Энергоустановка с активным методом обработки ветра на основе эффекта магнуса
Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам с использованием эффекта Магнуса. Энергоустановка содержит ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде роторов, обтекатель-корпус из вращающейся и неподвижной частей, приводы для вращения роторов, электродвигатель привода роторов и электрогенератор. Установка также содержит аэродинамическое кольцо либо его части, соединенные по окружности между ними дюралевыми трубками со встроенными антивибраторами, носовой обтекатель, выполненный конусообразной формы или выполненный, как одно целое с передней вращающейся частью обтекателя-корпуса, с длиной не менее 1/3 от ее длины, датчики скорости и направления ветра, вынесенные на нос установки, а также камеру балансировки установки, расположенную в задней части обтекателя-корпуса. Число роторов в энергоустановке составляет от 2 до 6, приводы снабжены коническим редуктором, а неподвижная часть обтекателя-корпуса агрегатного отсека составляет не менее 2/3 от всей его длины. Электродвигатель привода роторов дополнительно может содержать или быть выполнен со встроенным планетарным редуктором. Энергоустановка может дополнительно содержать профилированные растяжки, установленные между концами роторов, и быть оснащена устройством поглощения возможных вибраций под действием растяжек. Конструкция установки обеспечивает более полное использование энергии набегающего потока, повышение КПД, а также надежна в эксплуатации. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область применения
Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструированию ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения с использованием эффекта Магнуса.
Уровень техники
Известны ВЭУ с горизонтальной осью вращения с радиальными лопастями в виде принудительно вращаемых цилиндров (роторов Магнуса // пат. СССР 10198, F03D 7/02, 1927; пат. США 4366386, F03В 5/00, F30D 7/06, 1982; заявка ФРГ 3246694, F03D 5/00, 1984; a.c. 1677366, F03D 1/02, СССР, 1991 и др.). Основные недостатки этих ВЭУ - достаточно сложные приводы для вращения цилиндров, что удорожает изготовление и снижает надежность работы установки, а также невозможность практического применения их в водной среде на течении и в переносном виде.
Известно устройство по патенту GB 248471 от 05.12.1924. Недостатком данного устройства следует считать отсутствие указаний на тип привода роторов от мотора, который выполнен по низкоэффективной червячной передаче крутящего момента, через полую громоздкую станину на конический редуктор. Такой принцип привода роторов приводит к возникновению обратной реакции ветроколеса, которая будет стремиться некоторое время, особенно на начальном этапе раскрутки, следовать за основным валом установки. Эта же сила будет присутствовать постоянно как вредная, забирающая часть энергии раскрутки на себя. При этом в устройстве не указаны принципы отбора крутящего момента.
Известно устройство по патенту DE 3800070 A1 от 13.07.1989. Недостатком данного типа установки, работающей на принципе раскрутки роторов от встроенного спирального ускорителя, поток которого высвобождается через выпускные окна на концах цилиндров, следует считать то обстоятельство, что мощность установки такого типа будет достаточно низкой, т.к. раскрутка роторов от энергии ветра малоэффективна.
Известно устройство по патенту UA 63018 C2 от 15.01.2004. Недостатком является то, что для раскрутки роторов ветроколеса промышленного типа, когда необходимо достижение большого крутящего момента, данное устройство не эффективно, т.к., во-первых, автоматически возрастает громоздкость подобных конструкций при увеличении размеров ветроустановки, во-вторых, возникает вредная парусность, которая недопустима при шквалистых ветрах. Такие установки при ураганных ветрах становятся огромным парусом и их конструкция может не выдержать напора воздуха. Кроме того, значительное усложнение конструкции приведет к повышению материалоемкости и цене всей установки. Чем больше деталей в конструкции, тем больше ее сложность и вероятность отказов. Установки такого типа пригодны только в качестве маломощных ветрогенераторов.
Известно устройство по патенту DE 3501807 A1 от 24.07.1986. Недостатком данного типа устройства является то, что сам способ раскрутки роторов в плане работоспособности находится под большим сомнением, т.к. есть некоторые противоречия в использовании эффекта Магнуса в данной конструкции.
Известно устройство по патенту AU 573400. Недостатком данного типа устройства следует считать то, что привод раскрутки роторов приводит во вращение и саму установку. У установки нет силовых элементов, предотвращающих вибрацию роторов. Приведены некоторые варианты раскрутки роторов, однако не предложена конкретная схема. К близкому аналогу следует отнести устройство по патенту US 4366386 от 28.12.1982. Недостатком данного типа устройства является максимальное усложнение конструкции при помощи огромного количества дифференциалов и систем шестеренок. В заявляемом изобретении этот момент обойден одним простым решением: электропривод роторов установлен непосредственно на редукторе самих роторов, максимально быстро и без потери энергии передавая крутящий момент.
К недостаткам всех вышеупомянутых аналогов следует отнести тот факт, что ни один из авторов данных патентов не выразил основную теоретическую сущность эффекта Магнуса, а именно то, что в его принципе скрыта очень неприметная деталь: взаимосвязь (по закону Бернулли) между статическим и динамическим давлениями на поверхности роторов. С помощью скоростного напора (ρv2/2) в заявленном изобретении происходит управление изменением «оболочки» - давления воздуха на ротор, то есть статической структуры.
В качестве одной из проблем всех видов ветроустановок является стабильность напряжения на выходе из генератора, которая сильно зависит от порывов набегающего потока. Ее необходимо доводить минимум до 80% стабилизации. В известных аналогах данная проблема совершенно не описана. В заявляемой установке применен принцип совмещения механической и электронной стабилизации (назовем его «центробежно-электронный метод»), применение которого позволяет контролировать и упреждать нежелательное повышение или понижение напряжения на выходе из генератора.
Технический результат
В заявляемом изобретении устранены несколько существенных недостатков, свойственных аналогам: устранены вредные силы реакции при раскрутке роторов путем совмещения электрического привода раскрутки роторов непосредственно с редуктором самих роторов и, самое главное, практическим путем выведена оптимальная форма поверхности роторов, увеличивающая эффект Магнуса в несколько раз (смотрите прилагаемую схему). Практика показала, что наибольшим КПД будут обладать ветроколеса медленного вращения, которые будут максимально загружены через редуктор. То есть энергия набегающего потока будет использована наиболее полно. Каждый ротор ветроустановки подобного типа подвержен воздействию силы в двух направлениях: поперечном, за счет действия потока воздуха, и продольном, за счет момента, который создает сам ротор в процессе раскрутки. В заявляемой конструкции эти моменты сбалансированы за счет внедрения продольно-поперечного усиления, выраженной в установке аэродинамического кольца и продольных растяжек, связанных с концами роторов. В таком виде роторы находятся в замкнутом контуре нагрузок, что исключает их поломку или вредную вибрацию.
К достоинствам заявляемого устройства следует также отнести то, что сама «лопасть» в виде вращающегося (сложной формы) цилиндра, а их может быть до 6 изделий, в сумме самого крутящего момента может достигать огромного значения, а значит и приводить (в нашем случае) электрогенераторы промышленных мощностей. Другое положительное качество - это высокая степень стабилизации напряжения с упреждением порывов ветра, а также способности достаточной энергоотдачи даже при очень слабом ветре, которая достигается за счет изменения скорости вращения самих цилиндров-роторов. Теоретическое исследование и натуральные (практические) испытания в естественной среде (вплоть до продувки в аэродинамической трубе) показали наиболее рациональный вид конструкции ветропривода (он же и гидропривод).
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано устройство энергоустановки (сбоку и спереди), где 1 - «ротор-цилиндр» (лопасть) - от 3 шт. и более, 2 - электрогенератор - возможна установка нескольких изделий со специальными соединениями между ними, 3 - редуктор электрогенератора - одно изделие (возможно по подобию авто КПП), 4 - конический редуктор привода роторов замкнутой схемы Мкр (Мкр - это крутящий момент в математической форме), 5 - электродвигатель привода роторов и/или со встроенным планетарным редуктором, 6 - неподвижная часть обтекателя - корпуса агрегатного отсека (≈2/3 всего корпуса), 7 - аэродинамическое кольцо или кольцо, состоящее из частей его окружности, соединенное между участками дюралевыми трубками со встроенными антивибраторами (аэродинамический антивибратор), 8 - выносные датчики скорости и направления ветра, 9 - поворотная платформа с исполнителями команд разворота установки против ветра; узел токосъемника и силовой шкаф передачи электроэнергии вниз к подстанции, 10 - соединительные трубки или профиля со встроенными антивибраторами, 11 - носовой обтекатель специальной формы (может быть выполнен как одно целое с передней (≈1/3 всей длины) частью вращающегося обтекателя), 12 - несущая (опорная) мачта энергоустановки, 13 - камара (зона) балансировки установки, 14 - силовые, телеметрические и т.д. шкафы, 15 - аэродинамические законцовки (диски) роторов, 16 - профилированные растяжки, установленные между концами роторов, 17 - основной силовой вал, соединяющий ветроколесо с генератором (через редуктор), 18 - силовой каркас (платформа) всей энергоустановки.
В установке используются также (но не показаны на чертеже): муфта сцепления «редуктор - генератор», тормоз основного вала, антиобледенитель, лифт и вспомогательные площадки по техническому обслуживанию установки (либо лестница - для энергоустановок малых и средних мощностей), крепеж мачты на грунт или дно водной поверхности, передняя часть обтекателя имеет силовой скелет, в особенности, когда применяются растяжки (вперед и назад, помимо самого аэродинамического кольца) к каждому из роторов вращения, разрез между частями корпуса обтекателя.
На фиг.2 показан принцип образования воздушных потоков при работе установки.
На фиг.3 показана условная струйка, объясняющая принцип распределения скорости и давления воздуха в зависимости от входного и выходного сечения струи.
Достижение результата
Данный результат достигается за счет того, что энергоустановка с активным методом обработки ветра на основе эффекта Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде роторов, обтекатель-корпус из вращающейся и неподвижной частей, приводы для вращения роторов, электродвигатель привода роторов и электрогенератор, содержит аэродинамическое кольцо, либо его части, соединенные по окружности между ними дюралевыми трубками со встроенными антивибраторами, носовой обтекатель, выполненный конусообразной формы, или выполненный как одно целое с передней вращающейся частью обтекателя-корпуса, с 4 длиной не менее 1/3 от ее длины, датчики скорости и направления ветра, вынесенные на нос установки, а также камеру балансировки установки, расположенную в задней части обтекателя-корпуса, причем число роторов в энергоустановке составляет от 2 до 6, приводы снабжены коническим редуктором, а неподвижная часть обтекателя-корпуса агрегатного отсека составляет не менее 2/3 от всей его длины.
Электродвигатель привода роторов дополнительно может содержать или быть выполненным со встроенным планетарным редуктором.
Энергоустановка дополнительно может содержать профилированные растяжки, установленные между концами роторов, при этом энергоустановка оснащена устройством поглощения возможных вибраций под действием растяжек.
Сущность устройства
Ветроустановка (см. фиг.1) состоит из трех основных частей: самого ветроколеса роторно-цилиндрической формы, обтекателя-корпуса с его силовой начинкой и мачты, в состав которой входит и вспомогательное оборудование.
Основным элементом энергоустановки является ротор-цилиндр (1) сложной формы. Их количество на установке может быть не более шести. Количество роторов ограничивается их взаимовлиянием и размерами и достигать может шести единиц.
Каждый ротор (1) крепится на оси вращения, исходящей от редуктора (4) с шестернями конического типа. Само крепление роторов к осям вращения, как и многая доля компонующих деталей и механизмов, на эскизе энергоустановки не показана.
Сам ротор (1) выполнен из композиционных материалов, внутри которого сквозь два (внешний и внутренний) силовых и несколько дополнительных шпангоутов пропущена трубчатая центровочная ось. В концах оси ротора вмонтированы резьбовые соединения с осями редуктора их привода, что позволяет быстро демонтировать или монтировать силовую установку в случае ее транспортировки. Кроме того, роторы-цилиндры имеют по 2-3 аэродинамических законцовки (15), исключающие вредное взаимовлияние как с обтекателем-корпусом установки, так и препятствуют совместно с третьим кольцом (в районе центра ротора) сходу закрученного потока с цилиндра за счет центробежных сил, возникающих при вращении всего ветроколеса.
На конце каждого ротора установлен в его оси специальный подшипниковый переход для крепления аэродинамического кольца (7) или его части с антивибраторами (пружинно - штоковый принцип). Роторы-цилиндры приводятся во вращение (до нескольких тысяч оборотов в минуту) встроенным в обтекатель маломощным электродвигателем (5) через редуктор (4). Схема редуктора (4) выполнена на основе конических шестерен замкнутого цикла нагрузок с определенным передаточным числом. Для повышения эффективности раскрутки роторов (1) электродвигатель (5) совмещен с планетарным редуктором. При набегании ветрового потока на раскрученные роторы-цилиндры возникает вращение всего ветроколеса за счет эффекта Магнуса.
Общее вращение ветроколеса увлекает за собой основной силовой вал (17), прикрепленный к коническому редуктору роторов. Сам вал (17) установлен в подшипниках, размещенных на силовых стойках-кронштейнах, которые, в свою очередь, крепятся к основной платформе всей установки. При этом входит во вращение и носовая часть обтекателя (приблизительно 1/3 передней части всего корпуса), а на коническом редукторе выполнено токосъемное устройство, передающее управляющее напряжение на электродвигатель с автоматики управления. На шкаф автоматики (14) подается два сигнала управления: вращение цилиндров с датчиков (8) по скорости и направлению ветра. Упрежденное положение датчиков выполнено с учетом своевременного изменения скорости вращения цилиндров, что повышает общую стабилизацию выходного напряжения с генератора. Практика показала, что инертность самих цилиндров очень не высокая, а это позволяет быстро подстраивать их вращение с упреждением, что гораздо сложнее выполнить на ветроустановках классического типа. Мало того, если остановить вращение цилиндров, то полностью прекращается и вращение всего ветроколеса, что очень важно при его периодическом техническом обслуживании или ремонте. Вращение основного вала (17) далее передается на редуктор генератора (3), а от него через муфту сцепления на сам электрогенератор (2). Напряжение, полученное от электрогенератора (2), подается на силовой шкаф (14) (их может быть несколько), откуда стабилизированное напряжение подается через второй электросъемник дальше к потребителю. Съемник выполнен в верхнем отсеке мачты (12).
Обтекатель-корпус силовой установки содержит камеру балансировки (13). Задняя часть обтекателя (6), длиной около 2/3 от всей длины, закреплена жестко на силовом каркасе (платформы 18). Относительно горизонтального вала (17) эта часть неподвижна, но имеет общее вращение относительно стороны набегающего потока. По сигналам управления со шкафа (14) вся установка ориентируется строго против ветра и вращение ее осуществляется на поворотной платформе (9), где расположен шаговый электродвигатель, вращательная команда от которого через венечный редуктор подается на разворот ветроколеса строго против ветра.
Обтекатель специальной конфигурации (11) служит для упорядочения и ускорения потока вблизи внутренних законцовок цилиндров. Он может быть также выполнен за одно с носовой частью всего обтекателя установки.
Профилированные растяжки (16), установленные между концами роторов, выполненные между концами роторов, служат для мощных ветроколес, когда целью установки является производство сотен и тысяч киловатт. Они должны быть выполнены с устройствами поглощения возможных вибраций (антивибраторами). В носовой части на расстоянии упреждения на трубчатой штанге расположены датчики (8) управлением режимом работы энергоустановки, т.е. датчики скорости и направления ветра (по авиационной аналогии).
Основной вал установки крепится к редуктору ветроколеса (здесь же расположен токосъемник). Далее он проходит через два опорных подшипника (тип - упорно-радиальных) и стыкуется с генератором через редуктор, выполненным по схеме планетарного или цилиндрического типа.
Вся силовая часть (вал - редуктор - генератор - силовой энергетический шкаф) расположена на жесткой платформе, к которой одновременно прикреплена неподвижная часть обтекателя.
В хвостовой части обтекателя расположен отсек балансировки ветроагрегата (за исключением, разумеется, опорной мачты и механизмов в ней). Помимо вышеописанного для энергоустановок значительных мощностей предполагается установить силовые шкафы электрооборудования, стабилизации напряжения, его повышения (при необходимости), телеметрии и обработки данных режимов работы установки, а также автоматики управления и аварийной сигнализации работы основных узлов. Основание установки крепится на специальном поворотном устройстве, в состав которого войдут: опорный силовой подшипник (разной конструкции, в зависимости от веса установки) и его опора, поворотный зубчатый венец и его управляющая шестерня, насаженная на вал шагового электродвигателя (возможен промежуточный редуктор). Опорная мачта всей установки, в зависимости от веса силового агрегата и изгибающих моментов может быть разной конструкции, но превалирующим будет трубчатый конусный тип.
В качестве образца была выполнена энергоустановка четырехцилиндрового привода с общим диаметром (по внешней образующей) 1,5 м. Цилиндры конусного типа изготовлены по авиационному «панельному» методу из современных композиционных материалов, чем достигнута их высокая прочность и одновременная легкость, а значит и малая инертность при их раскрутке. Движителем для раскрутки является электродвигатель малой мощности, который, потребляя не более 1 процента выдаваемой электроэнергии, доводит вращение цилиндров до нескольких тысяч оборотов (при необходимости). Для предотвращения «вредной» реакции электродвигатель состыкован через планетарный редуктор с механизмом привода самих роторов-цилиндров, т.е. приводит во вращение ведущую шестерню замкнутого контура нагрузок конического редуктора с определенным передаточным числом.
Сами цилиндры выполнены в виде плоскостного многогранника. Форма граней в зависимости от необходимого крутящего момента может выполняться в виде сегмента сферической формы, либо более сложной образующей кривой типа «косой сабли» или пилообразной, что позволяет, с одной стороны, вращающегося цилиндра получать повышенное торможение воздушного потока, а значит, и повышенное давление. С другой же стороны (относительно оси набегающего потока), повышение скорости потока, согласно закону сохранения массы, приводит сам поток к околозвуковым значениям скорости, что, в свою очередь, создает такое падение давления, которое ведет к созданию области повышенного разряжения воздушной среды, и что, в свою очередь, ведет к естественному «втягиванию» ветроколеса в слой невозмущенного потока, а равно к всасыванию его же в область разряжения вращающегося цилиндра.
При этом условный входящий контур канала струйного (пограничного) течения расширяется, а в относительном понятии неразрывности струйки установившегося потока область минимального сечения становится значительно меньше, что ведет к ускорению потока до скоростей равным околозвуковым, а возможно и больше.
Разность давлений уже начинает (по перепаду) достигать значений, при которых устойчивость (на прочность) материала изготовленного цилиндра начинает «плыть», т.е. возможна авария, поломка.
Для достижения более эффективной обработки ветрового потока применяется как аэродинамическое кольцо (для незначительных по размеру установок), так и часть его элемента в самой области цилиндра вращения, что частично повышает плотность набегающего потока на конце «лопасти», а за одно сдерживает сход общей массы закрученного потока вдоль оси цилиндра к периферии (за счет центробежных сил, возникающих от центра ветроколеса к его периферии). В носовой части корпуса выполнен специальный конус для подводки центральной части потока в обжатой форме (ускоренной) к комлевой части ветроколеса, что от части повышает Мкр. (крутящий момент в математической форме) цилиндров на его начальном измерении по размаху (длине).
ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТАНОВКИ
Принцип работы энергоустановки, основанный на использовании эффекта Магнуса, заключается в следующем.
При включении электродвигателя (5) его вращение передается через планетарный редуктор на основной конический редуктор (4) непосредственно на ведущую шестерню. Ведущая шестерня приводит во вращение ведомые шестерни с валами роторов. При раскрутке роторов возникает эффект Магнуса (фиг.2). Принципиально сам эффект заключается в том, что при обтекании вращающегося цилиндра возникает разность давлений (если смотреть на схему) над и под цилиндром. Это обусловлено тем, что набегающий поток, совпадающий с направлением вращения цилиндра, накладывается на ламинарный слой воздуха на самом цилиндре. При этом скорость потока и скорость вращения цилиндра складывается, то есть общая скорость обтекания цилиндра увеличивается. А по закону «неразрывности струйки» (закон сохранения массы) при этом понижается давление в области р1-р2-р3-р8-р9-р10, которая выделена на схеме (см. фиг.2 и 3). С обратной стороны цилиндра картина выглядит наоборот, т.е. общая скорость потока падает. Но при этом давление резко повышается. В результате этого возникает сила Магнуса (назовем ее так), направленная вверх, т.е. в область меньшего давления. Это, в свою очередь, приводит во вращение ветроколесо.
Крутящий момент, создаваемый раскрученным цилиндром, дает крутящий момент, на порядок больший, чем лопасть обычного винта. Более того, изменение формы поверхности крутящегося цилиндра дает увеличение КПД ветроколеса на эффекте Магнуса в несколько раз.
Длина ротора в квадратной зависимости от диаметра всего ветроколеса. Тем не менее можно получить еще одну зависимую величину, влияющую на общую мощность, которая присуща только активному методу обработки воздушного потока: зависимость мощности не только от размаха всего ветроколеса, но и от диаметра отдельно взятого цилиндра, а также от его формы. Объясняется это следующим образом (см. фиг.2).
При вращении цилиндра вязкий воздух «прилипает» к поверхности цилиндра и прилегающие слои воздуха циркулируют вместе с вращающейся поверхностью цилиндра.
Чем дальше от цилиндра отстоит набегающая масса воздуха, тем меньшую зависимость она имеет от вращающегося цилиндра. При этом поток начинает приобретать упорядоченную форму обтекания цилиндра, и его скоростные характеристики повышаются, т.е. скорость набегающего потока складывается со скоростью частиц воздуха (ламинарный слой), непосредственно прилегающих к поверхности цилиндра. В итоге получается пограничный слой воздуха (смотри фиг.2).
Скорость воздуха внизу цилиндра меньше (здесь V2 набегающего потока вычитается при торможении ее ламинарным слоем цилиндра), а значит, давление повышается.
С обратной стороны скорость потока и цилиндра складывается, а это значит, что скорость повышается, что ведет к понижению давления. Из-за разности давлений возникает результирующая сила давления на цилиндр, который будет перемещаться в сторону меньшего давления, т.е. (в нашем случае) вверх.
Как вывод следует, что на общий крутящий момент, создаваемый ротором-цилиндром, влияет не только скорость набегающего потока и размах ветроколеса, но и диаметр отдельно взятого цилиндра. Не меньшее значение имеет его продольная форма и форма сечения. Важным фактором также является и скорость вращения цилиндра.
При нелинейной форме граней скорость вращения ротора должна быть не менее скорости набегающего потока ветра, т.к. появляется эффект торможения потока за счет завихрения пограничного слоя в верхней части ротора. Скорость вращения ротора регулируется автоматически, путем снятия показаний датчика скорости ветра (8) (см. фиг.1).
1. Энергоустановка с активным методом обработки ветра на основе эффекта Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде роторов, обтекатель-корпус из вращающейся и неподвижной частей, приводы для вращения роторов, электродвигатель привода роторов и электрогенератор, отличающаяся тем, что установка содержит аэродинамическое кольцо либо его части, соединенные по окружности между ними дюралевыми трубками со встроенными антивибраторами, носовой обтекатель, выполненный конусообразной формы или выполненный как одно целое с передней вращающейся частью обтекателя-корпуса, с длиной не менее 1/3 от ее длины, датчики скорости и направления ветра, вынесенные на нос установки, а также камеру балансировки установки, расположенную в задней части обтекателя-корпуса, причем число роторов в энергоустановке составляет от 2 до 6, приводы снабжены коническим редуктором, а неподвижная часть обтекателя-корпуса агрегатного отсека составляет не менее 2/3 от всей его длины.
2. Энергоустановка с активным методом обработки ветра на основе эффекта Магнуса по п.1, отличающаяся тем, что электродвигатель привода роторов дополнительно содержит или выполнен со встроенным планетарным редуктором.
3. Энергоустановка с активным методом обработки ветра на основе эффекта Магнуса по п.1 или 2, отличающаяся тем, что энергоустановка дополнительно содержит профилированные растяжки, установленные между концами роторов, при этом энергоустановка оснащена устройством поглощения возможных вибраций под действием растяжек.
