємодіючих пружин, одна з яких закріплена на валу обертання робочого колеса та розміщена паралельно його осі обертання, а інша - в опорній частині механізму, з'єднаній з валом обертання робочого колеса та розміщеній перпендикулярно осі обертання робочого колеса, важелів, які шарнірно з'єднані один із одним та важелями, які з однієї сторони жорстко закріплені на комлевій частині кожної з лопатей, а з іншої - на опорній частині механізму, між опорною частиною та важелем якого закріплений синхронізатор; механізм вмикання приводу генератора, виконаний у вигляді клинопасової передачі, що складається з ведучого шківа, розміщеного в верхній частині стояка, зі сторони головки вітроенергетичної установки, з'єднаного з зубчатою конічною передачею, і веденого шківа, розміщеного на валу генератора та з'єднаного з валом відбору потужності; механізм ручного гальмування, представлений системою взаємодіючих важелів, які шарнірно з'єднані з ручним гальмом і закріплені з однієї сторони на валу поворотного вузла, а з іншої - на стояку, та пружини, яка закріплена на валу поворотного вузла. 3 UA 102458 C2 4 UA 102458 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