консольный ветроагрегат

Формула изобретения

Консольный ветроагрегат, содержащий наклонный к горизонтальной плоскости шнековый ротор, который состоит из ступицы и закрепленных на ней винтовых лопастей и установлен на верхнюю подшипниковую опору, смонтированную на мачте с возможностью поворота вокруг ее оси, отличающийся тем, что верхняя подшипниковая опора шарнирно прикреплена к узлу поворота, позволяя шнековому ротору изменять угол наклона, и связана с ним демпфирующим устройством посредством шарниров.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветророторам, преобразующим энергию ветра во вращение ротора.

Известен ветроагрегат, включающий наклонный к горизонтальной плоскости шнековый ротор, который состоит из ступицы и закрепленных на ней винтовых лопастей и установленный на верхнюю подшипниковую опору, смонтированную на мачте с возможностью поворота вокруг мачты, и на нижнюю опору. Ориентация ветроагрегата на ветер осуществляется автоматически поворотором ротора вокруг мачты.

Недостатками такой конструкции являются следующие: с увеличением скорости ветра увеличиваются изгибающие нагрузки на шнековый ротор, поэтому конструкция ротора должна быть рассчитана на ураганные ветры, что ведет к ее утяжелению. Кроме того, с увеличением скорости ветра растет число оборотов, поэтому при достижении ураганных ветров необходимо выполнять дополнительные мероприятия с целью снижения числа оборотов или использовать избыточную мощность, либо останавливать вращение ротора. Это приводит к усложнению ветроагрегата и его обслуживания. Дополнительные мероприятия приводят также к тому, что при ураганных скоростях энергия ветра не используется.

Технической задачей, решаемой изобретением, является облегчение конструкции шнекового ротора, упрощение ветроагрегата и повышение эффективности использования энергии ветра при его больших скоростях.

Для решения технической задачи в консольном ветроагрегате, содержащем наклонный к горизонтальной плоскости шнековый ротор, который состоит из ступицы и закрепленных на ней винтовых лопастей и установленный на верхнюю подшипниковую опору, смонтированную на мачте с возможностью поворота вокруг ее оси, верхняя подшипниковая опора шарнирно прикреплена к узлу поворота, позволяя ротору изменять угол наклона, и связана с ним демпфирующим устройством шарниров.

На фиг. 1 схематически представлен консольный ветроагрегат с положениями шнекового ротора: I - при штиле и малых скоростях ветра; II - при ураганном ветре.

Консольный ветроагрегат содержит наклонный к горизонтальной поверхности шнековый ротор 1, который состоит из ступицы 2 и закрепленных на ней винтовых лопастей 3. Ротор консольно закреплен в верхней опоре 4, в которой он свободно вращается на подшипниках. Верхняя подшипниковая опора 4 прикреплена к узлу поворота 5 посредством шарнира 6, который позволяет шнековому ротору 1 изменять угол наклона к горизонту под воздействием ветра V. Дополнительно подшипниковая опора 4 связана демпфирующим устройством 7 с узлом поворота 5 с помощью шарниров 8 и 9. Демпфирующее устройство позволяет шнековому ротору плавно изменять угол наклона ротора 1 под воздействием ветра и может быть выполнено в виде поршня 10 в цилиндре 11 с жидкостью или газом. При движении поршня 10 по каналу 12 происходит переток среды из одной полости цилиндра в другую. Каналы могут быть выполнены в поршне 10. Демпфирующее устройство уменьшает скорость изменения угла наклона ротора.

Узел поворота 5 смонтирован на мачте 13, которая удерживается в вертикальном положении четырьмя растяжками 14. Вращение от ротора 1 через муфту 15 и редуктор 16 передается электрогенератору 17. При штиле и малой скорости ветра V_I шнековый ротор занимает положение I, а при большой скорости V_II - положение II.

Консольный ветроагрегат работает следующим образом. При направлении ветра V поток обтекает мачту 13 и воздействует на шнековый ротор 1, установленный наклонно под углом к горизонтальной плоскости. Давление ветра больше воздействует на участки лопастей, расположенные с одной стороны от оси ротора, и он начинает вращаться в подшипниковой опоре 4. Через муфту 15 и редуктор 16 ветроротор 1 приводит во вращение электрогенератор 17 и последний вырабатывает электроэнергию.

При смене направления ветра на ротор 1 начинает действовать составляющая силы давления, нормальная к плоскости, образованной осью ротора 1 и осью узла поворота 5 (т.е. к плоскости чертежа). Под воздействием силы ротор 1 совместно со всеми элементами конструкции 4, 6 - 12 поворачивается в узле поворота 5 вокруг оси мачты до тех пор, пока это плоскость не будет направлена на ветер.

Аэродинамическая сила, действующая на шнековый ротор, может быть записана в виде

F= C0,5V²0,25D²L_psin, (1)

где C - аэродинамический коэффициент;

, V - плотность воздуха и скорость ветра;

D, L_p - диаметр и длина ротора.

Направление силы F мало отличается от направления ветра, поэтому можно записать

K, где K 1 (2)

Аэродинамическая сила относительно оси шарнира 6 создает момент сил

M= Fl₁sin 0,125Ckv²D²L_pl₁sin² (3)

При малых скоростях ветра V_гэ момент M меньше момента сил, создаваемого весом ротора G

M_G= Gl₁cos, (4),

т. е. M < M_G (моментом сил веса других элементов конструкции по сравнению с весом ротора пренебрегают). Поэтому ротор будет находиться в крайнем нижнем положении, а поршень 10 демпфирующего устройства 7 будет в крайнем верхнем положении и противодействует компенсирующим моментом

M_R= M_G-M, (5),

который создает силу реакции на демпфирующем устройстве

R = M_R/l₂, (6)

При отсутствии ветра момент аэродинамических сил равен нулю ((M= 0)) и компенсирующий момент будет равен создаваемому весом ротора моменту (M_R=M_G), т. е. он будет наибольшим. Поэтому при штиле конструкция ротора будет иметь наибольшие изгибающие моменты. С увеличением скорости ветра аэродинамическая сила F растет и согласно (3) увеличивается момент M и при некоторой скорости ветра V_o он становится равным моменту силы веса ротора M_G, в соответствии с (5) результирующий момент N_R = 0 и реакция демпфирующего устройства R = 0. В этом случае на ротор не действуют изгибающие моменты, он находится во взвешенном состоянии, как бы в невесомости: распределенная по длине ротора весовая нагрузка уравновешивается распределенной аэродинамической поддерживающей силой. С дальнейшим увеличением скорости ветра V > V_o момент аэродинамических сил M начнет превышать момент сил веса M_G и ротор начнет поворачиваться относительно оси шарнира 6, т.е. угол уменьшится. Уменьшится также угол . Поэтому произойдет изменение моментов согласно (3) и (4): M_G возрастет, а M упадет и при некотором новом угле ₁ снова наступит их равновесие. Поэтому ротор при всех скоростях ветра V > V_o будет находиться во взвешенном состоянии. Изгибающие моменты на него будут действовать только за счет инерционных сил во время изменения величины скорости ветра. Поэтому демпфирующее устройство 7 проектируется таким образом, чтобы угловое ускорение подъема или опускания ротора при изменении величины скорости ветра приводило к инерционным нагрузкам, которые будут создавать изгибающий момент, меньший, чем создает сила веса при штиле. Это обеспечивается выбором площади поршня и сечения каналов для перетока среды из одной полости цилиндра в другую.

С дальнейшим увеличением скорости ветра угол наклона ротора будут уменьшаться и при ураганной скорости ветра V_II ротор займет почти горизонтальное положение II. В этом положении, как и во всех предыдущих, ротор не будет испытывать изгибающих напряжений. Поэтому его конструкция не должна рассчитываться на ураганные ветры, вследствие чего консольно опирающийся ротор значительно легче ротора, опирающегося на две опоры. С уменьшением угла наклона консольного ротора при возрастании скорости ветра в меньшей мере растет крутящий момент и число оборотов ротора. Подбором параметров ротора, демпфирующего устройства и нагрузки можно даже обеспечить стабилизацию числа оборотов при достижении определенной скорости ветра. Поэтому здесь не требуются дополнительные мероприятия по ограничению числа оборотов при ураганных ветрах. Вследствие этого конструкция консольного ветроагрегата и его обслуживание упрощаются. Эти свойства позволяют использовать энергию ветра и при больших скоростях, вследствие чего повышается энергетическая эффективность консольного ветроагрегата.

Итак, при изменении направления ветра шнековый ротор поворачивается в узле поворота 5 относительно вертикальной оси и ориентируется по ветру. При изменении величины скорости ротор поворачивается в шарнире 6 относительно горизонтальной оси. С увеличением скорости ветра наклон ротора к горизонту уменьшается, уменьшаются изгибающие нагрузки на него и стабилизируется число оборотов.

Были проведены эксперименты при консольном расположении шнековых роторов диаметром 100 мм, 200 мм и 500 мм. Роторы вращались устойчиво при M< M_G и во взвешенном состоянии, когда M= M_G. Отрицательных явлений, вызванных консольным расположением ротора, не наблюдалось. Консольные ветроагрегаты целесообразно использовать на мощности от 1 кВт до нескольких десятков кВт.