энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков

Формула изобретения

1. Энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков, содержащая, по меньшей мере, две установленные друг над другом с возможностью вращения в противоположные стороны лопастные турбины с вертикальной осью вращения, электрогенератор и систему крепления к опорной конструкции, отличающаяся тем, что опорная конструкция состоит из неподвижного горизонтального опорного основания, расположенного между вращающимися турбинами и в поперечном сечении выполненного в виде правильного многоугольника и соединенной с ним вертикальной опоры, образованной линейчатой трубчатой фермой, соединенной с опорным основанием в узлах пересечения внутренних элементов жесткости так, что максимальный линейный размер поперечного сечения фермы опорной конструкции вдвое меньше максимального линейного размера поперечного сечения горизонтального опорного основания, первичная часть электрогенератора выполнена в виде безреакционного индуктора с двухсторонней активной зоной и магнитным полем, замыкаемым неподвижными магнитопроводящими пластинами, расположенными по разные стороны индуктора параллельно роторам электрогенератора с образованием фиксированного зазора для колец короткозамкнутых роторов из проводящего материала, связанных с турбинами, активные зоны имеют противоположно направленные поля, бегущие в противоположных направлениях с одинаковой скоростью, определяемой расстоянием между фазами обмоток и регулируемой частотой тока в обмотках, индуктор имеет единую трехфазную обмотку, общую для обеих активных зон, индуктор оборудован консолями, размещенными по торцам индуктора, свободные концы консолей подрессорены и снабжены шарнирами с ограничителями, консоли индукторов соединены через шарниры и ограничители с опорным основанием и через него с линейчатой трубчатой фермой опорной конструкции энергоустановки, ось шарниров консолей направлена параллельно продольной оси индуктора и расположена на внутренней или наружной стороне индуктора на консолях, на одной или на обеих сторонах индуктора расположены дистанционные ролики соосно с поперечной осью индуктора, ролики имеют калиброванный диаметр и находятся в постоянном контакте с гладкой кольцевой полосой из твердого материала, поверхность качения роликов одновременно находится в контакте с поверхностями вторичной части электрогенератора, обеспечивая фиксированный зазор между короткозамкнутыми роторами и индуктором, на консолях расположены опоры, воспринимающие радиальную нагрузку на турбины, опоры включают камеры воздушной или водяной подушки и подрессоренные ролики с вертикальной осью и ограничителями смещения, воспринимающими избыточную нагрузку, некомпенсируемую воздушной или водяной подушкой, внутри опор или рядом расположены системы механического торможения с приводом от потока воздуха или воды, подаваемой в воздушную (водяную) подушку и переключаемой на торможение путем поворота соответствующего клапана.

2. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что горизонтальные опоры расположены у обеих колец турбин, объединяющих лопасти.

3. Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что на центрирующие кольца за пределами опорных систем энергоустановки натянута система тонких высокопрочных струн с обеспечением круговой формы колец турбин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в ветроэнергетических или в гидроэнергетических установках, которые превращают энергию атмосферных и водных течений в электрическую.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ортогональный энергоагрегат, имеющий центральную ось, на которой смонтирована кольцевая конструкция с лопастями, линейный генератор, выполненный из первичной и вторичной частей, элемент поддержания зазора между первичной и вторичной частями линейного генератора, выполненный в виде ролика (см. авторское свидетельство SU № 1768797, кл. F03D 3/06, 15.10.1992).

В данной энергоустановке вторичный элемент энергоагрегата закреплен на кольцевой конструкции, а первичная часть установлена неподвижно и смонтирована на стойках, размещенных по диаметру кольца. Однако данное выполнение энергоустановки приводит к повышенным реакционным нагрузкам на стойки, так как на них смонтированы неподвижные первичные части линейного электрогенератора, что может явиться причиной выхода из строя энергоустановки. Поэтому элементы конструкции энергоустановки рассчитывают на режимы работы со значительным запасом прочности, что приводит к значительной материалоемкости конструкции.

Использование стоек, размещенных по внешнему диаметру кольца, приводит к экранированию части течений в нижней части энергоустановки, действуя на лопасти разновеликих сил в верхней и нижней ее частях, которые отрицательно влияют на работу агрегата и его надежность.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных потоков, содержащая, по меньшей мере, две установленные друг над другом с возможностью вращения в противоположные стороны лопастные турбины с вертикальной осью вращения, электрогенератор и систему крепления к опорной конструкции, при этом первичная и вторичная части линейного электрогенератора размещены в объеме между лопастными турбинами, а элемент поддержания зазора между первичной и вторичной частями линейного электрогенератора выполнен в виде подшипников скольжения (см. патент RU № 2242634, кл. F03B 13/00, 20.12.2004).

В этой энергоустановке значительно уменьшены реакционные нагрузки за счет вращения лопастных турбин с вертикальной осью вращения в разных направлениях, но полностью их скомпенсировать невозможно вследствие наличия разных масс верхней и нижней платформ, разных сил сопротивления их движению. Кроме того, наличие токоприемников значительно снижает надежность энергоустановки. Радиальные усилия от лопастей передаются на центральный пилон с помощью подвесных систем, которые оказывают аэродинамическое сопротивление потоку и уменьшают энергетическую эффективность энергоустановки. Кроме того, силы магнитной индукции, действующие между подвижными индуктором и ротором, должны восприниматься системами подвеса и контроля зазора, что увеличивает потери энергии, возникающие в опорах вследствие дополнительных нагрузок.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является снижение аэро- или гидросопротивления энергоустановки и уменьшение потерь энергии в опорах энергоустановки.

Технический результат заключается в том, что достигается повышение надежности и эффективности энергоустановки.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков содержит, по меньшей мере, две установленные друг над другом с возможностью вращения в противоположные стороны лопастные турбины с вертикальной осью вращения, электрогенератор и систему крепления к опорной конструкции, при этом опорная конструкция состоит из неподвижного горизонтального опорного основания, расположенного между вращающимися турбинами и в поперечном сечении выполненного в виде правильного многоугольника, и соединенной с ним вертикальной опоры, образованной линейчатой трубчатой фермой, соединенной с опорным основанием в узлах пересечения внутренних элементов жесткости так, что максимальный линейный размер поперечного сечения фермы опорной конструкции вдвое меньше максимального линейного размера поперечного сечения горизонтального опорного основания, первичная часть электрогенератора выполнена в виде безреакционного индуктора с двухсторонней активной зоной и магнитным полем, замыкаемым неподвижными магнитопроводящими пластинами, расположенными по разные стороны индуктора параллельно роторам электрогенератора с образованием фиксированного зазора для колец короткозамкнутых роторов из проводящего материала, связанных с турбинами, активные зоны имеют противоположно направленные поля, бегущие в противоположных направлениях с одинаковой скоростью, определяемой расстоянием между фазами обмоток и регулируемой частотой тока в обмотках, индуктор имеет единую трехфазную обмотку, общую для обеих активных зон, индуктор оборудован консолями, размещенными по торцам индуктора, свободные концы консолей подрессорены и снабжены шарнирами с ограничителями, консоли индукторов соединены через шарниры и ограничители с опорным основанием и через него с линейчатой трубчатой фермой опорной конструкции энергоустановки, ось шарниров консолей направлена параллельно продольной оси индуктора и расположена на внутренней или наружной стороне индуктора на консолях, на одной или на обеих сторонах индуктора расположены дистанционные ролики соосно с поперечной осью индуктора, ролики имеют калиброванный диаметр и находятся в постоянном контакте с гладкой кольцевой полосой из твердого материала, поверхность качения роликов одновременно находится в контакте с поверхностями вторичной части электрогенератора, обеспечивая фиксированный зазор между короткозамкнутыми роторами и индуктором, на консолях расположены опоры, воспринимающие радиальную нагрузку на турбины, опоры включают камеры воздушной или водяной подушки и подрессоренные ролики с вертикальной осью и ограничителями смещения, воспринимающими избыточную нагрузку, не компенсируемую воздушной или водяной подушкой, внутри опор или рядом расположены системы механического торможения с приводом от потока воздуха или воды, подаваемой в воздушную (водяную) подушку и переключаемой на торможение путем поворота соответствующего клапана.

Горизонтальные опоры предпочтительно расположены у обоих колец турбин, объединяющих лопасти, а на центрирующие кольца за пределами опорных систем энергоустановки натянута система тонких высокопрочных струн с обеспечением круговой формы колец турбин.

На фиг.1 схематично представлены лопастные турбины с расположенным между ними электрогенератором.

На фиг.2 схематично представлен вид сверху на горизонтальное опорное основание.

На фиг.3 схематично представлен вид сбоку на опорную конструкцию энергоустановки.

На фиг.4 схематично представлен разрез электрогенератора энергоустановки.

На фиг.5 схематично представлена камера для формирования воздушной или водяной подушки.

Энергоустановка для преобразования энергии течения воздушных или водных потоков содержит, по меньшей мере, две установленные друг над другом с возможностью вращения в противоположные стороны лопастные турбины 1 и 2 с вертикальной осью вращения, электрогенератор и систему крепления к опорной конструкции 5. Опорная конструкция 5 состоит из неподвижного горизонтального опорного основания 6, расположенного между вращающимися турбинами 1 и 2 и в поперечном сечении выполненного в виде правильного многоугольника, и соединенной с ним вертикальной опоры 7, образованной линейчатой трубчатой фермой, соединенной с опорным основанием в узлах пересечения внутренних элементов жесткости 8 так, что максимальный линейный размер поперечного сечения фермы опорной конструкции 5 вдвое меньше максимального линейного размера поперечного сечения горизонтального опорного основания 6. Первичная часть электрогенератора выполнена в виде безреакционного индуктора 9 с двухсторонней активной зоной и магнитным полем, замыкаемым неподвижными магнитопроводящими пластинами 10, расположенными по разные стороны индуктора 9 параллельно роторам 11 и 12 электрогенератора с образованием фиксированного зазора для колец короткозамкнутых роторов 11 и 12 из проводящего материала, связанных с турбинами 1 и 2. Активные зоны имеют противоположно направленные поля, бегущие в противоположных направлениях с одинаковой скоростью, определяемой расстоянием между фазами обмоток индуктора 9 и регулируемой частотой тока в обмотках. Индуктор 9 имеет единую трехфазную обмотку, общую для обеих активных зон. Индуктор 9 оборудован консолями 13, размещенными по торцам индуктора 9, свободные концы консолей 13 подрессорены и снабжены шарнирами 14 с ограничителями, причем консоли 13 индукторов 9 соединены через шарниры 14 и ограничители с опорным основанием 6 и через него с линейчатой трубчатой фермой опорной конструкции 5 энергоустановки. Ось шарниров 14 консолей 13 направлена параллельно, продольной оси индуктора 9 и расположена на внутренней или наружной стороне индуктора 9 на консолях 13. На одной или на обеих сторонах индуктора 9 расположены дистанционные ролики 15 соосно с поперечной осью индуктора 9, ролики 15 имеют калиброванный диаметр и находятся в постоянном контакте с гладкой кольцевой полосой из твердого материала. Поверхность качения роликов 15 одновременно находится в контакте с поверхностями вторичной части электрогенератора, обеспечивая фиксированный зазор между короткозамкнутыми роторами 11 и 12 и индуктором 9. На консолях 13 расположены опоры 16, воспринимающие радиальную нагрузку на турбины 1 и 2. Опоры 16 включают камеры 17 воздушной или водяной подушки и подрессоренные ролики 18 с вертикальной осью и ограничителями 19 смещения, воспринимающими избыточную нагрузку, не компенсируемую воздушной или водяной подушкой. Внутри опор 16 или рядом расположены системы механического торможения с приводом от потока воздуха или воды, подаваемой в воздушную (водяную) подушку, и переключаемой на торможение путем поворота соответствующего клапана (не показан на чертеже).

Горизонтальные опоры 20 и 21 предпочтительно расположены у обоих колец 22 и 23 соответственно турбин 1 и 2, объединяющих соответственно лопасти 24 и 25, а на центрирующие кольца 26 за пределами опорных систем энергоустановки натянута система тонких высокопрочных струн 27, например, выполненных из тросов с обеспечением круговой формы колец 22 и 23 турбин 1 и 2.

Лопасти 24 и 25 турбин 1 и 2 по концам объединены кольцами 22 и 23, причем кольца, обращенные к неподвижному горизонтальному опорному основанию 6, состоят из опорной полосы из гладкого износостойкого материала, например стали, и кольцевой полосы из высокопроводящего материала, например алюминия или меди, выполняющей функции короткозамкнутого ротора 11 и 12 асинхронного электрогенератора 4.

Индукторы 9 электрогенератора предпочтительно расположены в вершинах огибающего (сопряженного) многоугольника, в форме которого выполнено горизонтальное опорное основание 6 опорной конструкции 5, и состоят из неподвижного основного магнитопровода с двухсторонней активной зоной и системы трехфазных обмоток, формирующих магнитное поле, бегущее в противоположных направлениях по разные стороны индуктора 9, обращенные к разным турбинам 1 и 2. Магнитное поле индукторов замыкается неподвижными магнитопроводящими пластинами 10 на фиксирующих опорах из немагнитного материала, что позволяет предотвратить шунтирование магнитного поля. Эти опоры обеспечивают постоянный, фиксированный зазор между пластиной и основным магнитопроводом. Индукторы 9 по торцам оборудованы консолями 13, несущими ролики 15, оси которых перпендикулярны индукторам 9, а диаметры точно соответствуют расчетному расстоянию между кольцами из износостойкого материала и жестко зафиксированных на них кольцами из электропроводящего материала с низким электрическим сопротивлением. На этих же консолях расположены камеры гидро- или аэростатической разгрузки опор (гидро- или пневмоопорные подушки) с подрессоренными роликами 18, воспринимающими избыточную нагрузку, что позволяет ограничить возможные перемещения колец 22 и 23, несущих лопасти 24 и 25. Там же могут быть расположены системы пневматического или гидроторможения турбин (не показаны) с приводом от общей системы подачи рабочей среды в воздушные или водяные подушки.

Свободные концы консолей 13 выполнены из немагнитного материала и соединены с вершинами неподвижного огибающего многоугольного опорного основания 6 подрессоренными шарнирами 14, которые позволяют ограничить движение индуктора 9 и связанной с ним опорно-тормозной системы в направлении действия силы тяжести.

Оси шарниров 14 направлены параллельно оси индуктора 9 и перпендикулярно оси роликов 15, которые непрерывно катятся по кольцам из износостойкого материала.

Компенсация боковой нагрузки устроена следующим образом.

На всех опорах подпружиненные ролики 18 постоянно находятся в контакте с кольцом 22 или 23 (катятся по кольцу), оказывая на него минимальное воздействие. При воздействии на ролик 18 нагрузки, большей начального (прижимного) значения, включается подача воздуха (или воды) в подушку, разгружая ролик 18. Если воздействие воздуха (воды) оказывается недостаточным, пружина, поддерживающая ролик 18, сжимается до упора, а ролик 18 воспринимает всю избыточную нагрузку, которую не смогла удержать воздушная (водяная) подушка. Таким образом достигается разгрузка и уменьшение общих потерь энергии на трение при уменьшении износа роликов 18.

В системе опор 16 установлена тормозная пара с колодками (не показано на чертеже), охватывающими кольца 22 и 23. Привод этой тормозной пары осуществляется от общей системы воздухо/водоподачи с помощью клапана (не показан на чертеже), прекращающего доступ воздуха (воды) в основную емкость подушки и переключающего этот воздух в систему торможения (не показан).

При использовании энергоустановки последнюю устанавливают на опорной конструкции 5 в выбранном месте. Воздействие потоков воздуха, например ветра, на лопасти 24 и 25 турбин 1 и 2 вызывает их вращение. Это вращение передается роторам 11 и 12. В результате вращения роторов 11 и 12 относительно безреакционного индуктора 9 электрогенератор 4 вырабатывает электрическую энергию, которая по кабелю (не показан на чертеже) передается от электрогенератора 4 потребителю.

Настоящее изобретение может быть использовано для создания экологически чистых энергоустановок в местах, где преобладает ветреная погода, например в прибрежных районах морей и океанов.