Раціональна опора для вітроустановки

Реферат: Об'єкт винаходу: раціональна опора для вітроустановки. Область застосування: вітроенергетика, може бути використана для збільшення екологічної безпеки а також механічної стійкості опор вітроенергоустановок. Сутність винаходу: в запропонованому пристрої башта складається з системи ферм, які спираються на спільну основу, між основою і фундаментом розміщений віброзахисний шар, засоби підвищення стійкості виконані у вигляді магнітної системи, що має основні джерела магнітного поля, а також відповідні, вмонтовані в плиту фундаменту, основні постійні магніти оснащені феромагнітними сердечниками, у фундамент вмонтована також допоміжна магнітна система, виконана з електромагнітів, котушки яких оснащені сердечниками, електромагніти отримують незалежне живлення і використовуються тільки при аварійному посиленні вітру по команді від датчиків швидкості вітру, встановлених на башті. Технічний результат: підвищено стійкість вітроенергоустановок до перевертаючих навантажень. Споживчі властивості: досягається максимальний захист навколишнього середовища від техногенних чинників. UA 105249 C2 (12) UA 105249 C2 UA 105249 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області вітроенергетики та може бути використаний для збільшення механічної стійкості опор вітроенергоустановок (ВЕУ), а також екологічної безпеки вітроустановок, дислокованих поблизу жилих районів, заповідників і безпосередньо на територіях, що використовуються для продуктивного землеробства. Першою по важливості проблемою, що виникає при використанні ВЕУ як джерела електроенергії в уразливих для техногенних чинників регіонів, є потреба в системах захисту від цих чинників територій, які безпосередньо використовуються, а також прилеглих до них. Ці системи повинні бути складовою частиною самих установок. Якщо захист від акустичних чинників вже має альтернативні форми рішень, то гасіння вібрацій, які передаються у ґрунт через фундамент ВЕУ, являє собою чималу технічну проблему. Важливість її в тому, що фактична площа зон відчуження земель сільгоспвикористання збільшується за рахунок вібраційного фону, повільно гаснучого в ґрунті і шкідливо впливаючого на життя ґрунтових організмів, що підтримують родючість земель. В скельних масивах передача вібрацій йде з ще більшим обхватом площ, що може заважати життєдіяльності біоценозу даного регіону. Стійкість опори ВЕУ (башти), тобто, її здатність протистояти перевертаючим навантаженням, залежить від площі опорного майданчика, висоти центру тяжіння і ваги всієї конструкції, включаючи вагу гондоли і вітроприймальної системи. При неможливості зміщення центру тяжіння вниз з конструктивних причин, стійкість ВЕУ може бути збільшена за рахунок додаткового збільшення сили, що притискує опору башти до фундаменту. Відомі технічні рішення, в яких тією чи іншою мірою врахована важливість цих проблем. Так, відома перебазовувана вітроенергетична установка за пат. України № 95529, МПК (2006.01) F03D 11/04, автори Дзензерський В.О., Тарасов С.В., Костюков І.Ю., Буряк О.А., Семененко В.П., патентовласник ІТСТ НАН України, пріоритет від 07.12.2009, опубл. 10.08. 2011 бюл. №15. Установка містить щоглу, вітроколесо, гондолу, генератор, трансмісію, гнучкі розчалки та регульовану опору. Щогла виконана у вигляді трубчастої стійки, яка закріплена непорушно на основі і оснащена технологічною площадкою для розміщення гондоли. В тильній частині гондоли закріплено кіль. Стійкість щогли до бічних навантажень забезпечується силовим каркасом, що складається з гнучких розчалок, укріплених на тимчасових основах і забезпечених прибудовами для натягання, і жорсткої підпори, укріпленої в двох місцях - на власній основі і на технологічній площадці. Кріплення до площадки виконане у вигляді осьового упору, 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 осьовому упорі з можливістю зміни нахилу, а її вільний кінець пропущений в зазор між трубами підпори. Він переміщається усередині зазору за допомогою лебідки, трос якої перекинутий через блок, змонтований в зазорі підпори. 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 обидві сторони від середини, виконаний ряд отворів, які проходять через обидві труби. До недоліків пристрою слід віднести те, що всі елементи опорної конструкції передають на ґрунт або фундамент вібрації, виникаючі на роторі під час його роботи в потоці нерівномірної густини, який складається із струменів, що мають різну швидкість і ступінь турбулізації, а також те, що при даній схемі обпирання збільшення потужності ВЕУ вимагає для гарантії стійкості прогресуючого збільшення площі рознесення опор. Найближчим до технічним рішенням, що заявляється, узятим як прототип, є пристрій для дослідження екологічного впливу на біоценоз акустичних і візуальних чинників, пов'язаних з роботою вітроустановки за пат. України № 94318 МПК (2011.01) F03D 9/00; G01M 9/00, автори: Дзензерський В.О., Тарасов С.В., Яскевич Е.П., Костюков І.Ю., Буряк О.А. Кремнев С.Ю., патентовласник ІТСТ НАН України, пріоритет від 01.10.2009, опубл. 26.04. 2011 бюл. № 8. Пристрій містить нерухому опорну стійку і горизонтально-осьовий імітатор ротора. Ротор має лопаті, встановлені на махах, які укріплені на спільному валу. Обертання ротора забезпечується приводом від електродвигуна. Ротор укомплектований набором насадок, які нагвинчують на кінці лопатей. В ролі фундаменту використовується скельний або крижаний масив. Стійкість збільшується за рахунок використання дротяних розтяжок, що фіксуються на тій же основі. До недоліків пристрою слід віднести те, що він є джерелом різночастотних вібрацій, які безперешкодно передаються на опорні масиви або ґрунт і поширюються на відносно великі відстані, що може мати негативний вплив на фауну місця дислокації ВЕУ, а також те, що при даній схемі обпирання збільшення потужності ВЕУ вимагає збільшення площі рознесення опор. 1 UA 105249 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача підвищення екологічної безпеки і механічної стійкості вітроенергоустановок. Поставлена задача вирішується тим, що башта складається з системи ферм, які спираються на спільну основу, виконану у формі кільцеподібної площадки, між основою і фундаментом розміщений віброзахисний шар, поглинаючий різночастотні коливання, що поступають від ротора вітроустановки, засоби підвищення стійкості виконані у вигляді магнітної системи, що містить основні джерела магнітного поля, виконані з брусків постійних магнітів, жорстко скріплених з основою і встановлених між фланцями ферм, і такі ж відповідні джерела, вмонтовані в плиту бетонного фундаменту і встановлені строго навпроти основних магнітів протилежними полюсами, а також оснащені феромагнітними сердечниками, причому сердечники входять в отвори, виконані у віброзахисному шарі, у фундамент вмонтована допоміжна магнітна система, виконана з електромагнітів, котушки яких оснащені сердечниками, що входять у отвори у віброзахисному шарі, електромагніти розміщені навпроти фланців для спирання ферм, в тіло яких упресовані феромагнітні шайби, причому електромагніти отримують незалежне живлення і використовуються тільки при аварійному посиленні вітру по команді від датчиків швидкості вітру, встановлених на башті. Проаналізуємо відмінні ознаки на предмет оцінки їх ефективності та можливості реалізації. Відмінна ознака "башта складається з системи ферм, що спираються на спільну основу, виконану у формі кільцеподібної площадки", описує те положення, що башта є механічно вільним елементом конструкції ВЕУ, тобто не має жорсткого фіксованого зв'язку з фундаментом. Це дає можливість одержати стійкість іншими, у принципі безконтактними засобами. Таке відділення башти дає можливість розв'язати поставлену екологічну проблему. Відмінна ознака "між баштою і фундаментом розміщений віброзахисний шар, який поглинає різночастотні вібрації, що надходять від ротора ВЕУ" є наслідком автономізації башти, проведеної на першому кроці модернізації. Даний шар пасивного поглинання енергії вібрацій ще більш зменшує механічний контакт між баштою і фундаментом. І локалізує, таким чином, джерело вібрацій, не даючи енергії поширюватися в ґрунті. Прийнятними матеріалами для виконання шару є листовий азбест, а також деякі види спінених полімерних композитів (наприклад, армованого бавовняними нитями пінопласту). Вібрації достатньо сильно поглинаються шаром, тому що критичному здавленню ізолятора при тривалій дії знакозмінних навантажень протидіють засоби додаткового силового армування матеріалу. Відмінна ознака "засоби підвищення стійкості виконані у вигляді магнітної системи, що містить основні джерела магнітного поля, виконані з брусків постійних магнітів, жорстко скріплених з основою і встановлених між фланцями ферм, і такі ж відповідні джерела, вмонтовані в плиту бетонного фундаменту і встановлені строго навпроти основних магнітів протилежними полюсами, а також оснащені феромагнітними сердечниками, причому сердечники входять в отвори, виконані у віброзахисному шарі" є центральною ознакою, що дозволяє реалізувати слабоконтактний зв'язок між опорою башти і фундаментом з тим, щоб максимальним чином збільшити опір цього каналу передачі енергії вібрацій в оточуюче середовище. В прототипі таких каналів декілька (розтяжки, стійка), тому екологічна безпека цього пристрою низька. Відмінна ознака "у фундамент вмонтована допоміжна магнітна система, виконана з електромагнітів, котушки яких оснащені сердечниками, що входять у отвори у віброзахисному шарі, електромагніти розміщені навпроти фланців для спирання ферм, в тіло яких упресовані феромагнітні шайби, причому електромагніти отримують незалежне живлення і використовуються тільки при аварійному посиленні вітру по команді від датчиків швидкості вітру, встановлених на башті", описує повний набір засобів для оперативного короткочасного підвищення стійкості башти шляхом додаткового притиснення її до фундаменту. Такий спосіб гарантує достатню протидію перевертаючим імпульсам під час штормового посилення вітру. Оскільки такі режими роботи не бувають особливо тривалими, то втрати енергії невеликі. За відомостями, що є у авторів, запропонована функціональна сукупність відмінних ознак, що характеризує суть винаходу, не відома в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні ВЕУ для регіонів з широким спектром швидкостей повітряних потоків. Схема пристрою, що патентується, ілюструється кресленнями, де на фіг. 1 наведений загальний вигляд ВЕУ з схематичним відображенням структури системи обпирання, на фіг. 2 представлений укрупнений розріз вузла гасіння вібрацій, на фіг. 3 показана компоновка основних магнітних джерел основі башти. ВЕУ, що патентується, має опору (фіг. 1), що складається з башти 1 і фундаменту 2. Башта 1 ВЕУ, утримуюча ротор 3 на оптимальній висоті над рівнем землі, складається з системи ферм 2 UA 105249 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 4, що спираються на спільну основу 5, виконану у формі кільцеподібної площадки. Між баштою 1 і фундаментом 2 немає жорсткого механічного зв'язку. Між ними розміщений віброзахисний шар 6 (фіг. 2), що поглинає вібрації, передавані від ротора ВЕУ. Основа 5 башти фіксується на фундаменті 2 за допомогою магнітної системи. Для цього по кільцю основи 5, між фланцями 7 ферм встановлено джерела магнітного поля, що складаються з брусків постійних магнітів 8, поміщених у фіксуючі капсули 9, виконані у вигляді циліндрових стаканів, жорстко скріплених з основою 5. В плиту бетонного фундаменту 2 (фіг. 2 та 3) вмонтовано дві магнітні системи: основна та допоміжна. Основна система складається з брусків постійних магнітів 10, оснащених феромагнітними сердечниками 11. Нижні магніти 10 встановлені навпроти верхніх магнітів 8, закріплених на опорі 5. Сердечники 11 зменшують товщину зазору d між полюсними гранями магнітів верхньої і нижньої частин магнітної системи, входячи в отвори 12, виконані у віброзахисному шарі 6. Допоміжна система виконана з електромагнітів, котушки 13 яких оснащені сердечниками 14, що входять у відповідні отвори 15 у віброзахисному шарі 6. Електромагніти розміщені навпроти фланців 7. Для безконтактного магнітного зв'язку в тіло фланців упресовані феромагнітні шайби 16. Електромагніти отримують електроживлення від акумуляторів (не показані) і використовуються тільки при аварійному посиленні вітру по команді від датчика 17 швидкості вітру. Описана раціональна опора працює наступним чином. При роботі опора 1 (башта) ВЕУ, контактуюча через основу 5 з фундаментом 2 через віброзахисний шар 6, не має прямих каналів для передачі коливань на фундамент. Магніти 10, вмонтовані у фундамент, притягуються до магнітів 8, закріпленим на основі башти 1. Можливе зменшення сил магнітного зв'язку між фундаментом 2 і основою 5 опори через вимушене збільшення зазору d для заповнення його вібропоглинаючим матеріалом, компенсується використанням магнітної арматури у вигляді сердечників 11 (магнітопроводів по суті), зменшуючих магнітоопір зазору. Змінна складова потоку магнітної індукції, що генерується верхньою магнітною системою 8 унаслідок вібрації, яка передається з лопатей 3 ротора Дар'є вітроустановки, поглинається матеріалом опори 5 (алюмінієм або міддю), переходячи в теплову енергію. Таким шляхом відбувається достатньо добротне екранування фундаменту 2 від частотної дії сил. Сили магнітного зв'язку притискують основу башти 5 до фундаменту 2, причому сила тяжіння і магнітні сили діють в даній компоновці сумісно та підсумовуються. Це збільшує стійкість башти до дії поперечних (перекидаючих) навантажень при роботі. Допоміжна магнітна система включається тільки по сигналу від датчика 17 швидкості вітру. При шквальному посиленні поривів спрацьовують електромагніти 13, створюючи додаткову силу притиснення основи 5 до фундаменту 2, що є ефективним прийомом для конструкцій з центром тяжіння, високо піднятим над рівнем землі, оскільки спільна робота обох магнітних систем значно опускає центр тяжіння. При відновленні оптимальної швидкості вітру електромагніти 13 відключаються. Завдяки екрануванню фундаменту від вібрацій, відсікається екологічно небезпечний параметр, що порушує норми існування організмів, які мешкають в ґрунті. Магнітний зв'язок опори із землею підвищує її стійкість в умовах роботи в середовищі з нестабільними аеродинамічними параметрами. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 60 Раціональна опора для вітроустановки, що має башту і фундамент, а також засоби підвищення її стійкості, яка відрізняється тим, що башта складається з системи ферм, які спираються на спільну основу, виконану у формі кільцеподібної площадки, між основою і фундаментом розміщений віброзахисний шар, поглинаючий різночастотні коливання, що надходять від ротора вітроустановки, засоби підвищення стійкості виконані у вигляді магнітної системи, що містить основні джерела магнітного поля, виконані з брусків постійних магнітів, жорстко скріплених з основою і встановлених між фланцями ферм, і такі ж відповідні джерела, вмонтовані в плиту бетонного фундаменту і встановлені строго навпроти основних магнітів протилежними полюсами, а також оснащені феромагнітними сердечниками, причому сердечники входять в отвори, виконані у віброзахисному шарі, у фундамент вмонтована допоміжна магнітна система, виконана з електромагнітів, котушки яких оснащені сердечниками, що входять у отвори у віброзахисному шарі, електромагніти розміщені навпроти фланців для спирання ферм, в тіло яких упресовані феромагнітні шайби, причому електромагніти отримують незалежне живлення і використовуються тільки при аварійному посиленні вітру по команді від датчиків швидкості вітру, встановлених на башті. 3 UA 105249 C2 4 UA 105249 C2 5 UA 105249 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 6