Крыльчато-парусная ветроэнергетическая установка

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования и использования энергии ветра. Установка содержит поворотную стойку, несущую жестко закрепленный на ее верхнем конце подшипниковый узел с двухконцевым горизонтальным валом, один конец которого связан с генератором, а на другом конце жестко закреплен мах, несущий по меньшей мере две съемных лопасти. На концах маха в плоскости его вращения жестко закреплены корпусной частью дополнительные подшипниковые узлы с одноконцевым валом, концы которых в паре обращены в противоположные стороны от маха. На валу каждого подшипникового узла между подшипниками установлена пружина кручения, один конец которой зафиксирован на корпусе, а другой жестко связан с валом, несущим съемную лопасть. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента использования энергии ветра при повышении надежности при его нестабильной скорости. 4 ил.

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройству ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой мощности до 1 кВт для установки на осветительных опорах дорожного освещения и удаленных вышках мобильной связи.

Известна ВЭУ [1] (стр.111 и 127), ветроколесо которой выполнено в виде крыльчатки с тремя или четырьмя лопастями, жестко закрепленными на одном из концов силового вала, другой конец которого связан с исполнительным механизмом, например посредством упругой муфты.

Такое конструктивное исполнение известного технического решения обеспечивает простоту конструкции крыльчатого ветроколеса и высокие обороты силового вала, но характеризуется крайне низким коэффициентом использования энергии ветра ξ (КИЭВ), который считают по формулам:

- академика Жуковского Н.Е.

ξ=C_x·(1-e)²·e, (63а) [1], стр.83

где C_x - коэффициент лобового сопротивления. Характеризует форму лопастей ветроколеса и их положение в пространстве.

- профессора Сабинина Г.Х.

$$\xi =4\cdot e\cdot \frac{1-e}{1+e}(79)[1],стр.108$$

Формулы (63а) и (79) выведены из классического уравнения:

$$\xi =\frac{P_x\cdot \left(V_{в}-V_1\right)}{\frac{p\cdot F_{оп}\cdot V_{в}^3}{2}}\text{(66)}\text{ [1]},стр.96$$

где P_x - лобовое давление ветра на лопасти ветроколеса;

V_в - скорость ветра; V₁ - то же за ветроколесом;

F_оп - площадь ометаемой поверхности (круга, очерченного концами лопастей);

p - плотность воздуха.

Известно классическое уравнение для определения P_x:

$$P_x=C_x\cdot F_{мс}\cdot \frac{\rho \cdot V_{в}^2}{2}(41)[1],стр.56$$

где F_мс - площадь миделева сечения, представляющего собой площадь проекции всех лопастей на ометаемую поверхность.

Подставив (41) в (66) после преобразований, получим формулу (63а) для определения КИЭВ, которая сведена лишь к манипулированию коэффициентом торможения «е», определяемым путем продувки ветроколес в аэродинамической трубе и не превышающими величины 0,33.

Для формулы (79) характерен тот же недостаток, т.к. в обеих формулах отсутствует важнейший параметр - K_з - коэффициент заполнения, представляющий собой отношение миделева сечения ветроколеса (F_мс) к ометаемой им поверхности (F_оп), превращающийся в единицу в силу известного допущения Н.Е. Жуковского для конструкции ветроколеса с бесконечно большим числом лопастей.

В реальных условиях в формулах (63а) и (79) должен присутствовать параметр K₃, характеризующий конечность числа лопастей в ветроколесе и наличие между ними межлопастного пространства, что предопределяет наличие условия:

$$\frac{F_{мс}}{F_{оп}}=K_{з}<1(1)$$

С учетом этого условия формулы (63а) и (79) можно записать в виде: по Жуковскому Н.Е.:

$$\xi =C_x\cdot K_{з}\cdot {(1-e)}^2\cdot e(2)$$

По Сабинину Г.Х.

$$\xi =4K_{з}\cdot e\cdot \frac{1-e}{1+e}(3)$$

Известна крыльчато-парусная ветроэнергетическая установка [2], содержащая поворотную платформу, несущую стойки, на которых установлено с возможностью свободного вращения крыльчато-парусное ветроколесо, выполненное в виде вала, на концах которого установлены передний и задний махи, несущие жестко закрепленные на них лопасти, при этом передний мах выполнен в виде трубчатого креста, а задний мах - в виде трубчатой квадратной рамки. Лопасти выполнены в виде пластин из тонколистового материала и жестко закреплены одной из своих граней на трубках переднего маха и противоположной гранью - на соответствующих половинах внешних ребер квадратной рамки заднего маха.

КИЭВ в этом техническом решении определяют по тому же уравнению (66) с той лишь разницей, что величина (V_B -V₁), представляющая собой окружную скорость центра давления лопастей (V₀), заменена непосредственно упомянутой окружной скоростью V₀, в связи с чем уравнение (66) имеет вид:

$$\xi =\frac{P_x\cdot V_0}{\frac{p\cdot F_{оп}\cdot V_{в}^3}{2}}(4)$$

Подставив (41) в (4) после преобразований, получим:

$$\xi =C_x\cdot \frac{F_{мс}}{F_{оп}}\cdot \frac{V_0}{V_{в}}(5)$$

где $$\frac{F_{мс}}{F_{оп}}=K_{з}$$ - коэффициент заполнения, показывающий, какая часть ометаемой ветроколесом поверхности перекрывается проекцией на нее всех лопастей ветроколеса; [1], стр.161.

$$\frac{V_0}{V_{в}}=e$$ - коэффициент торможения, показывающий какая часть скорости ветра направлена на создание крутящего момента на валу ветроколеса; [1], стр.97.

С учетом (5) окончательная формула для определения КИЭВ будет:

$$\xi =C_x\cdot K_{з}\cdot e(6)$$

Согласно уравнению (5), чтобы определить величину «е», нужно знать величину V₀. Однако по мнению классиков ветроэнергетики (например, д.т.н. Фатеева Е.М.) величина V₀ и закон ее изменения неизвестны, то «...как первое приближение, ее принимают равной половине скорости ветра за колесом», т.е. $$V_0=\frac{V_1}{2},$$ где $$V_1=\frac{V_2}{2}[84],стр\mathrm{.113.}$$

Где величины V₁ и V₂ определяются путем продувки ветроколеса в аэродинамической трубе.

Но если учесть, что V₀ является функцией угла φ заклинения лопастей (см. фиг.4), то имеется возможность аналитического определения величин V₀ и «е».

В частности,

$$V_0=V_{в}\cdot \sin \phi \cdot {\cos }^3\phi (7)$$

Ее вывод вытекает из схемы (фиг.4) и заключается в следующем: при воздействии первичного ветрового потока на ветроколесо его скорость разлагается на:

V_лд - скорость лобового давления на лопасти ветроколеса, направленная по оси X;

V_п1 - составляющая потерь скорости ветра, уходящая по плоскости заклинения в межлопастное пространство.

Составляющая V_лд является проекцией V_в на ось, перпендикулярную оси X₁, проходящей по плоскости заклинения лопасти, и определяется по выражению:

V_лд=V_в·cosφ (8)

Составляющая V_лд, в свою очередь разлагается в виде проекций V_xl на ось X (скорость лобового давления) и V_y1 на ось У, которая является составляющей окружной скорости вращения ветроколеса и действует в его плоскости.

V_y1=V_в·sinφ·cosφ (9)

В результате вращения ветроколеса под действием V_y1 возникает реакция на набегание его лопастей на воздушную массу в межлопастном пространстве, что предопределяет вторичный реактивный ветровой поток со скоростью V_op, равный V_y1 по величине, но действующий в противоположном направлении, при этом V_op также разлагается на составляющие: У_лс - составляющую лобового сопротивления и V_n2, действующую по оси X₁ и уходящую в межлопастное пространство. Очевидно:

$$V_{лс}=V_{в}\cdot {\sin }^2\phi \cdot \cos \phi ,м/сек(10)$$

Согласно схеме фиг.4, исходя из подобия треугольников можно записать следующее соотношение:

$$\frac{V_{y2}}{V_{y1}}=\frac{V_{лс}}{V_{лд}}(11)$$

Подставляя вместо символов V_y1; У_лс и V_лд в соотношение (11) у фактические значения из выражений (9), (10) и (8) после преобразовани получим:

$$V_{y2}=V_{в}\cdot {\sin }^3\phi \cdot \cos \phi ,м/сек(12)$$

где V_y2 - составляющая окружной скорости, направленная на торможение вращения ветроколеса, приложенная также в центре давления.

Абсолютная окружная скорость центра давления лопасти V₀ будет равна разности окружных скоростей прямого вращения (V_y1) и реактивного сопротивления вращению (V_у2):

V₀=V_y1-V_y2, м/сек (13)

Подставив в уравнение (13) значения V_y1 и V_y2 из выражений (9) и (12) соответственно, после преобразований получим:

$$V_0=V_{в}\cdot \sin \phi \cdot {\cos }^3\phi ,м/сек(14)$$

Решив уравнение (14) относительно произведения тригонометрических функций угла ф заклинения лопасти, получим:

$$\frac{V_0}{V_{в}}=\sin \phi \cdot {\cos }^3\phi =e(15)$$

Отношение в левой части уравнения (15) называют коэффициентом торможения и обозначают значком «е» [1], стр.97.

Крепление лопастей противоположными гранями на трубках переднего и заднего махов в известном техническом решении обеспечивает компактность ветроколеса с минимальным межлопастным пространством и максимальным коэффициентом заполнения (K_з=0,15-0,9) и исключает влияние сбегающего с плоскостей заклинения воздушного потока на тыльную сторону вслед идущей лопасти, что увеличивает абсолютное давление ветра на лопасти и повышает крутящий момент на валу ветроколеса.

Однако жесткое крепление лопастей на трубках переднего и заднего махов исключает возможность регулирования их угла φ заклинения в зависимости от величины скорости ветра, что приводит к беззащитности ветроколеса от ураганных ветровых нагрузок.

Заявленный объект содержит поворотную стойку, несущую жестко закрепленный на ее верхнем конце подшипниковый узел с двухконцевым горизонтальным валом, один конец которого связан с электрогенератором, а на другом конце жестко закреплен мах, несущий по меньшей мере две съемных лопасти.

На концах маха в плоскости его вращения жестко закреплены корпусной частью дополнительные подшипниковые узлы с одноконцевым валом, при этом их концы в паре дополнительных подшипниковых узлов обращены в противоположные стороны от маха, а на валу каждого дополнительного подшипникового узла между подшипниками установлена пружина кручения, один конец которой зафиксирован на корпусе, а другой конец жестко связан с валом, несущим съемную лопасть.

Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с прототипом заключаются в следующем:

- выполнение ветроколеса в виде закрепленного на одном из концов силового вала маха, несущего жестко закрепленные на его концах дополнительные подшипниковые узлы с одноконцевым валом, концы которых в паре обращены в противоположные стороны, обеспечивает возможность простейшей установки съемных лопастей с минимальным межлопастным пространством, что существенно повышает коэффициент заполнения ветроколеса, упрощает его конструкцию и повышает коэффициент использования энергии ветра;

- наличие пружины кручения на валу каждого дополнительного подшипникового узла между подшипниками, один конец которой зафиксирован на корпусе, а другой конец жестко связан с валом, несущим съемные лопасти, обеспечивает возможность поворота лопастей согласно направлению ветра при его ураганной скорости и ее возврат в исходное положение при снижении скорости ветра до номинального значения.

Совокупность указанных технических преимуществ заявленного объекта по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат, заключающийся в упрощении конструкции, повышении ремонтопригодности и надежной защите ветроколеса от ураганных скоростей ветра.

На приведенных чертежах иллюстрируется крыльчато-парусная ветроэнергетическая установка (КГТВУ), где на фиг.1 показан ее общий вид с наветренной стороны; на фиг.2 - то же, с наклоненными лопастями (контурными линиями отмечено примерное положение лопастей при ураганном ветре); на фиг.3 - дополнительный подшипниковый узел с разрезом по продольной оси и на фиг.4 - план скоростей при взаимодействии первичного ветрового потока с лопастями ветроколеса.

Крыльчато-парусная ветроэнергетическая установка (КГТВУ) содержит поворотную стойку 1, являющуюся валом опорного подшипникового узла 2, на верхнем конце которого жестко закреплен подшипниковый узел 3 с двухконцевым валом 4, один конец которого связан с электрогенератором (на чертежах не показано), а на другом конце жестко закреплен мах 5, несущий по меньшей мере две съемных лопасти 6 и 7.

На концах маха 5 в плоскости его вращения жестко закреплены корпусной частью дополнительные подшипниковые узлы 8 и 9 с одноконцевым валом 10, при этом его выходные концы выполнены, например, квадратными и обращены в противоположные стороны от маха 5, а установленные на них лопасти 6 и 7 выполнены съемными.

На валу 10 каждого дополнительного подшипникового узла между подшипниками установлены пружины кручения 11, один конец которых зафиксирован на корпусе, например, посредством стопорной шайбы 12, жестко закрепленной внутри него, а другой конец жестко зафиксирован на валу 10, например, посредством другой стопорной шайбы 13, жестко закрепленной на валу 10.

Удержание лопастей 6 и 7 в исходном положении осуществляется съемными обрезиненными упорами 14 с одной стороны и усилием натяга пружин кручения 11 с другой стороны. Величину натяга обеспечивают путем поворота лопастей 6 и 7 в ту или другую сторону со снятыми упорами 14 с последующим контролем величины натяга, например, динамометром, после чего упоры 14 ставят на места.

При скоростях ветра, например, до 20 м/сек (доураганный диапазон) лопасти 6 и 7 остаются в постоянном фиксированном положении с наветренной стороны упорами 14 и с тыльной стороны усилием натяга пружин 11.

Вращение ветроколеса осуществляется за счет составляющих скорости первичного ветрового потока, действующих в плоскости вращения ветроколеса и образующих пару сил, т.к. углы φ заклинения лопастей 6 и 7 в паре противоположны друг другу.

При скоростях ветра более 20 м/сек (ураганный диапазон) усилие натяга пружин 11 становится недостаточным для обеспечения гарантированного удержания лопастей 6 и 7 на упорах 14, и они начинают поворачиваться в противоположные стороны вместе с валами 10 подшипниковых узлов 8 и 9, дополнительно закручивая пружины 11 и увеличивая величину их натяга под воздействием возрастающего лобового давления ветра, в результате чего углы φ заклинения лопастей 6 и 7 увеличиваются, а составляющие усилия вращения ветроколеса, образующие пару сил, остаются практически без изменения независимо от возрастания скорости первичного ветрового потока.

Источники информации

1. Фатеев Е.М. «Ветродвигатели и ветроустановки», ОГИЗ-сельхоз, г. Москва, 1948 г., 185 с.

2. Описание изобретения к патенту РФ №2463473 от 11.04.20011 г., МПК F03D 1/00.

Крыльчато-парусная ветроэнергетическая установка, содержащая поворотную стойку, несущую жестко закрепленный на ее верхнем конце подшипниковый узел с двухконцевым горизонтальным валом, один конец которого связан с электрогенератором, а на другом конце жестко закреплен мах, несущий по меньшей мере две съемных лопасти, отличающаяся тем, что на концах маха в плоскости его вращения жестко закреплены корпусной частью дополнительные подшипниковые узлы с одноконцевым валом, при этом их концы в паре дополнительных подшипниковых узлов обращены в противоположные стороны от маха, а на валу каждого дополнительного подшипникового узла между подшипниками установлена пружина кручения, один конец которой зафиксирован на корпусе, а другой жестко связан с валом, несущим съемную лопасть.