Моноколійний вітроагрегат

Реферат: Моноколійний вітроагрегат містить кругову опору, яка спирається на встановлені по колу опорні стійки, вітроротор, вузол магнітного підвісу та електрогенератор. Кругова опора виконана у вигляді естакади. Вітроротор функціонально поєднаний з ротором електрогенератора і складається з системи візків, які спираються на 4-колісний ходовий вузол і пов'язані між собою стрижнями з шарнірними кріпленнями з обох сторін. До кожного візка за допомогою консолі прикріплено вертикальне крило аеродинамічного профілю. На площині естакади встановлена моноколійна напрямна, виконана у вигляді діамагнітної металевої балки перевернутого Тподібного профілю. Візки виконані з можливістю переміщення по заглиблених паралельних кільцевих доріжках, виконаним симетрично у площині естакади по обидві сторони від напрямної Вузол магнітного підвісу розміщений на візках і складається з брусків спарених постійних магнітів, орієнтованих один до одного різнойменними полюсами і встановлених із зазором між полюсними гранями. Зазор відкритий знизу для симетричного введення напрямної між магнітами так, що частина площі полюсних граней виступає над нею. Ротором електрогенератора служать візки, статором служить кільцеподібно розміщений по UA 99663 C2 (12) UA 99663 C2 внутрішньому колу естакади ланцюжок модулів, що складаються з котушок індуктивності з сердечниками, встановлених навпроти магнітів і скомутованих у загальний мережевий контур. UA 99663 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області вітроенергетики і може бути використаний для конструювання та виробництва тихохідних вертикальноосьових вітроустановок великої потужності. Тихохідні вітроагрегати великої потужності, що працюють за принципом ротора Дар'є мають свій склад недоліків і технологічних труднощів, які у всіх відомих технічних рішеннях знімаються тільки частково. Практично всі вони обумовлені конструкційною специфікою цих агрегатів. Головним з них є дискретна збірка ротора з окремих вузлів, не пов'язаних із загальним валом, які мають можливість самостійного руху по спільній кільцевої опорі. У різних моделях роторні фрагменти з'єднуються або в жорсткий кільцевий ротор великого діаметра, або гнучкими чи податливими зв'язками в модульну конструкцію. Стійкість таких роторів до зовнішніх навантажень залежить від надійності фрикційного зчеплення системи з нерухомою напрямною. Використання тих чи інших геометричних особливостей напрямної легко призводить до вирішення основних проблем забезпечення динамічної стійкості ротора, але породжує при цьому вторинні еквівалентні труднощі. Так, спливання всієї рухомої конструкції ротора в установках з магнітним підвісом призводить до повної втрати механічного зв'язку з опорою, а жорсткість магнітних сил буває недостатньою для утримання ротора на траєкторії при випадкових кінематичних збуреннях. Зрив же магнітного зчеплення є незворотним процесом за природою. Тому самі електротехнічні засоби формування магнітного підвісу, які компенсують виникаючі технологічні проблеми, отримують завищені габарити, набувають надто велику складність, уразливість і енергоємність. Відомі методи розв'язання зазначених проблем різноманітні, але не універсальні. Так, відомий безредукторний вітроагрегат з вертикальною віссю обертання за пат. РФ № 7 2037070, МПК F03D 5/04, 3/06,, автори Мольков В.Ф., Соколов Ю.Д. і ін, Опубл. 09.06.95р., Бюл. № 18, що містить розташовані по колу опорні стійки з встановленими на них статорними кільцевими площадками. Тороподібні роторні блоки, виконані з феромагнітного матеріалу, оснащені опорно-ходовими вузлами і вітроприймальними лопатями. На поперечних балках статорних стійок 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. Кліренс між площинами ротора і статора підтримується незмінними системою управління за сигналами від датчиків. До недоліків прототипу можна віднести те, що зменшення внутрішніх втрат енергії при роботі здійснюється за рахунок витрат вихідної потужності і те, що нестійкість повітряних зазорів при левітації роторів коригується системою управління, яка додатково споживає мережеву електроенергію, має велику конструкційну складність та потребує додаткового обслуговування. Найбільш близьким технічним рішенням до того, що заявляється, узятим як прототип, є 7 безредукторний вітроагрегат з вертикальною віссю обертання за пат. РФ № 2000468 МПК F03D 3/06, 5/00, автори Мольков В.Ф., Соколов Ю.Д. та ін., Опубл. 07.09.93р., Бюл. № 33-36. Він має опорну структуру, що складається з стійок, з'єднаних між собою кільцевою балкою. На балці встановлені статорні кільця, виконані у вигляді сегментів генератора. На поперечних балках закріплені електромагніти, звернені полюсами вниз на площини феромагнітних кільцевих роторів, покритих з внутрішньої сторони електропровідним немагнітним матеріалом. До бічних поверхонь роторів прикріплені вертикальні вітроприймальні лопаті. Механічний опір, що виникає при русі кільцевих роторів, зменшується шляхом магнітного підвішування кожного ротора. Для створення сил застосовані електромагніти, розташовані вище ротора. Повітряні зазори, які утворюються при роботі магнітних сил між площинами активних елементів, контролюються за допомогою системи управління. До недоліків прототипу слід віднести те, що на підвіс (зменшення ваги) кільцевих роторів витрачається частина вироблюваної установкою електроенергії і те, що розмір повітряних зазорів при левітації роторів непостійний і коригується складною системою управління, яка додатково споживає мережеву електроенергію, а швидкість реакцій якої не гарантує своєчасної позиційної корекції роторів. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача збільшення динамічної стійкості ротора вітроагрегата при зменшенні втрат енергії за рахунок використання комбінованого способу зв'язку ротора з опорою. Поставлена задача вирішується тим, що кругова опора виконана у вигляді естакади, вітроротор функціонально поєднаний з ротором електрогенератора і складається з системи візків, які спираються на 4-колісний ходовий вузол, і пов'язані між собою стрижнями з шарнірними кріпленнями з обох сторін, до кожного візка за допомогою консолі прикріплена лопать аеродинамічного профілю, на площині естакади закріплена монорейкова напрямна, 1 UA 99663 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виконана у вигляді металевої балки переверненого Т-подібного профілю, візки виконані з можливістю переміщення по заглиблених паралельних кільцевих доріжках, виконаним симетрично у площині естакади по обидві сторони від напрямної, вузол магнітного підвісу розміщений на візках і складається з брусків спарених постійних магнітів, орієнтованих один до одного різнойменними полюсами і встановлених з зазором d між полюсними гранями, відкритим знизу для симетричного введення напрямної між магнітами так, що частина площі полюсних граней виступає над нею, ротором електрогенератора служать магніти вузла підвісу, статором служить кільцеподібно розміщений по внутрішньому колу естакади ланцюжок модулів, що складаються з котушок індуктивності з сердечниками, встановлених навпроти магнітів і скомутованих у спільний мережевий контур. Проаналізуємо відмінні ознаки на предмет оцінки їх ефективності та можливості реалізації. 1. "Кругова опора виконана у вигляді естакади". В агрегаті, який патентується, основну роль відіграє електропровідна напрямна. У комплекті з круговою доріжкою з виробленою в ній колією вона виконує як опорну функцію для ходового вузла роторних візків, так і стабілізуючу функцію, утримуючи візки від сходу з проектної траєкторії при дрейфуючих навантаженнях. Ці елементи агрегату спираються на кругову інженерну споруду, що складається з ряду однотипних опор і прольотів. А така споруда, призначена для розміщення дороги вище рівня землі, в даній схемі визначається як естакада. 2. "Вітроротор функціонально поєднаний з ротором електрогенератора і складається з системи візків, які спираються на ходовий вузол і пов'язані між собою стрижнями з шарнірними кріпленнями з обох сторін, до кожного візка за допомогою консолі прикріплена крилова лопать, на площині естакади закріплена монорейкова напрямна, виконана в вигляді металевої балки переверненого Т-подібного профілю, візки виконані з можливістю переміщення по заглиблених паралельних кільцевих доріжках, виконаних симетрично у площині естакади по обидві сторони від напрямної". Силовий зв'язок вітроротора в модульному виконанні (набраному з окремих візків) з естакадою повинен бути стійким і надійним, оскільки сили, що діють на крило, змінюються за кожен оберт не тільки за величиною, але і за знаком. Умови синхронного вписування всіх візків у кругову траєкторію незалежно від відмінності силових умов, в яких вони знаходяться одночасно, це умова, виконати яку дуже важко. Це важлива якість у пристрої, в якому окремі візки ротора не жорстко пов'язані в механічну систему. І перекидання однієї з них веде до зупинки всього ротора. У прототипі система корекції траєкторії використовує тільки магнітні зв'язки. Це, природно, спрощує і полегшує вітроротор, але значно знижує надійність утримання візків. У пристрої, що патентується, принципово змінена структура опорної конструкції. За рахунок ускладнення профілю естакади досягається висока динамічна надійність і стабільність обертання. Ротор із збільшеною інерційністю, але з малою (за рахунок магнітного підпору) вагою більш повно відповідає виконанню покладених на нього функцій. У ходовому вузлі використана коткова або колісна система без амортизаційної підвіски, оскільки переміщення по естакаді не повинно провокувати коливальних процесів. Колеса котяться по заглиблених доріжках, що додатково стабілізує траєкторію візків. В агрегаті, що патентується, на відміну від прототипу встановлений тільки один ряд крил із зовнішнього боку ротора, оскільки внутрішні крила при роботі ротора потрапляють в турбулентне слідове поле від зовнішніх крил, які затінюють їх від робочої повітряної течії. На цій підставі автори вважають недоцільним використання другого ряду крил. 3. "Вузол магнітного підвісу розміщений на візках і складається з брусків спарених постійних магнітів, орієнтованих один до одного різнойменними полюсами і встановлених з зазором d між полюсними гранями, відкритим знизу для симетричного введення напрямної між магнітами так, що частина площі полюсних граней виступає над нею". Для підвищення ККД вітроагрегату необхідно знижувати витрати енергії на тертя. Найпростішим способом зниження є зменшення ваги рухомих вузлів. Але це призводить до зменшення фрикційних сил зв'язку з опорою і до падіння стійкості. Для збереження стійкості зменшення гравітаційного зв'язку кожного блока має компенсуватися зв'язками сил іншої природи. Магнітні зв'язки незамінні в цих пристроях. Але вони мають один великий недолік поступаються механічним зв'язкам в жорсткості. У прототипі цей недолік ігнорується, хоча декларується надійність утримання роторної секції на траєкторії направляючого трека. Однак виконання ротора в системі плаваючих секцій, перекладає у прототипі функцію утримання цілком на магнітні елементи. Використання тільки одного силового зачеплення веде до перевантаження його елементів. Тому в пристрої, що патентується, застосовано комбінований магнітно-механічний спосіб утримання рухомих вузлів на траєкторії. Магнітна система використовується тільки для зняття 2 UA 99663 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 надмірного навантаження на колеса ходового вузла зі збереженням (і навіть збільшення) маси рухомих вузлів. Однак, як сила тиску на напрямну, так і відцентрові сили, що створюють тиск на бічні площини напрямної, компенсуються електродинамічними силами реакції напрямної на дію рухомого магнітного поля. У той же час, будь-які сторонні впливи, які прагнуть перекинути вузол або змістити його з напрямної, парируються реакцією з боку фактичної маси вузла. Великі сили інерції не тільки вирівнюють режим спільного руху візків ротора по напрямній, але і дозволяють скасувати спеціальні вузли стабілізації надмірно полегшеного ротора. Хоча в агрегаті усувається негативний вплив власної ваги ротора на його роботу. Постійні магніти, які використовуються у вузлі підвісу мають велику несучу здатність. Тобто піднімають при взаємодії себе з великою надлишковою силою, яку можна використовувати для полегшення ротора. 4. "Ротором електрогенератора служить магнітна система візків, статором - кільцеподібно розміщений по внутрішньому колу естакади ланцюжок модулів, що складаються з котушок індуктивності з сердечниками, встановлених навпроти магнітів і скомутованих у загальний мережевий контур". Відмінною перевагою даної конструкції генератора є стабільна сталість зазору між магнітами збудження (вони ж - магніти вузла підвісу) і модулями статора. Величина цього зазору не залежить від режимних параметрів агрегату. Крім того, заміна електромагнітів (застосовуваних у прототипі) постійними магнітами помітно знижує непродуктивні витрати енергії в загальному енергетичному балансі агрегату. 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 ВЕУ великої потужності. Критерій "промислове застосування" підтверджується актуальністю проблематики на сучасному етапі розвитку вітроенергетики та його практичною прив'язкою до реальної енергетичної ситуації в Україні. Принцип роботи пристрою, що патентується, ілюструється кресленнями. На фіг. 1 зображена кінематична і магнітна схеми системи візків вітроагрегату великої потужності; на фіг. 2 - естакада з ротором в плані. Моноколійний вітроагрегат (фіг. 1) містить кругову естакаду 1, що спирається на встановлені по колу опорні стійки 2, електрогенератор і вітроротор. На площині естакади закріплена монорейкова напрямна 3, виконана у вигляді металевої балки перевернутого Т-подібного профілю. Площина естакади служить для руху по ній візків 4 вітроротора, візки виконані з можливістю переміщення по заглиблених паралельних кільцевих доріжках 5, виконаних симетрично у площині естакади по обидві сторони від напрямної 3 (фіг. 2). Кожний візок 4 опертий на колісний ходовий вузол 6. Візки пов'язані між собою стрижнями 7 з шарнірними кріпленнями з обох сторін. На ходовому вузлі 6 розміщено магнітний вузол, що складається з брусків спарених постійних магнітів 8, встановлених з зазором d між полюсними гранями, відкритим знизу. Магніти 8 орієнтовані один до одного різнойменними полюсами. Напрямна 3 входить симетрично між магнітами 8 так, що частина площі їх площин виступає над нею. До кожного візка за допомогою консолі 9 прикріплене крило 10 аеродинамічного профілю. Візки 4 забезпечені діамагнітною оболонкою 11 (фіг.2), яка закриває магнітну систему і в лобовій частині виконана у формі обтічника. Таким чином, візки є тілами обтічного профілю. По внутрішньому радіусу естакади розміщений ланцюжок статорних модулів 12 електрогенератора так, що при русі візків 4 магнітне поле від найближчої полюсної грані магнітів, перетинає котушки індуктивності модулів 12. Моноколійний вітроагрегат працює наступним чином. Важкі вітроагрегати типу, який патентується, не мають здатності аеродинамічного самозапуску. Тому розкручування ротора здійснюється одноразово методом переводу електрогенератора в короткочасний режим електродвигуна. Коли тяговий імпульс стане достатнім для підтримки кочення візків 4, генератор переводять у режим вироблення електроенергії. Візки 4 рухаються по кільцевих доріжках 5, у які заглиблені на розмір половини шини колеса 6. При наборі швидкості починає працювати вузол магнітного підвісу, що зменшує тиск візків на естакаду. Левітація візків 4 здійснюється не за механізмом відштовхування з вертикально орієнтованою магнітною віссю елементів вузла як в прототипі, а за рахунок крайкового ефекту при взаємодії електропровідної напрямної 3 зі спареними магнітами 8, спільна магнітна вісь яких горизонтальна. Схема роботи магнітного підвісу пояснюється схемою, наведеною на фіг. 3. Електропровідна напрямна 3, укріплена нерухомо на естакаді 1 та охоплюється по бічних площинах парою пов'язаних магнітів 8. Їх магнітозв'язаність виражається в тому, що вони встановлені симетрично відносно до напрямної 3, а також орієнтовані зустрічно 3 UA 99663 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 протилежними полюсами, внаслідок чого утворюється зазор d, в якому щільність поля максимальна. Магніти мають зсув уверх відносно до напрямної. При цьому верхня частина потоку індукції між ними замикається через повітряний зазор, а нижня - через повітрянометалевий. Цим прийомом здобувається бажана асиметричність поля, що проходить середовища з різним магнітним опором, наслідком якої є крайковий ефект, який виникає при русі система пов'язаних магнітів 8 щодо монорейки 3 зі швидкістю V , спрямованої перпендикулярно до площини креслення. Фізичним наслідком ефекту є поява сили Fп , спрямованої вертикально. У даній схемі, в якій пов'язані магніти 8 не закріплені на естакаді 1, ця сила діє проти сили тяжіння і зменшує вагу вузла. Її значення може бути обчислене з виразу: Fп  2   0  H2    V  b 2  a /  3 , де a - ширина напрямної; b - висота частини напрямної, яка взаємодіє з магнітами; H - напруженість магнітного поля в зазорі; V - швидкість спільного руху магнітів;  0 - магнітна проникність матеріалу напрямної;  - електропровідність матеріалу напрямної. Після підстановки в формулу відповідних значень констант для алюмінію отримаємо, що при проектній швидкості руху V  40 м / с і напруженості поля в зазорі, що дорівнює 4 2 H  10 4 е(b  0,2 м) , підйомна сила дорівнює Fп  2  10 н / м , тобто дві тони на квадратний метр магнітних площин. Таким чином, необхідне для розвантаження кількість магнітних брусків 8 легко розраховується по їх активній площі. Механічне з'єднання магнітів 8, тобто встановлення їх на одній базі (візку 4 вітроротора) за наведеною схемою, створює силовий вузол, який в динаміці самостабілізується, оскільки при зсуві візків з траєкторії порушується горизонтальна симетрія і виникають сили F1 і F2, які прагнуть відновити рівноважну динаміку. Ефект самокорекції траєкторії дає можливість скасувати складну систему моніторингу та корекції повітряного зазору, використовувану в пристрої-прототипі. Збільшення маси ротора агрегату, що патентується, за рахунок використання постійних магнітів 8 невелика в порівнянні з прототипом, тому що для отримання достатньої сили магнітного зачеплення і, що важливо, жорсткості магнітного утримання ротор повинен бути оснащений зубцевими магнітопроводами, які стягують значні потоки магнітної індукції. Їх вага не врахована авторами пристрою-прототипу. У агрегаті, що патентується, не передбачається повна левітація візків, а тільки помітне зниження їхньої ваги за рахунок електродинамічної підйомної сили. При такій тактиці при істотному зменшенні витрат енергії на тертя, зберігається механічний контакт коліс ходових вузлів 6 з поглибленнями колії 5. Таким шляхом виконується загальний встановлений принцип комбінованого використання безконтактних магнітних сил і контактних механічних. З тією перевагою, що механічні взаємодії переводяться в слабоконтактний діапазон, де їх негативні сторони значно погашаються. Ця схема збільшує надійність утримання механічно нежорстко пов'язаної, але напруженої по радіальних напрямках системи візків 4 на проектній траєкторії. А також загальну стійкість агрегату до вітрових поривів із збереженням працездатності. Усувається небезпека завалювання візків при критичному навантаженні. В агрегаті, що патентується, встановлений тільки один ряд статорних модулів 12. Але передбачена і дворядна модифікація генератора. При цьому симетричний ряд модулів може бути встановлений з боку зовнішніх магнітів 8 вузла підвісу. Це не приведе до збільшення ваги рухомих вузлів, але збільшить ефективність використання поля системи постійних магнітів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Моноколійний вітроагрегат, що містить кругову опору, яка спирається на встановлені по колу опорні стійки, вітроротор, вузол магнітного підвісу та електрогенератор, який відрізняється тим, що кругова опора виконана у вигляді естакади, вітроротор функціонально поєднаний з ротором електрогенератора і складається з системи візків, які спираються на 4-колісний ходовий вузол і пов'язані між собою стрижнями з шарнірними кріпленнями з обох сторін, до кожного візка за допомогою консолі прикріплено вертикальне крило аеродинамічного профілю, на площині естакади встановлена моноколійна напрямна, виконана у вигляді діамагнітної металевої балки перевернутого Т-подібного профілю, візки виконані з можливістю переміщення по заглиблених паралельних кільцевих доріжках, виконаним симетрично у площині естакади по 4 UA 99663 C2 5 обидві сторони від напрямної, вузол магнітного підвісу розміщений на візках і складається з брусків спарених постійних магнітів, орієнтованих один до одного різнойменними полюсами і встановлених із зазором d між полюсними гранями, зазор відкритий знизу для симетричного введення напрямної між магнітами так, що частина площі полюсних граней виступає над нею, ротором електрогенератора служать візки, статором служить кільцеподібно розміщений по внутрішньому колу естакади ланцюжок модулів, що складаються з котушок індуктивності з сердечниками, встановлених навпроти магнітів і скомутованих у загальний мережевий контур. 5 UA 99663 C2 6 UA 99663 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 7