Безредукторний вітроагрегат з вертикальною віссю обертання

Реферат: Безредукторний вітроагрегат з вертикальною віссю обертання містить розміщені по колу опорні стійки із встановленою на них направляючою балкою, електрогенератор з магнітною системою, індукторами та роторним блоком із закріпленими на ньому лопатями та опорно-ходовими вузлами. Направляюча балка вітроагрегата виконана у вигляді монолітного закільцьованого жолоба, на дні якого суцільним шаром укладені постійні магніти, які створюють дугову магнітну систему електрогенератора. Індуктори встановлені у вигляді кругового ланцюжка модулів на внутрішньому ребрі напрямної за допомогою консолей. Кожний модуль складається з котушки індуктивності та шихтованого сердечника, причому вісь симетрії модуля співпадає з віссю симетрії магнітного шару. Роторний вузол виготовлений з діамагнітного матеріалу у вигляді жолобоподібного екрана і виконаний з можливістю обертання та розміщений в жолобі напрямної між магнітним шаром і ланцюжком модулів. В донній частині екрана виконані регулярні прорізи по всьому периметру так, що прорізи чергують із закритими ділянками рівного розміру, причому розмір прорізів відповідає протяжності полюсних граней модулів. На зовнішньому ребрі напрямної встановлена кільцева профільна балка, яка служить напрямною для опорно-ходового вузла, що підтримує екран. По зовнішній кромці екрана встановлена система опор, на яких закріплений багатолопатевий вітроприймальний ротор, виготовлений у вигляді клітки, що складається з верхнього і нижнього кілець, між якими нерухомо розкріплені лопаті крильчастого профілю. UA 99352 C2 (12) UA 99352 C2 UA 99352 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області вітроенергетики, а саме - до вітроенергетичних агрегатів, призначених для заряду акумуляторних батарей і електроживлення споживачів, і може бути використаний при розробці вітроустановок великої потужності з полегшеними роторами. Основним економічним принципом, стимулюючим модернізацію існуючих вітроустановок, є максимальне вилучення кінетичної енергії з повітряної течії. Слабопотенційні потоки можуть бути рентабельними тільки за умов, якщо кінематична система ВЕУ має малу інерційність. Ротори вітроенергоустановок (ВЕУ) безредукторного типу мають тенденцію до необмеженого росту діаметра заради збільшення потужності. Активні елементи електрогенератора (постійні магніти, електромагніти, індуктори), які встановлюються на роторі, мають велику масу, а магнітна арматура додатково збільшує масу та інерційність ротора. Компоновка активних елементів на площинах ротора така, що розподіл мас має значний зсув до радіальної периферії, чим створюється великий момент сил, що деформують його опорну конструкцію. Це може викликати помітний дрейф величини повітряного зазору між магнітами збудження та індукторами, що впливає на стабільність роботи і на коефіцієнт перетворення енергії. Тому особливу актуальність набуває проблема зменшення маси ротора. Існує багато технічних рішень, які з різним ступенем повноти справляються з поставленою задачею. Так, відомий вітрогенератор за пат. України № 86126 МПК(2009) F03D9/00, 1/00, 3/00 (заявка а 200707355), автори: Дзензерський В.О., Тарасов С.В., Костюков І.Ю., Буряк О.А., пріоритет від 02.07.2007, опубл. 25.03.2009, Бюл. № 6. Статор вітрогенератора виконаний з трьох пластин, сполучених багатоканальними магнітопроводами, які укріплені на естакаді із спільною центральною віссю симетрії. На верхній і нижній пластинах ротора рівномірно по колу встановлені однакові ланцюжки постійних магнітів, магніти, що протилежать, мають однакову полярність. На середній пластині між відповідними парами магнітів закріплені модулі, що складаються з шихтованих сердечників з котушками індуктивності і утворюють круговий ланцюжок з полюсним поділом, рівним полюсному поділу системи магнітів. Ротор виконаний у вигляді двох тонких дисків з діамагнітного матеріалу, закріплених на спільному валу і встановлених в зазорах між пластинами статора. В кожному диску виконані отвори, що чергуються із суцільними ділянками, причому розміри тих та інших в круговому напрямі дорівнюють розмірам полюсних граней магнітів. Диски зсунуті один по відношенню до одного на кут, при якому отвори на одному диску ротора знаходяться напроти суцільних ділянок між отворами на іншому. До недоліків описаного пристрою можна віднести принципове обмеження габаритів, і, отже, потужності, електрогенератора. 7 Відомий також вітродвигун за а.с. СРСР № 1758280, МПК F03D5/02, автори В.М. Ляхтер і В.П. Моломін, опубл. 30.08.92 г., Бюл. № 32, що містить вітроприймальні лопаті, розташовані по круговому ряду на кільцевій платформі з лінійним генератором, встановленим на опорних стійках. Кільцева платформа підвішена із зазором по відношенню до електромагнітної системи генератора. Зазор контролюється блоком управління. До недоліків цього аналога можна віднести те, що сталість левітації забезпечується системою примусової стабілізації зазору між площинами рухомого блока та відповідними площинами статора, і на цю операцію витрачається додаткова енергія, а також конструктивну складність системи підвісу. Найближчим до технічного рішення, що заявляється, узятим як прототип, є безредукторний 7 вітроагрегат з вертикальною віссю обертання за пат. РФ № 2037070, МПК F03D5/04, 3/06, автори Мольков В.Ф., Соколов Ю.Д. та ін., опубл. 09.06.95 р., Бюл. № 18, який містить розташовані по колу опорні стійки зі встановленими на них кільцевими площадками статорів. Тороподібні роторні блоки, виконані з феромагнітного матеріалу, оснащені опорно-ходовими вузлами і вітроприймальними лопатями. На поперечних балках стійок статорів укріплені електромагніти, розташовані над роторами і звернені до них полюсними гранями. При включенні електроживлення ротори притягуються до магнітів. При цьому «спливають» всі блоки. Таким чином, зменшується тиск опорно-ходових вузлів на поверхню кільцевої площадки, що знижує втрати на тертя. Зазори (кліренси), що утворилися, підтримуються системою управління по сигналах від датчиків. До недоліків прототипу слід віднести те, що силові флуктуації при роботі вітрового ротора компенсуються тільки системою магнітної корекції, на левітацію роторів витрачається частина вихідний потужності установки, підтримка стійких зазорів здійснюється за допомогою складної системи управління, швидкість реакцій якої не гарантує своєчасної позиційної корекції роторів. В основу винаходу поставлена задача підвищення динамічної стійкості ротора вітроагрегата, зменшення енерговитрат на забезпечення його робочого режиму, максимального 1 UA 99352 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 зменшення маси ротора, скасування системи управління зазором при левітації ротора, а також зняття габаритних обмежень. Поставлена задача вирішується тим, що направляюча балка вітроагрегата виконана у вигляді монолітного закільцьованого жолоба, на дні якого суцільним шаром укладені постійні магніти, які створюють дугову магнітну систему електрогенератора, індуктори встановлені у вигляді кругового ланцюжка модулів на внутрішньому ребрі напрямної за допомогою консолей, кожний модуль складається з котушки індуктивності та шихтованого сердечника, причому вісь симетрії модуля співпадає з віссю симетрії магнітного шару, роторний вузол виготовлений з діамагнітного матеріалу у вигляді жолобоподібного екрана і виконаний з можливістю обертання та розміщений в жолобі напрямної між магнітним шаром і ланцюжком індукторів, в донній частині екрана виконані регулярні прорізи по всьому периметру так, що прорізи чергують із закритими ділянками рівного розміру, причому розмір прорізів відповідає протяжності полюсних граней модулів, на зовнішньому ребрі напрямної встановлена кільцева профільна балка, яка служить напрямною для опорно-ходового вузла, що підтримує екран, по зовнішній кромці екрана встановлена система опор, на яких закріплений багатолопатевий вітроприймальний ротор, виготовлений у вигляді клітки, що складається з верхнього і нижнього кілець, між якими нерухомо розкріплені лопаті крильчастого профілю. Проаналізуємо відмінні ознаки з метою оцінки їх ефективності і можливості реалізації. Група відмінних ознак «направляюча балка виконана у вигляді монолітного закільцьованого жолоба, на дні якого суцільним шаром укладені постійні магніти, а індуктори встановлені у вигляді кругового ланцюжка модулів на внутрішньому ребрі напрямної за допомогою консолей, кожний модуль складається з котушки індуктивності і шихтованого сердечника» дає можливість розв'язати проблему зменшення енерговитрат на забезпечення робочого режиму вітроагрегата. Технічне рішення, що патентується, відрізняється від прототипу тим, що в магнітній системі електромагніти, на живлення яких витрачається енергія, замінені постійними магнітами. Відповідно до цього принципу конструкція генератора виконана так, що всі масивні деталі перенесені на площини естакади. Але оскільки від маси статора абсолютно не залежить ні інерційність пристрою, ні оперативність управління його динамікою, ні продуктивність, то у конструкторів з'являється свобода в рішеннях по вибору матеріалів, знімаються масогабаритні обмеження на вузли і деталі генератора. Відмінні ознаки «роторний вузол, виготовлений з діамагнітного матеріалу у вигляді жолобоподібного екрана і виконаний з можливістю обертання, розміщений в жолобі напрямної між магнітним шаром і ланцюжком модулів, в донній частині екрана виконані регулярні прорізи по всьому периметру так, що прорізи чергують із закритими ділянками рівного розміру» дають можливість розв'язати проблеми підвищення динамічної сталості ротора вітроагрегата, максимально зменшити масу генераторного ротора, скасувати системи управління зазором при левітації ротора. Принцип роботи генератора визначається тим, що вузлом, що рухається, є електродинамічний екран. Він є тонким жолобом з діамагнітного матеріалу (алюмінію або його сплавів) і працює при відносному русі в полі магнітів. В матеріалі жолоба ротора, що перетинає при русі лінії магнітного поля, наводяться вихрові струми, які нейтралізують поле, що викликало їх. У спокої або на початку розгону жолоб пропускає магнітний потік в повному об'ємі, а потім із зростанням швидкості все більше екранує його аж до повного перекриття вихідного потоку потоком протилежної спрямованості. Поле проходить тільки через прорізи. У прототипі оцінка маси ротора істотно занижена. Тороподібний ротор прототипу виконаний з феромагнітного матеріалу або з вуглепластика з нанесеним феромагнітним шаром. Оскільки він виконує функцію магнітопроводу, то його маса не може бути малою, а тонкий плівковий шар взагалі не може служити магнітопроводом для прокачування серйозних порцій магнітної енергії, які потрібні для ефективної роботи електрогенератора. В пристрої, що патентується, ротор взагалі не є магнітопроводом, він працює як динамічний екран, що створює у напрямі генеруючих модулів змінний потік магнітного поля. Поле динамізується тільки за рахунок циклічного екранування або переполюсовки потоку, що надходить від постійних магнітів збудження. Робота ротора створює, гострополяризовані імпульси потоку, які і генерують ЕРС в котушках модулів. До реального зменшення маси жолоба призводить великомасштабна перфорація (ланцюг прорізів), а також відсутність електричних вимог, що стосуються товщини перерізу. Таким чином, дана схема дозволяє одержати пульсуюче магнітне поле в системі нерухомих активних елементів генератора. Єдиний рухомий вузол складається з тонкого екрана, виконаного із металу з малою питомою вагою (алюмінію) і має безліч вирізів, тому його маса незначна. Крім всього іншого, топологічно жолоб - це тор, розітнутий навпіл. Маса жолоба при інших рівних параметрах, удвічі менша, ніж у тора. 2 UA 99352 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відмінна ознака «на зовнішньому ребрі напрямної встановлена кільцева профільна балка, яка служить напрямною для опорно-ходового вузла, що підтримує екран» дає можливість збільшити динамічну сталість і самостабілізацію генераторного ротора, що веде до скасування електронної системи управління зазором при левітації ротора вітроагрегата. В прототипі ротор зібраний з окремих рухомих сегментів, причому кожний з них має незалежний опорно-ходовий вузол, який рухається по кільцевих рейкових доріжках, і так забезпечує утримання сегмента на круговій траєкторії при дії сторонніх сил. Проте в стані левітації, який формується в робочому режимі, колеса втрачають зв'язок з рейками, і тоді сталість динаміки стає проблематичною. Електромагніти частково виконують роль стабілізаторів, але сили магнітного зв'язку не покривають діапазону реально діючих сторонніх сил. Кільцева балка в пристрої, що патентується, механічно обмежує тільки висотні викиди відхилень від траєкторії. Горизонтальна ж (кругова) підтримка кругового руху забезпечується корекцією з боку сильного магнітного поля планарної магнітної системи. Магнітний зв'язок ротора з напрямною має велику силу, і тому втрата механічної опори в режимі левітації не знижує динамічної надійності. Відмінна ознака «по зовнішній кромці екрана встановлена система опор, на яких закріплений багатолопатевий вітроприймальний ротор, виконаний у вигляді клітки, що складається з верхнього і нижнього кілець, між якими нерухомо розкріплені лопаті крильчастого профілю» забезпечує міцність і додаткову сталість конструкції. В прототипі вітроприймальні лопаті закріплені на кожному окремому сегменті ротора (візку), тому неминучі при роботі в реальному повітряному потоці силові флуктуації можуть зсунути кожний окремий візок з траєкторії. У вітроагрегаті, що патентується, випадкові бічні сили прикладаються до жорсткої каркасно-силової конструкції, яка складається з суцільного полотна екрана і клітки вітрового ротора. Ця конструкція практично не може зійти з траєкторії, її зсув під дією вітрового тиску на лопаті компенсується не тільки силами магнітної корекції, але і конструктивним прийомом, що полягає в збільшенні площі опорної бази. Кількість лопатей залежить від запланованої потужності вітроагрегату, а також регламентується умовами незалежної роботи кожної лопаті в повітряній течії. Слідові шнури від попередньої лопаті не повинні набігати на профіль наступної, оскільки затінення однієї лопаті іншою суттєво знижує ККД ротора. Вітроагрегати такого типу, який вибраний для модернізації, можуть мати габарити до 100 м в діаметрі. При такому вільному рознесенні лопатей частота їх розміщення не потребує критичних обмежень, як це має місце для роторів Дар'є з центральним валом. Аналіз показує, що сукупність відмінних ознак забезпечує вирішення поставленої у винаході задачі. За відомостями, що є у авторів, запропоновані істотні ознаки, які характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при розробці ВЕУ великої потужності. Принцип модернізації ілюструється рисунками. На фіг. 1 наведений переріз жолоба напрямної, на фіг. 2 представлена повна схема компоновки вузлів агрегату, на фіг. 3 зображена схема перфорації екрана. Безредукторний вітроагрегат з вертикальною віссю обертання (фіг. 1 та фіг. 2) містить кругову естакаду, яка складається з опор 1 і закріплених на них опорних площадок 2. На площадки спирається напрямна 3, виконана в формі масивного закільцьованого жолоба. Дно жолоба вистелене брусками постійних магнітів 4, шар яких утворює магнітну систему генератора. Індуктори генератора в даній конструкції нерухомі і встановлені в формі кругового ланцюжка модулів 5, закріплених на внутрішньому ребрі напрямної 3 за допомогою консолей 6. Кожний модуль складається з котушки індуктивності 7 і шихтованого сердечника 8. Вісь кожного модуля співпадає з віссю симетрії магнітного шару. Між магнітним шаром 4 і ланцюжком модулів 5 розміщений кільцевий жолобоподібний екран 9, виготовлений з діамагнітного матеріалу і виконаний з можливістю руху усередині напрямної 3. Екран має регулярні прорізи 10 (фіг. 3) в донній частині по всьому периметру. Прорізи чергують із закритими ділянками такого ж розміру. Розмір прорізів і закритих ділянок відповідає протяжності полюсних граней модулів 5. Товщина екрана 9 визначається товщиною скін-шару, тобто глибиною дифузії поля в матеріал пластини екрана 9, який залежить від швидкості обертання ротора і змінюється в діапазоні 1,00,1 мм. На зовнішньому ребрі напрямної встановлена кільцева профільна балка 11 з верхньою і нижньою полицями, яка служить напрямною для опорно-ходового вузла 12, підтримуючого екран 9 в холостому режимі і на розкручуванні. Опорно-ходовий вузол страхує ротор від перекидання при надто сильних поривах вітру за рахунок наявності верхньої полиці балки 11. По зовнішній кромці екрана 9 встановлена система опор 13, на яких змонтований багатолопатевий вітроприймальний ротор. Він виконаний у вигляді клітки, що складається з верхнього 14 і нижнього 15 кілець, між якими встановлені жорстко закріплені на кільцях лопаті 3 UA 99352 C2 5 10 15 20 25 30 16 крильчастого профілю. У вітрового ротора немає центрального суцільного вала. Він спирається на кільцевий екран. Описаний пристрій працює наступним чином. В початковому положенні, при нерухомому екрані 9 поле магнітів 4 досягає модульних сердечників 8 та намагнічує їх. Це відбувається тому, що екран виконаний з діамагнітного матеріалу, прозорого для магнітного поля. Оскільки екран жорстко сполучений з кільцем 15 клітки ротора, то вітровий натиск, перетворений лопатями 16 в крутильний момент, примушує його рухатись. При низьких обертах ротора перемагнічування сердечників 8 не відбувається і ЕРС не генерується. У міру збільшення обертів починає діяти екрануючий ефект, викликаючи в сердечниках 8 процеси перемагнічування, які при подальшому зростанні швидкості посилюються. Механізм екранування полягає в нейтралізації початкового потоку магнітної індукції вихровими струмами, що наводяться цим потоком в електропровідному матеріалі екрана 9. Незалежно від топографії намагніченості сердечників 8 до взаємодії саме з цією ділянкою ротора, відбувається його перемагнічування, відповідне пульсації потоку індукції від магнітів 4, що періодично відкриваються і екрануються. Цей же потік пронизує витки котушок 7, викликаючи в них ЕРС індукції. В схемі, що патентується, всі активні вузли електрогенератора нерухомі і конструктивно суміщені з площинами напрямної 3. Рухомим є тільки екран 9 Таким чином, динамізація магнітних потоків досягається методом штучної (примусової) переполюсовки. Магніти 4 вистилають значно більшу площу напрямної 3, ніж необхідно для потреб генерації потенціалу. Тому екран 9 не тільки створює пульсуюче поле, але і силу левітації, за рахунок якої клітка повітряного ротора зменшує тиск на балку 11, і навіть може повністю левітувати, «плаваючи» в магнітному полі напрямної 3. Сталість левітації визначається увігнутою конфігурацією поля і пов'язаною з ним дуговою формою екрана 9. Стійкість всього рухомого вузла збільшується також за рахунок зв'язку протилежних ділянок екрана 9 через клітку повітряного ротора. Абсолютно жорстка ув'язка усієї силової конструкції запобігає небезпеці перекидання повітряного ротора при сильних поривах вітру. При такому розподілі сил сталість руху тим більше, чим більше діаметр напрямної 3. Таким чином, у вітроагрегаті, що патентується, в порівнянні з прототипом підвищена динамічна стійкість ротора, зменшені енерговитрати на забезпечення робочого режиму, зменшена маса ротора, скасована система управління зазором при левітації ротора, а також зняті габаритні обмеження на ротор генератора. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 Безредукторний вітроагрегат з вертикальною віссю обертання, що містить розміщені по колу опорні стійки із встановленою на них направляючою балкою, електрогенератор з магнітною системою, індукторами та роторним блоком із закріпленими на ньому лопатями та опорноходовими вузлами, який відрізняється тим, що направляюча балка вітроагрегата виконана у вигляді монолітного закільцьованого жолоба, на дні якого суцільним шаром укладені постійні магніти, які створюють дугову магнітну систему електрогенератора, індуктори встановлені у вигляді кругового ланцюжка модулів на внутрішньому ребрі напрямної за допомогою консолей, кожний модуль складається з котушки індуктивності та шихтованого сердечника, причому вісь симетрії модуля співпадає з віссю симетрії магнітного шару, роторний вузол виготовлений з діамагнітного матеріалу у вигляді жолобоподібного екрана і виконаний з можливістю обертання та розміщений в жолобі напрямної між магнітним шаром і ланцюжком модулів, в донній частині екрана виконані регулярні прорізи по всьому периметру так, що прорізи чергують із закритими ділянками рівного розміру, причому розмір прорізів відповідає протяжності полюсних граней модулів, на зовнішньому ребрі напрямної встановлена кільцева профільна балка, яка служить напрямною для опорно-ходового вузла, що підтримує екран, по зовнішній кромці екрана встановлена система опор, на яких закріплений багатолопатевий вітроприймальний ротор, виготовлений у вигляді клітки, що складається з верхнього і нижнього кілець, між якими нерухомо розкріплені лопаті крильчастого профілю. 4 UA 99352 C2 5 UA 99352 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело 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