Вітроенергетична установка

Вітроенергетична установка з вертикальною віссю обертання, що складається із встановленого на опорній вежі поєднаного ротора, що містить вітроколесо типу "Савоніус" і принаймні дві лопаті C2 2 (19) 1 3 В даному виді техніки є прецеденти часткового рішення вказаних проблем. Так, відомий ротор вітряного двигуна за патентом РФ № 2161267, МПК7 F03D7/06, автори Калліопін А.К., Кузнецов А.И., Матвеєнко A.M., заявники та патентовласники - Московський державний авіаційний Інститут (технічний університет), а також Калліопін А.К., Кузнецов А.И., Матвеєнко А.М., заявка № 99109198/06, пріоритет від 26.04.96., опубл. 27.12.2000. Даний ротор має вертикальний вал і пов'язані з ним, щонайменше, дві лопаті крильчастого профілю, розташовані симетрично відносно осі обертання валу. Кожна лопасть пов'язана з валом за допомогою верхнього і нижнього профільованих напівкрил, що знаходяться в одній вертикальній площині, яка проходить через їх подовжні осі, і встановлених під гострим кутом до валу і лопаті. Кореневі частини напівкрил приєднані до валу через вузли кріплення і рознесені по вертикалі, а кінцеві частини сполучені через стикувальні вузли з лопаттю і рознесені по її вертикалі з утворенням верхньої і нижньої консолей лопаті і зчленованого крила замкнутого силового контура у формі трапеції. Описаний ротор по схемі розподілу вітроприймальних площин є випрямленим аналогом класичного ротора Дар'є з трійковим розбиттям лопаті на дві косих і одну вертикальну ділянки. Тому інтегральний результат від роботи кожної ділянки у принципі не дає ніяких нових аеродинамічних ефектів понад відомих з теорії ротора Дар'є. Корисним слідством випрямлення лопаті є збільшення її механічних характеристик, за рахунок переходу до замкнутої трапецієдальної схеми. Більш того, при такій компоновці елементів істотна частина (не менше 50%) поверхні косих крил екранується стійким аеродинамічним слідом вертикальної ділянки крила, що блокує їх роботу. І вони, маючи великі габарити, не дають внеску в сумарну тягнучу силу. Активні ділянки косих крил мають малу середню лінійну швидкість і плече, тому ефективність їх в ролі елементів, що тягнуть, незначна. Пасивні ділянки косих площин збільшують, проте, гальмівні втрати пристрою в цілому. Найбільш близьким до заявляемого технічним рішенням, узятим як прототип, є відома вітроенергетична установка за патентом РФ № 2157466 МПК7 F03D3/06, автори Волосов Д.Р., Артемьєв A.B., Смирнова E.H., Усольцева С.П. (всі заявники, автори та патентовласники), заявка № 99111519/06, опубл. 10.10. 2000, пріор. від 08.06. 1999. Вітроенергетична установка складається зі встановленого на опорній вежі поєднаного ротора. Він містить ротор типа "Савоніус" і, принаймні, дві лопаті з аеродинамічним профілем. Лопаті закріплені шарнірно на верхніх і нижніх траверсах, сполучених з центральним трансмісійним валом, який послідовно зістикований з мультиплікатором, обгінно-відцентровою муфтою і генераторним блоком. На центральному валу встановлений гальмівний елемент і обмежувач частоти обертання. Верхній кінець центрального валу розташований на рівні верхнього торця вітроколеса, траверси 92669 4 встановлені під гострими кутами до площини, перпендикулярної до центрального валу. До недоліків описаного пристрою слід віднести підвищений аеродинамічний опір непрофільованих траверс, кількість яких подвоєна в порівнянні з найпростішою принциповою схемою Η-ротора, а також завищені вагові навантаження на опорний вузол ротора та на трансмісійний вал. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача зменшення аеродинамічного опору ротора, розвантаження опорних вузлів ротора і трансмісійного валу за рахунок підйомної сили, що виникає на його траверсах, а також амортизації вібрацій на швидкісному валу. Поставлена задача вирішується тим, що у вітроенергетичній установці з вертикальною віссю обертання, що складається зі встановленого на опорній вежі поєднаного ротора, що містить вітроколесо типу "Савоніус" і, принаймні, дві лопаті з аеродинамічним профілем, які закріплені на траверсах, і послідовно кінематично сполучених з ним тихохідного трансмісійного валу, на якому встановлений гальмівний елемент і обмежувач частоти обертання, конічної передачі, мультиплікатора та генераторного блоку, траверси виконані у вигляді двоплечої горизонтальної силової підвіски з жорстким кріпленням до валу і до центру тяжіння лопатей і мають несиметричний криловий профіль, а також змінний перетин від комлю до кінця, за рахунок зменшення хорди і висоти профілю, що забезпечує траверсам по довжині жорсткість пропорційну навантаженню, причому мінімальне значення хорди профілю траверси дорівнює хорді лопаті в місці кріплення, тихохідний трансмісійний вал сполучений з ротором концентричною зубчатою муфтою, в якій зубці ведучої шестерні та веденої мають рівномірні зазори між навантажуваними площинами, і забезпечений проміжним підшипниковим вузлом, укріпленим на опорній вежі, що фіксує вал на середині його висоти, а швидкісний вал мультиплікатора виконаний з двох частин, сполучених карданним шарніром, виконаним у вигляді пружної монолітної муфти. Проаналізуємо відмінні ознаки на предмет оцінки їх ефективності і можливості реалізації. Ознаки того, що траверси виконані у вигляді двоплечої горизонтальної силової підвіски з жорстким кріпленням до валу і до центру тяжіння лопатей, і мають несиметричний криловий профіль, не є очевидними для даного рівня техніки, тому що умови роботи траверс раніше не були розкриті з повним об'ємом чинників і ефектів. Коефіцієнт лобового опору Сх в значній мірі залежить від профілю перешкоди потоку. Так для чотирьох перешкод однакового ефективного переріза його значення коливаються в такому діапазоні наступних значень: Сх=20 для вертикальної плоскої перешкоди; Сх=2 - 3 для перешкоди круглого перетину; Сх=1.2 - 0.15 для різних типів несиметричних крильчастих профілів; Сх=0.07 для краплевидного (симетричного) аеродинамічного профілю. В цьому ряду понад конкуренцією знаходяться симетричні аеродинамічні профілі. Проте, в пристрої, що патентується, де основною ідеєю модернізації є вагове розвантаження ротора, одержува 5 не за рахунок використання сили Жуковського, що генерується на траверсах, вибір профілю обумовлений не стільки задачею мінімізації Сх, скільки оптимальним співвідношенням підйомної і гальмуючої сил. Симетрична краплевидна профілізація траверс в прототипі тільки зменшує аеродинамічний опір руху. Криловий же профіль дає можливість знімати і використовувати підйомну силу, що виникає на траверсах при їх русі. Ця сила віднімається від сили тяжіння та істотно зменшує тиск на опорний вузол ротора. Причому азимутний розподіл по колу обертання підйомної сили на двоплечій траверсі симетричний (на відміну від рушійної сили на лопастях) відносно валу і не веде до його перекосу. Цей ефект виникає унаслідок відмінності аеродинамічних умов на цих вузлах. Методами аналітичного і імітаційного математичного моделювання побудована динамічна картина взаємодії Η-ротора з вітровим потоком. Одержані результати, підтверджені експериментами по обдуву Н-роторів, показують, що обертання вітроколеса практично екранує повітряний об'єм, обмежений циліндричною образуючою. Аеродинамічні сліди, циклічно відновлювані лопатями, що рухаються, примушують набігаючий вітровий потік обтікати цей динамічний утвір як тверду циліндричну перешкоду. В результаті об'єм, що знаходиться всередині поверхні, яку обходять лопаті ротора, не продувається течією, і повітря усередині вітроколеса має динаміку, практично незалежну від дії вітрового натиску. Ізольованість захищеного вітроколесом об'єму дає підстави вважати незалежною роботу профілю траверс від вітрової течії. Рух обох траверс в практично нерухомому повітрі відбувається в ідентичних умовах, тому підйомні сили на них однакові при всіх кутах кружляння. У той же час, аеродинамічні умови, в яких знаходяться лопаті і профільовані траверси, у принципі різні. Тому в даній ситуації є сенс враховувати взаємодію площин траверс з нерухомим повітрям. Виникаюча на площинах траверс підйомна сила діє не тільки на сам ротор, але і на прилеглі до нього вузли кінематичного контура. У вертикальноосьових ВЕУ наймасивніші вузли контура і генератор завдяки протяжному тихохідному валу перенесені на землю. Тільки опорно-підшипниковий вузол і вал створюють навантаження на оголовок вежі. Проте, навантаження на цю площадку достатньо велике, оскільки на неї спирається ротор ВЕУ, що має солідну масу. Розвантаження підшипникового вузла підйомною силою траверс спроможне не тільки поліпшити механічні умови його роботи (і, отже, зменшити втрати енергії), але і розширити конструктивні можливості створення кінематичних зв'язків валу з ротором, з одного боку, і з мультиплікатором, з іншого. Зубчасті передачі (у тому числі і конічні) для ефективної роботи вимагають регулювання зачіплень, які залежать від сторонніх деформуючих навантажень. Такі передачі помітно підвищують інертність всієї конструкції в обертальному русі. Зняття навантажень, не пов'язаних з основним крутильним моментом, дозволить застосовувати 92669 6 еластичні (наприклад, ремінні та ремінно-зубчаті) типи передавальних вузлів. Ознаки того, що траверси мають змінний перетин від комля до кінця за рахунок зменшення хорди і висоти профілю, що забезпечує їм жорсткість пропорційну навантаженню, є ознаками доповнюючими. Міцностні характеристики траверси повинні забезпечувати не тільки передачу обертаючого моменту на вал установки, але і витримувати без істотних деформацій вагу лопатей, а також випадкові та циклічні (вібраційні) навантаження. Для вирішення цієї задачі вибрана пустотна крилова конструкція з подовжньо-поперечним силовим набором (система стрингерів і нервюр). Оскільки на траверсу діють моменти сил, що змінюють своє значення від центру обертання до місця кріплення лопаті, то і механічні характеристики неоднаково віддалених від осі перетинів різні. Для забезпечення необхідних величин характеристик, а також технологічності виготовлення траверс хорда і висота профілю змінюються по лінійному закону (міцність прямо пропорційна навантаженню). Крім того, пропорційна профілізація вирівнює по довжині траверси величину підйомної сили, оскільки при рівномірній ширині площин сила росла б в напрямі від валу до лопаті унаслідок збільшення лінійної швидкості. Ознака того, що мінімальне значення хорди профілю траверси дорівнює хорді лопаті в місці кріплення, забезпечує виконання вторинних задач, без яких ефективність основної ідеї технічного рішення знижується. Дана відмітна ознака гарантує мінімальність площі лопаті, що виводиться з роботи. Відчужуваною є поверхня лопаті, що не дає внеску у вигляді тягнучої сили. Такі ділянки формуються навкруги місць закріплення траверс, де порушується штатний режим обтікання профілю і виникає зона турбулізації потоку, яка веде до падіння підйомної сили. У разі, коли хорда профілю траверси помітно більше хорди профілю лопаті турбулентний слід від краю траверси, покриваючий площину лопаті помітно збільшується. У разі зворотного співвідношення розмірів падає механічна міцність кінцевої ділянки траверси. Таким чином, однаковість розміру хорд є оптимальною умовою мінімізації втрат. Пристрій, що патентується, будучи Ηмодифікацією ротора Дар'є, не використовує косих площин, обмежуючи активну вітроприймальну поверхню тільки ортогональними площинами з горизонтальною підвіскою. Така підвіска у відомих пристроях виконує тільки опорні функції. Модернізаційні ідеї зосереджені навкруги поліпшення процесу обтікання з метою зменшення аеродинамічного опору цих деталей, що мають значну протяжність і перетин. В роторі пристрою, що патентується, траверси виконують додаткову корисну функцію - створюють підйомну силу, що розвантажує кінематичні вузли. Зрозуміло, що на отримання підйомної сили йде енергія, відібрана у робочого потоку, але просте непродуктивне обтікання краплевидного профілю робить те ж саме з абсолютною некорисніс 7 тю. Несиметричний же профіль обтічника траверс дає окрім цього корисний результат. В установці, що патентується, застосовано вузол, що виключає передачу з боку ротора всіх кутових навантажень на вал ВЕУ, окрім крутильного моменту. Він розміщений в опорнопідшипниковому вузлі і виготовлений у вигляді концентричної зубчатої муфти, в якій зубці ведучої шестерні (охоплюючої) та веденої (внутрішньої), мають рівномірні зазори між навантажуваними площинами. Даний вузол забезпечує нежорсткий тип підвіски валу, тому вал може оперативно дрейфувати в залежності від умов роботи і теплових деформацій. Крім того, наявність люфтів при кутових переміщеннях валу компенсує можливі неточності виготовлення та центровки. Відповідно цьому виключаються сторонні силові навантаження на вхідний вал мультиплікатора. Тихохідний вал забезпечений проміжним підшипниковим вузлом, який укріплений на опорній вежі і фіксує вал на середині його висоти. Зменшення унаслідок розвантаження валу змінних подовжніх деформацій знижує вірогідність виникнення биття і небезпеку їх резонансного автопідсилення. Проте, залишаються причини несилового характеру, які при великій довжині валу здатні викликати небажані режими. До них відносяться різного роду розбаланси мас, центровочні дефекти, люфти в передавальних вузлах і т.п. Проміжний підшипниковий вузол служить додатковою опорою для валу, яка передає поперечні навантаження на каркас вежі і скорочує його фактичну довжину удвічі. Другий (швидкохідний) вал кінематичного контура, що сполучає мультиплікатор з генератором, складається з двох частин, з'єднаних карданним шарніром, виконаним у вигляді пружної муфти. Муфта демпфує велику частину вібраційних гармонік, що виникають в мультиплікаторі при постійних змінах швидкості обертання тихохідного валу, які можуть без цього заходу передаватися через швидкісний вал на якір генератора. За відомостями, що є у авторів, запропоновані істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі ні в даному, ні в суміжних розділах техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні ВЕУ середньої потужності для регіонів із слабкими вітрами. Критерій «промислове вживання» підтверджується актуальністю проблематики на сучасному етапі розвитку вітроенергетики і його практичною прив'язкою до реальної енергетичної ситуації України. Крім того авторами спроектована і виготовлена діюча повномасштабна вітроустановка, типу ЕСО - 0020 з максимальною потужністю 20 КВт при силі вітру 13 м/с. Її вітроприймальний вузол складається з ротора Савоніуса та дволопатевого Η-ротора Дар'є, кінематична схема побудована на принципі передачі рушійного моменту на рівень опори з подальшим перетворенням в електроенергію за допомогою генератора, оснащеного мультиплікатором. Довжина кожної лопаті 5 м. Діаметр кола обертання 7,34 м. Висота башти 14 м, діаметр кола обертання ротора 7,34 м, вага 5 92669 8 тонн. Вона працює в діапазоні вітрів 6-20 м/с і призначена для енергопостачання фермерських господарств, невеликих сільськогосподарських і промислових виробництв, житлових садиб і інших споживачів з відносно невеликим рівнем енергоспоживання. Опис установки ілюструється малюнками. На Фіг.1 приведена загальна схема ВЕУ, що патентується, на Фіг.2 представлений розріз зубчатої муфти опорного вузла ротора, на Фіг.3 схематично зображена структура тихохідного вала ВЕУ, на Фіг.4 наведена структура траверс у складі підвіски лопатей. Вітроенергетична установка вертикальноосьового типу (Фіг.1) складається з опорної конструкції (вежі) 1, на оголовку якої встановлений поєднаний ротор, що складається з ротора Савоніуса 2 і Н-ротора, встановленого на опорнопідшипниковому вузлі 3 трансмісійного контура з концентричною зубчатою муфтою 4. Η-ротор містить двоплечеву горизонтальну силову підвіску, що складається з траверс 5, на яких навішені профільовані лопаті 6. Траверси жорстко прикріплені до тихохідного валу 7 трансмісійного контура і до центру тяжіння лопатей 6, і мають несиметричний криловий профіль. Тихохідний вал 7 забезпечений проміжним підшипниковим вузлом 8, укріпленим на опорній вежі і фіксуючим його на середині висоти вежі. У верхній частині вежі 1 встановлений датчик швидкості вітру 9. В нижній її частині, розташований мультиплікатор 10, пов'язаний з тихохідним валом 7 за допомогою конічної передачі 11 і з привідною станцією за допомогою швидкохідного валу 12. На валу 12 розміщені гальмівний блок 13, датчик оборотів 14 і муфта 15. Привідна станція складається з генератора 16 і шафи управління. Шафа містить блок управління 17, блок зарядного пристрою 18 з батареєю акумуляторів і конденсаторною групою (не показані), а також блок комутації 19, що містить контролер, перетворювачі та ін. (не показані). Вежа 1 і станція спираються на спільний фундамент 20. Опорно-підшипниковий вузол призначений для установки на ньому вітроколеса, для передачі моменту від колеса на тихохідний вал, для прийняття та передачі на опорну конструкцію аеродинамічних навантажень, діючих на ротор у всіх режимах роботи, включаючи і загальмований стан. В пристрої, що патентується, цей вузол забезпечений компенсаційним блоком, виконаним у вигляді зубчатої муфти. Розріз муфти 4 представлений на Фіг.2. В ній зубці ведучої (охоплюючої) 21 і веденої (внутрішньої) 22 шестерень мають рівномірні зазори 23 між навантажуваними площинами. Швидкохідний вал 12 (Фіг.3) складається з двох частин 24 і 26, сполучених карданним шарніром 25, виконаним у вигляді пружної монолітної муфти. Структура горизонтальних траверс складається з багатозамкнутих силових профілів, відповідних прийнятому несиметричному аеродинамічному обводу. Вона складається (Фіг.4) з носової частини 26, внутрішньої (не показана) і зовнішньої 9 27 обшивок, двох лонжеронів - переднього 28 і заднього 29, подовжньо-поперечного силового набору 30, виконаного у вигляді сполучених між собою стрингерів і нервюр, та хвостової частини 31. Силовий набір, що додає міцність, як в подовжньому, так і в поперечному напрямах, дає можливість конструкції парирувати вагове (поперечне) і відцентрове (подовжнє) навантаження, тобто найбільші за величиною компоненти динамічних навантажень. Система нервюр приймає на себе інтегральну підйомну силу, яка менше двох згаданих. Мінімальне значення хорди «х» профілю 32 траверси дорівнює хорді лопаті в місці кріплення. Короб 33 механічно поєднує обидва плеча траверс. На кінцевих торцях траверс встановлені елементи 34 кріплення лопатей. Кожна траверса вітроколеса виконана із змінною по довжині хордою що збільшується від комля до кінця. За рахунок зменшення хорди «х» і висоти h профілю, забезпечується жорсткість, пропорційна навантаженню, причому лопаті до осі обертання і однаковим по довжині несиметричним криловим профілем. Підвіска лопатей не має виділених амортизаторів для погашення коливань і компенсації паразитних статичних навантажень. Проте, сама дискретна конструкція траверси, що містить подовжньо-поперечний силовий набір з достатньою пружністю сприймає деформації, переводячи їх в коливальні процеси, схильні до швидкого самогасіння. Небезпечні для валу вібраційні та резонансні явища посилюють свою інтенсивність і руйнівність при напруженому стані валу, що тримає свою вагу і навіть (в деяких модифікаціях) значну частину ваги ротора. Пристрій, що патентується працює наступним чином. Запуск здійснюється при швидкості вітру 6 м/с і більше. Сигнал від датчика швидкості вітру поступає в контролер. Якщо усереднене значення швидкості вітру протягом 2 хвилин перевищує 6 м/с, то контролер формує команду на розгальмовування швидкохідного валу мультиплікатора. Дія сил з боку ротора Савоніуса полегшує подолання стартового моменту. Далі за рахунок взаємодії лопатей Η-ротора з потоком виникає тягнуча сила, яка сприяє остаточному розгону вітроколеса до 92669 10 робочої швидкості. Крутильний момент з основного ротора передається на тихохідний вал. В цьому режимі ротор Савоніуса виводиться з балансу перетворених енергій, оскільки він втрачає ефективність при наближенні лінійної швидкості лопатей до швидкості вітру. При досягненні генератором робочої швидкості подається команда на включення його системи збудження, після чого на клемах з'являється напруга. При подальшому збільшенні числа оборотів в контур генератора вводиться конденсаторна група, що підтримує вихідну напругу в межах 220 В. Під час роботи установки здійснюється автоматичний підзаряд накопичувальних акумуляторних батарей. Гальмування ВЕУ або її зупинка виконуються дією гальмівного блоку. Обводи зовнішніх площин траверс, профільовані в криловому стилі, тому траверси працюють не тільки в режимі обтічника. При русі усередині практично стоячого стовпа повітря на них виникає сила Жуковського, яка направлена точно проти сили тяжіння, що зменшує навантаження на опорні вузли Η-ротора. Обидва плеча створюють однакове розвантаження, що не призводить до перекосу тихохідного валу і не порушує його роботи. Вертикальне розвантаження ротора наступає тільки при виході на штатні обороти. Але в стартовій фазі неполегшений ротор розкручується за допомогою додаткового ротора Савоніуса. А коли цей ротор втрачає продуктивність (оскільки функція тяги переходить до основного приводу - Ηротору, що обертається швидше за вітер), вага ротора зменшується за рахунок роботи траверс. І таким чином, фазність різних чинників динаміки, накладаючись, дає завжди позитивний баланс ефективності. Розвантаження, одержуване таким аеродинамічним способом, змінює розподіл навантажень в деталях ротора, покращує умови роботи опорних і силових передавальних вузлів. Інтегральна підйомна сила, розподіляється по довжині горизонтальних траверс і знімає вертикальні напруги, пов'язані з тиском ваги крил. Таким чином, в робочу фазу конструкція входить ненапруженою, що полегшує акти компенсації деформацій, що виникають при роботі в нерівномірному вітровому потоці. 11 92669 12 13 92669 14 15 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 92669 Підписне 16 Тираж 26 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