Безредукторний вертикальноосьовий вітроагрегат

Реферат: Безредукторний вертикальноосьовий вітроагрегат містить вітроротор, встановлений на спільному трансмісійному валу з електрогенератором, і опорний вузол, обладнаний магнітовзаємодіючими елементами. Вітроротор виконаний двоярусним і обрамлений бандажною кліткою, встановленою на опорі. Кожен ярус містить крила аеродинамічного профілю, закріплені обома кінцями на різновисоких опорних кільцях, які жорстко пов'язані із спільним валом за допомогою системи спиць. При цьому крила нижнього ярусу повернуті по колу щодо крил верхнього ярусу на 60° в трилопатевому варіанті виконання. Середнє кільце є спільним для обох ярусів і має збільшений діаметр за рахунок функціонального виступу. Бандажна клітка складається з двох опорних дисків, з'єднаних між собою за допомогою стійок. Нижній і верхній диски виконані суцільними і оснащені опорно-підшипниковими вузлами для кріплення вала. Опорний вузол перенесений з ротора електрогенератора на бандажну клітку вітрового ротора і містить підвісне кільце, закріплене на стійках. Підвісне кільце виконано у вигляді профільованої кругової балки, що має швелерний профіль, звернений жолобом до осі ротора. На верхній полиці швелера встановлено феромагнітне кільце, рівне ширині полиці, на нижній полиці встановлена магнітна доріжка, виконана з брусків постійних магнітів, укладених з інтервалами і з змінною полярністю. Між магнітним і феромагнітним шарами виконано UA 99662 C2 (12) UA 99662 C2 мінімальний повітряний зазор, в який без торкання входить виступ середнього кільця ротора електрогенератора. UA 99662 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вітроенергетики, зокрема до конструювання та виробництва вітроенергетичних установок середньої та великої потужності для використання в регіонах зі слабкими вітрами. Серед безлічі проблем, пов'язаних з розробкою вертикально-осьових вітроенергоустановок (ВЕУ), існує проблема зменшення навантажень на вузол кріплення ротора, а також гасіння вібрацій трансмісійного вала. Ці проблеми загострюються і виходять на перший план при створенні ВЕУ великої потужності, а також для ВЕУ, що встановлюються не на спеціалізованих опорах, а на житлових будинках або виробничих будівлях. У вертикально-осьових ВЕУ типу Дар'є рушійна сила, що обертає вал, утворюється різницею підйомних сил, що діють на активну і пасивну групи лопатей (крил) ротора. Природна мінливість швидкості вітру та нерівномірний розподіл тиску потоку по площинах крил (дрейфуючий градієнт тиску) створює деформуючі навантаження, збільшені моментами сил. Виникаючі при цьому вібрації, передаються на вал сумісно з обертовим моментом і суттєво ускладнюють умови роботи маточини і опорнопідшипникового вузла. Для ефективної роботи ВЕУ вал необхідно захистити від вібрацій, а ротор повинен надійно фіксуватися в межах необхідної траєкторії руху. Таким чином, ротор має потребу не тільки в надійній підвісці (опорному вузлі), а й у системі стабілізації руху лопатей. Огляд патентної літератури показує, що ці проблеми перебувають у зоні помітної активності розробників. 4 Так, відомий опорний вузол ротора вітродвигуна за а. с. СРСР № 1714188 МПК F03D 11/00. Він містить нерухому опору і ємність, частково заповнену робочою магнітною рідиною. У ємності розміщений понтон, який має відкриту з боку опори порожнину, заповнену газом. У нижній частині ємності встановлено постійні магніти, орієнтовані один до одного однойменними полюсами і розділеними прокладкою з діамагнітного матеріалу. До складу магнітної рідини входять рідина-носій і колоїдні частинки феромагнетика, стабілізовані в рідині поверхневоактивними добавками. Тиск вала зближує полюсні площини магнітів, магнітна рідина, намагнічуючись набуває в'язкість, і працює як пружина, що демпфірує вертикальне навантаження. Спільна та односпрямована дія сил магнітного відштовхування і сил пружності забезпечує корекцію положення торцевої зони вала ВЕУ, що не має прямого механічного контакту з опорою. До недоліків описаного способу розвантаження вала ротора можна віднести те, що магнітний "замок", утворений за допомогою постійних магнітів, що при такій орієнтації полюсів не дають досить жорсткої бічної фіксації. Наявність піддатливих зв'язків створює ще один ступінь свободи, в шкалі якого можуть виникати небажані вібрації. Крім того, при роботі спостерігається сильне розсіювання магнітних потоків, яке, хоч і пом'якшується наявністю магнітної рідини, але не усуває його. Найбільш близьким технічним рішенням, узятим як прототип, є опорний вузол ротора вітроенергоустановки за пат. України № 86143 МПК (2009) F03D 11/00, 3/00, автори Дзензерський В.О., Тарасов СВ., Костюков 1.Ю., Буряк О.А., заявка а2007 08837, пріоритет від 31.07. 2007, опубл. 25.03. 2009, Бюл. № 6. Пристрій містить магнітовзаємодіючі елементи, розміщені з зазором на площинах ротора і опори. Постійні магніти встановлені тільки на диску ротора і служать магнітами збудження. Площиною опори є статорна платформа, яка виконана двоярусною. На її верхньому ярусі встановлені модулі лінійного генератора, а на нижньому короткозамкнені котушки. Диск ротора поміщений в зазорі між ярусами статора, а магніти встановлені так, що при роботі ВЕУ входять протилежними полюсними гранями в магнітне зачеплення з модулями і котушками відповідно. До недоліків прототипу слід віднести те, що лопаті вітрового ротора деформуються неоднорідним потоком, що призводить до виникнення вібрацій, які передаються на вал. При цьому цей негативний ефект прогресує зі збільшенням габаритів ротора. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача збільшення ККД установки за рахунок розвантаження опорного вузла вітроротора, а також розширення функціональних можливостей ВЄУ за рахунок зменшення вібрацій вала установки шляхом додаткової фіксації крил і корекції деформацій вітроротора. Поставлена задача вирішується тим, що в вертикально-осьовому вітроагрегаті, що містить вітроротор, встановлений на спільному трансмісійному валу з електрогенератором, і опорний вузол, обладнаний магнітовзаємодіючими елементами, вітроротор виконаний двоярусним і обрамлений бандажною кліткою, встановленою на опорі, кожен ярус містить крила аеродинамічного профілю , закріплені обома кінцями на різновисоких опорних кільцях, які жорстко пов'язані із спільним валом за допомогою системи спиць, при цьому крила нижнього ярусу повернуті по колу щодо крил верхнього ярусу на 60° в трилопатевому варіанті виконання, середнє кільце є спільним для обох ярусів і має збільшений діаметр за рахунок 1 UA 99662 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 функціонального виступу, бандажна клітка складається з двох опорних дисків, з'єднаних між собою за допомогою стійок, нижній і верхній диски виконані суцільними, і оснащені опорнопідшипниковими вузлами для кріплення вала, опорний вузол перенесений з ротора електрогенератора на бандажну клітку вітроротора і містить підвісне кільце, закріплене на стійках, кільце виконано у вигляді профільованої кругової балки, що має швелерний профіль, звернений жолобом до осі ротора, на верхній полиці швелера встановлено феромагнітне кільце, рівне ширині полиці, на нижній полиці встановлена магнітна доріжка, виконана з брусків постійних магнітів, укладених з інтервалами і з змінною полярністю, між магнітним і феромагнітним шарами виконаний мінімальний повітряний зазор, в який без торкання входить виступ середнього кільця ротора електрогенератора. Проведемо детальний аналіз технічного рішення. Відмінні ознаки: вітроротор виконаний двоярусним і обрамлений бандажною кліткою, встановленою на опорі; бандажна клітка складається з двох опорних дисків, з'єднаних між собою за допомогою стійок, нижній і верхній диски виконані суцільними і оснащені опорнопідшипниковими вузлами для кріплення вала, характеризують як проведену модернізацію вітроротора, так і особливості введеного вузла. Механічна міцність вітроротора установки, що патентується, істотно збільшується в порівнянні з прототипом за рахунок застосування зовнішньої бандажної клітки. Вона являє собою циліндричну просторову конструкцію, прозору для вітрового потоку, що дає можливість фіксувати вал в районі вітроротора як мінімум у двох точках, розміщуючи опорно-підшипникові вузли на протилежних дисках клітки. Клітка стає додатковою несучою конструкцією, що має істотну жорсткість, і здатна протистояти швидкісному напору вітру та інерційним навантаженням без критичних деформацій. Ця опора здатна частково гасити вібрації крил ротора, а також блокувати чинники деформацій трансмісійного вала, які неминучі при одноточковому закріпленні виносу вала під вітроротор. Що стосується аеродинамічних проблем, то трилопатевий ротор при зростанні обертової швидкості створює слідовими хвостами фіктивну контурну огорожу, що має форму циліндричного тіла, яке обтікає надлишковий повітряний потік. Потік же, оточуючий циліндричне тіло, буде створювати поля швидкостей і тисків, що сприяють підвищенню підйомної сили крил ротора. Наявність бандажної клітки неістотно змінює структуру повітряного потоку. Відмінні ознаки: кожен ярус містить крила аеродинамічного профілю, закріплені обома кінцями на різновисоких опорних кільцях, які жорстко пов'язані із спільним валом за допомогою системи спиць, при цьому крила нижнього ярусу зсунені по колу щодо крил верхнього ярусу на 60° в трилопатевому варіанті виконання, конкретизують конструктивні зміни вітроротора. Горизонтально-осьові репелери часто оснащують ободами, що зв'язують кінці їх лопаті, що не тільки збільшує їх механічну міцність, але і знімає негативну дію кінцевого ефекту, створюваного пульсуючими зривними вихорами. Зв'язування закінцівок вертикально-осьових роторів Дар'є призводить до схожого позитивного результату. Крім того, двоярусна структура ротора, з двох- або трилопатевою вітроприймальною системою створює м'який розтягнутий пусковий момент, оскільки в робочий хід вступає більше крил. При досить великому діаметрі ротора можуть створитися умови аеродинамічного самозапуску, що дає можливість скасувати додаткові механізми для розкрутки ротора. Відмінні ознаки: опорний вузол перенесений з ротора електрогенератора на бандажну клітку вітрового ротора І містить підвісне кільце, закріплене на стійках, підвісне кільце виконано у вигляді профільованої кругової балки, що має швелерний профіль, звернений жолобом до осі ротора, на верхній полиці швелера встановлено феромагнітне кільце, рівне ширині полиці, на нижній полиці встановлена магнітна доріжка, виконана з брусків постійних магнітів, укладених з інтервалами, між магнітним і феромагнітним шарами зроблено мінімальний повітряний зазор, в який без торкання входить виступ середнього кільця ротора генератора, яке має збільшений діаметр за рахунок функціонального виступу, є основними для пристрою, що патентується. Одним з основних недоліків прототипу полягає в тому, що вага вітроротора поєднується з вагою ротора генератора, і при цьому масивна магнітна система установки змонтована на роторі. Навіть при високій несучій здатності самарій-кобальтових магнітів підвіс здійснюється з серйозним збільшенням інерційності всього кінематичного вузла. У пристрої, що патентується, розвантаження вітроротора проводиться за рахунок магнітної системи, встановленої на нерухомій бандажній клітці. Введення вузла магнітної стабілізації вітроротора, що має опорну базу у вигляді бандажної клітки, створює локальну систему амортизації, що істотно збільшує ефективність гасіння вібрацій. По-перше, вузол магнітної стабілізації працює як коректор ходу. Сила електродинамічного гальмування залежить від швидкості обертання ротора, і вона вносить 2 UA 99662 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 коригуючий вплив в баланс сил кінематичної системи ВЕУ. По-друге, зменшення і навіть зняття вертикальних навантажень з підшипникових кріплень полегшують режим роботи підшипників, так як підшипники розраховані на протидію, в основному, горизонтальних навантажень. Таким чином, цей вузол, здійснюючи магнітне демпфірування деформаційних напруг, є засобом зменшення впливу власної ваги ротора на його роботу. Важливим ефектом перенесення вузла стабілізації на клітки є стабілізація зазору між магнітною системою збудження і модулями статора в генераторі. Параметр продуктивності генератора дуже чутливий до зміни цього зазору. Тому жорстка фіксація ротора позитивно позначається на ККД генератора. Виступ середнього кільця електрогенератора є активною площадкою, на яку діють сили корекції з боку магнітної доріжки. Феромагнітне кільце виконує функцію концентратора потоку магнітної індукції. Збільшення щільності магнітної енергії в зазорі кругової балки підвищує ефективність корекції відхилень траєкторії руху навантажуваних елементів ротора. Так як магнітна доріжка встановлена на бандажній клітці, то їхня маса не впливає на роботу самого ротора. Всі перелічені ознаки сприяють розширенню області застосування тихохідних вертикальноосьових вітроенергоустановок. За рахунок спроможності подавления вібрацій, такі установки можна встановлювати на дахах житлових будинків, на корпусах промислових приміщень і т.і. Таким чином, за рахунок використання готових висотних опор, підіймаючих ВЕУ над землею у вигляді споруд іншого призначення зменшуються капітальні витрати. За наявними в авторів відомостями запропоновані суттєві ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використане при проектуванні вітроенергоустановок збільшеноюпотужністю з ротором Дар'є у ролі вітроприймального вузла. Критерій «промислове застосування» підтверджується актуальністю проблематики на сучасному етапі розвитку вітроенергетики та його практичною прив'язкою до реальних виробничих технологій. Опис вітроагрегату, що патентується, ілюструється кресленнями. На фіг. 1 наведено загальний вигляд вітроагрегату; на фіг.2 – переріз вітроротора по АА; на фіг.3 – переріз вітроротора по ВВ; на фіг.4 – переріз вітроротора по СС; на фіг.5 - вертикальний переріз вітроротора. Безредукторний вертикально-осьовий вітроагрегат (фіг.1) містить ротор 1 (вітротурбіну Дар'є), укладений у бандажну клітку 2, встановлену на опорі 3, і трансмісійний вал 4, що з'єднує ротор з електрогенератором 5. Ротор 1 виконаний двоярусним. Кожен ярус являє собою дво,трилопатевий ротор, що містить крила (лопаті) 6 аеродинамічного профілю (переріз по АА на фіг. 2), закріплені обома кінцями на опорних кільцях - верхньому 7, середньому 8 і нижньому 9, які жорстко пов'язані із спільним валом 4 за допомогою системи спиць 10. (переріз по ВВ на фіг.3). Крила 6 нижнього ярусу зміщені по колу щодо крил верхнього ярусу (переріз по СС на фіг.4) на 90° у дволопатевому варіанті виконання і на 60° у трилопатевому варіанті. Середнє кільце 8 є спільним для обох ярусів і має збільшений діаметр за рахунок функціонального виступу. Кільця виготовлені з діамагнітного матеріалу. Бандажна клітка 2 складається з двох опорних дисків – верхнього 11 і нижнього 12, а також середнього підвісного кільця 13, що з'єднані між собою за допомогою стійок 14. Кількість стійок залежить від діаметра ротора і для легкої ВЕУ дорівнює двом. Нижній 12 і верхній 11 диски виконані суцільними і оснащені центральними опорно-підшипниковими вузлами 15 для кріплення вала 4. Нижній диск 12 жорстко закріплений на опорі 3, яка безпосередньо встановлюється на перекриття будівлі, або ж на дах цеху. Середнє підвісне кільце 13 закріплено на стійках 14 і не пов'язане з валом 4. Диски і кільце виконані з легкого діамагнітного матеріалу, наприклад з дуралюміну. Підвісне кільце 13 (вертикальний переріз на фіг.5) виконує функцію безконтактної магнітної підтримки ротора і виконано у вигляді профільованої кругової балки, що має швелерний профіль, звернений жолобом до осі ротора. На верхній полиці швелера встановлено феромагнітне кільце 16, рівне ширині полиці. На нижній полиці встановлена магнітна доріжка, виконана з брусків постійних магнітів 17, укладених з інтервалами і змінною полярністю. Між магнітним 17 і феромагнітним 16 шарами встановлено мінімальний повітряний зазор, у який входить виступ середнього кільця 8 ротора. Цей вузол компенсує деформації, що виникають при роботі вітроагрегату. Описаний вітроагрегат працює наступним чином. Вітроагрегат, що патентується, належить до пристроїв, які не потребують орієнтування вітроприймальних елементів щодо максимального потенціалу потоку. Він приймає енергію з будь-якого румба. 3 UA 99662 C2 5 10 15 Передачу привідної потужності (крутильного моменту) на електрогенератор 5 можна здійснити через муфту зчеплення (не показана), для того, щоб зняття енергії починалося при оптимальній швидкості обертання вала. Агрегат, що приводиться в дію, проходить наступні режимні стадії. При розкручуванні ротора його середнє кільце 8, що входить виступом в зазор підвісного кільця 13 бандажної клітки 2, перетинає магнітний потік, зосереджений між полюсними гранями магнітів 17 і феромагнітним кільцем 16. Оскільки магнітна доріжка укладена з зазорами, а полярність магнітів чергується, то виникають пульсації потоку, які наводять вихрові струми в матеріалі кільця 8. При малих швидкостях обертання підйомна сила невелика, а сила електродинамічного гальмування зростає поступово, досягаючи максимуму тоді, коли ротор вже отримує достатній запас кінетичної енергії. Подальше збільшення швидкості обертання веде до експоненціального спадання гальмівної сили. Паралельно цьому електродинамічне відштовхування кільця 8 від магнітів 17 створює сили підпору, які вирівнюють деформації ротора, зумовлені його власною вагою і напругами, що передаються з крил 6. Компенсація ваги і навантажувальних тисків дозволяє утримувати форму ротора в розрахункових обводах, що має наслідком стабілізацію режиму вітроприйому, а також профілактику виникнення вібрацій, спровокованих формуванням локальних деформацій крил і елементів підвіски. Крім того, перенесення опорного вузла магнітної підтримки з ротора генератора на вітроротор дає можливість істотно підвищити потужність вітроагрегату шляхом збільшення габаритів ротора. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 Безредукторний вертикальноосьовий вітроагрегат, що містить вітроротор, встановлений на спільному трансмісійному валу з електрогенератором, і опорний вузол, обладнаний магнітовзаємодіючими елементами, який відрізняється тим, що вітроротор виконаний двоярусним і обрамлений бандажною кліткою, встановленою на опорі, кожен ярус містить крила аеродинамічного профілю, закріплені обома кінцями на різновисоких опорних кільцях, які жорстко пов'язані із спільним валом за допомогою системи спиць, при цьому крила нижнього ярусу повернуті по колу щодо крил верхнього ярусу на 60° в трилопатевому варіанті виконання, середнє кільце є спільним для обох ярусів і має збільшений діаметр за рахунок функціонального виступу, бандажна клітка складається з двох опорних дисків, з'єднаних між собою за допомогою стійок, нижній і верхній диски виконані суцільними і оснащені опорнопідшипниковими вузлами для кріплення вала, опорний вузол перенесений з ротора електрогенератора на бандажну клітку вітрового ротора і містить підвісне кільце, закріплене на стійках, підвісне кільце виконано у вигляді профільованої кругової балки, що має швелерний профіль, звернений жолобом до осі ротора, на верхній полиці швелера встановлено феромагнітне кільце, рівне ширині полиці, на нижній полиці встановлена магнітна доріжка, виконана з брусків постійних магнітів, укладених з інтервалами і з змінною полярністю, між магнітним і феромагнітним шарами виконано мінімальний повітряний зазор, в який без торкання входить виступ середнього кільця ротора електрогенератора. 4 UA 99662 C2 5 UA 99662 C2 6 UA 99662 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 7