Роторная ветроэлектрическая установка “Жанабатыр” конструкции Дурманова А.

(51) 03 3/00 (2010.01) 03 3/04 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) РОТОРНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ЖАНАБАТЫР КОНСТРУКЦИИ ДУРМАНОВА А.(57) Изобретение относится к области ветроэнергетики. Технический результат заключается в повышении производительности,КПД(коэффициента полезного действия) ветроустановки и надежности,упрощении конструкции, эксплуатации и обслуживания. Роторная ветроустановка содержит многоячеистый улиткообразный воздухозаборник с недвижимыми вертикальными лопатками,ветроколесо с четырехугольными лопастями, расположенными под углом к направлению ветра, закрепленными к стальной звездообразной конструкции ротора снизу и сверху, согласно изобретению, ветроколесо расположено внутри воздухозаборника и внутри стального корпуса ветроколеса,сильно напоминающего конструкцию казахской национальной юрты с глухим дном, вращающий вал ветроколеса снизу опирается на подшипниковый корпус, закрепленный на дне юрты, сверху на подшипниковом корпусе,закрепленном на шаныраке, опирающимся на сводных уыкообразных балках куполообразного верха юрты. Вал вращающего ротора, проходя дно юрты, передает вращение генератору, через муфты сцепления и через КПП(коробка перемены передач). Ветроустановка содержит узлы безопасности - узел плавного ускорения и плавной остановки, дающие дополнительную электроэнергию при режиме торможения,посредством собственного преобразователя электроэнергии (генератора). На наклонной крыше юрты предусмотрены отверстия для отвода отработавшего ветра из ВЭУ(ветроэлектрическая установка), направленные вверх лопастями и его бортиками, с изогнутыми концами вверх. На входе каналов воздухозаборника предусмотрены жалюзи предохранители,осуществляющие защиту конструкции при неблагоприятных погодных условиях природы 24451 Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использована для получения электроэнергии. Известен роторный вертикально-осевой ветродвижитель, содержащий вертикальную ось вращения и вертикальные крылообразные лопасти,которые снабжены механизмом их поворота, для изменения угла установки, содержащий тяги,связанные с лопастями, при этом ветродвижитель выполнен с нижней и верхней дисковыми шайбами,ось которых совпадает с вертикальной осью вращения ротора, на нижних торцах лопастей установлены фиксаторы их положения,с возможностью их взаимодействия с отверстиями,которые выполнены в этих шайбах, а упомянутый механизм поворота лопастей выполнен с установленным на нижней шайбе элементом по форме усиленного конуса, закрепленным на оси ротора, при этом каждая из вышеуказанных тяг подпружена на одном концевом участке и выполнена со сферическим элементом, касающимся поверхности вышеуказанного конусного элемента, а на другом, посредством штанги, шарнирно связана с передней кромкой этой лопасти (1). Известен также роторно-вертикально-осевой ветродвижитель,содержащий несколько крылообразных лопастей на вертикальной оси,соединенных дисковыми шайбами, в которых выполнены отверстия для вхождения фиксаторов положения лопастей, имеется механизм поворота лопастей,включающий усеченный конус,закрепленный на оси в нижней части ротора и тяги,скользящие по поверхности конуса на шарах, при этом тяги снабжены пружинами, лопасти могут посредством механизма поворота устанавливается под разными углами (2). Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является известная ветроустановка, содержащая воздухозаборник с регулируемыми вертикальными лопатками,ветроколесо с лопастями, расположенными внутри воздухозаборника, а его лопасти в сечении выполнены в виде полуокружности, концы которых прикреплены к верхнему и нижнему кольцам,нижнее из которых опирается на центрующие ролики, выполненные, с возможностью вращения со скоростью, большей скорости вращения ветрового колеса,и к осям которых подключены преобразователи энергии, а сверху и снизу ветроколеса расположены разрежители воздуха. Недостатками устройства является низкая надежность конструкции, в понижении добытой энергии при передаче на многочисленные ролики, в результате скольжения роликов. Изобретение направлено на повышение эффективности,надежности конструкции и повышение производительности до нескольких десятков тысяч квт/часов. Изобретение решает задачу создания простой,надежной конструкции ветроустановки,с использованием современных легких материалов(фанеры, пластмасс, дерево, и тонких железных листов) с широкой областью применения в 2 различных отраслях народного хозяйства с защитой конструкции при неблагоприятных погодных условиях природы (ураган, вихри и т.п.). 1. Воздухозаборник отличается тем, что лопатки построены из стальной конструкции неподвижными и обшиты легкими материалами, постоянным углом против направления ветра, с улиткообразными каналами приема ветра. 2. Лопасти ротора отличаются четырехугольной формой, наличием крылообразных бортиков, с изогнутыми концами вверх, и закреплены постоянным углом на верхней и нижней звездочках рамы ротора. 3. Крепление ротора отличается тем, что ротор помещен посредством верхних и нижних корпусов подшипников в юртообразный металлический корпус, состоящий из опор, балок (уыков) и шанырака (верхняя куполообразная часть юрты). 4. Преобразователь энергии отличается тем, что кроме способа подключения к валу ротора имеет возможность изменения угловой скорости посредством муфты сцепления и КПП. 5. Ветроустановка отличается тем, что имеет в конструкции штатного узла безопасности - узла плавного ускорения и плавного торможения. 6. Воздухозаборник отличается тем, что наличие наглухо закрывающихся жалюзи каналов улитки,защищает ветроустановку при неблагоприятных погодных условиях (на фиг. они не показаны). На фиг. 1. изображена предлагаемая ветроэлектрическая установка (ВЭУ). На фиг. 2. сечение по А-А. На фиг. 3 Воздухозаборник Улитка Где 26 - крыша Улитки 27 - Пол Улитки. 28 - Лопатки. На фиг. 4 Оксонометрическое изображение воздухозаборника Улитка. На фиг. 5 Стальной корпус крепления ротора Юрта. На фиг. 6 Вид Б. Шанырак, уыки, плита монтажная со спицами шанырака и корпус подшипника верхнего крепления вала ротора. Ветроустановка состоит из ветроколеса (ротора) 1, закрепленного к стальному корпусу Юрта 2,находящегося внутри воздухозаборника Улитка 3,с неподвижными вертикальными лопатками 4,разрежителя воздуха 5, машиного зала 6 - помещение для преобразователя энергии 19, с муфтой сцепления 20, КПП 21, углового редуктора 22. Стальной корпус ветроколеса Юрта 2, состоит из 8-ми или более стальных опор 14,расположенных по периметру круга на одинаковых расстояниях, балок перекрытия (уыков) 15, такого же количества, сколько стальных опор, и закрепленных одним концом к ним (стальным опорам) через болтовые соединения, Шанырака 16(купольная часть перекрытия стального корпуса ветроколеса) Юрты закрепленной к другими концами уыков (балок перекрытия) специальными резьбовыми соединениями. Монтажной плиты 17,регулировки вертикальности вала 12,ветроколеса 1, 24451 закрепленной к спицам 18 шанырака 16. Ветроколесо имеет цилиндрическую форму с вертикальной осью вращения 12, собрано из лопастей 7, выполненных в четырехугольной форме,концы лопастей приклеплены к верхней 8 и нижней 9 Звездочки рамы ветроколеса 1. Верхний 10 и нижний 11 корпус подшипников служит для подвески и центровки вала 12. Крылообразные бортики 13 лопастей 7 с изогнутыми вверх концами направляют воздух вверх к разрежителю 5. Ветроустановка еще имеет штатный узел безопасности 24 с преобразователем энергии 23 и хоз-бытовые помещения 25. Ветроустановка работает следующим образом ветер, попадая в улиткообразные камеры,образующиеся лопатками,расположенными вертикально под углом к направлению ветра,верхней крышей и нижним полом воздухозаборника, проходит через открытую половину воздухозаборника к лопастям рабочей стороны ветроколеса(ротора),которые расположены под определенным углом атаки к направлению ветра, начинает вращаться вокруг своей оси, посредством рамы ветроколеса,находящиеся внутри юртообразного стального корпуса, который в свою очередь находится внутри улиткообразного воздухозаборника. На лопастях ветроколеса установлены крылообразные бортики с изогнутыми концами вверх. Эти крылообразные бортики, создавая дополнительное сопротивление ветру, отбирая определенную часть энергии,направляют воздух вверх к разрежителю для выброса через него в атмосферу. Вал ветроколеса,проходящий через пол юрты к машинному залу,передает вращение к преобразователю энергии,посредством углового редуктора, муфты сцепления и КПП. Узел безопасности, закрепленный к стальному корпусу ветроколеса, входит в мягкое сцепление с рамой ветроколеса, обеспечивая его безопасный запуск и остановку. Все составляющие этого строения планируется изготавливать (строить) из сварных металлических конструкций. При проектировке строительства надо уделять внимание тому, чтобы увеличить по возможности количество деталей,узлов,звеньев,изготавливаемых в заводских условиях. Наиболее крупные фрагменты, составляющие трудности при транспортировке, можно изготовить (строить) на месте. Самым трудоемким, сложным, дорогим и ответственным звеном строительства является РОТОР. В ходе разработки проекта был изготовлен воздухозаборник Улитка и стальной корпус ротора Юрта,чтобы обеспечить ротор постоянным, целенаправленным напором ветра,независимо от направления ветра, или от изменения его направления. Изготовлен опорно-балочный корпус Ротора с куполообразным верхом шаныраком с уыками, чтобы придать Ротору вертикальное рабочее положение, регулируя с помощью монтажной плиты крепления верхнего корпуса подшипника ветроколеса. Этот восьми (или более) опорный корпус ветроколеса, кроме обеспечения жесткости, надежности, еще служит для устранения вибрации и произведения регулировки вертикальности положения Ротора. При монтаже, демонтаже и ремонте деталей ротора,могут быть использованы домкрат или подъемное устройство. Ротор, наверное, будет построен на заводе разборным. При неразборном состоянии его транспортировать до места установки невозможно. Ротор можно строить и на месте, для этого ротор надо проектировать,состоящим из высокоунифицированных деталей и узлов. Все детали должны быть строго определенных размеров и строго определенного веса. Должны учитываться и вес накладок, косынок, болтов, гаек, шайб,пальцев, места и размеры высверливаемых отверстий,канавок и т.д. На колесных ветроустановках трудоемкость изготовления колеса составляет до 60 стоимости всей ветроустановки. На роторных ветроустановках стоимость изготовления ротора будет, отнюдь, не меньше. Поэтому, для защиты ротора, к традиционной схеме привода передачи движения к генератору, надо включить новый, очень важный узел - узел безопасности, а точнее узел плавного ускорения и плавного торможения. Этот узел - еще один из новинок, появившихся в ходе разработки проекта. Это обыкновенная муфта сцепления на автомобилях. Но, в отличие от сцепления автомобиля, узел безопасности не должен иметь возможность резкого включения. Когда педаль сцепления автомобиля резко отпускаешь, машина не едет, а прыгает и трясется. Именно это явление необходимо исключить на приводе ротора для предотвращения поломки ротора. Поэтому механизмы управления этим узлом (узлом безопасности) должны исключить возникновение этого явления. Он должен плавно ускорять и плавно тормозить движение ротора при любых обстоятельствах. Даже при отказе или поломке органов управления узлом. Для оптимальной работы ротора,узел безопасности должен быть расположен на нижнем углу воздухозаборника, возле нижнего угла рамы ротора, как указано на фиг.1. Расчетная часть Аэродинамическая сила. На тело, движущееся в воздухе, действует сила. Чтобы убедиться в этом, достаточно, например,горизонтально выставить ладонь в окно движущегося автобуса, или вагона поезда. При поворотах ладони вокруг горизонтальной оси, сила со стороны воздуха, будет действовать на кисть то вверх, когда ветер ударяет в ладонь, то вниз, когда в ее тыльную сторону. В первом случае угол атаки(между плоскостью ладони и вектором скоростинабегающего потока) считается положительным, во втором - отрицательным. (см.фиг. 8). От чего эта сила зависит Используем для ответа на этот вопрос теорию размерностей. Сначала выпишем те характеристики процесса, от которых как мы ожидаем, должна зависеть упомянутая сила. 3 24451 Ну разумеется, она зависит от скорости (совсем разные силы действуют на вытянутую руку, когда едешь скажем, на эскалаторе метро, и, когда высунешь руку из окна мчащегося автомобиля). Далее если, например, провести ладонью в воздухе и в воде, то (при одинаковой скорости движения) во втором случае сопротивление больше, чем в первом. Значит важно еще, в какой среде происходит движение- сила должна зависеть от плотности среды. А еще от чего Конечно от размера движущегося тела попробуйте при одинаковых скоростях взмахнуть в воздухе ладонью без веера и с веером - сразу станет ясно, что веером махать труднее. Итак аэродинамическая сила зависит и от характерного размера тела . Перечислим эти величины вместе с их размерностямим/секкг/м 3 м Как из них составить комбинацию, имеющую размерность силы, т.е. НьютонНкгм/сек 2 Сразу видно, что размерность (кг.) входит из трех параметров только в , а секунда - только в размерность скорости, причем, там она в знаменателе в первой степени, а нам надо во второй. Следовательно,уж точно сила будет пропорциональна произведению 2. Но размерность этой величины есть кг/(сек 2 м), а нам необходимо, чтобы метр стоял в числителе, - стало быть, нужно умножить еще на квадрат размера 2( 2 имеет размерность площади). Итак единственная комбинация параметров , , ,имеющая размерность силы, есть 22, так что 22. Про коэффициенты пропорциональности(безразмерные) теория размерностей нам ничего сказать не может. Разложим суммарную аэродинамическую силу , действующую на обтекаемое тело со стороны воздуха, на две составляющие- перпендикулярную к вектору скорости , и- направленную вдоль этого вектора см. (фиг.9) Первая из них- называется подъемной силой,вторая - силой сопротивления. Очевидно, что оба этих компонента имеют одну и ту же размерность Н (Ньютон), значит и 22, и 22. В формулах дляидолжны стоять какие-то коэффициенты (безразмерные), зависящие по крайней мере, от угла атаки (ведь если крыло или ладонь поставить перпендикулярно скорости , то сопротивление будет, а подъемной силы никакой). Один из этих коэффициентов (в случае подъемной силы) называем коэффициентом подъемной силы Су, а другой (в случае сопротивления) коэффициентом сопротивления - Сх. Теперь напишем- Су р 22,22. Мы сказали, что Су и Сх (называем их аэродинамическими коэффициентами) зависят от угла атаки. А откуда взять эти зависимости В некоторых случаях их можно рассчитать. Например такой расчет можно провести для случая, когда аппарат летит очень высоко, там где молекул уже мало и они вблизи аппарата друг с другом не 4 сталкиваются, а сталкиваются только с ним, с аппаратом это очень упорядочит рассмотрение. Давайте рассматривать движение в системе отсчета,связанной с аппаратом, который движется в атмосфере со скоростью-Рассмотрим прежде всего удар одной единственной молекулы о твердую поверхность аппарата, наклоненную по отношению к вектору скорости на угол(угол атаки). В предположении абсолютно упругого удара после столкновения модуль скоростине изменится, а векторповернется на угол(фиг.10) Нетрудно найти изменения скорости молекулы в результате удара (см. фиг.11)22. А изменение импульса этой молекулы, если ее масса , равна 2 Согласно закону сохранения импульса и третьему закону Ньютона, такой же по абсолютной величине импульс, получит тело, о которое ударилась эта молекула. А сколько молекул ударяются о поверхностьв единицу времени Очевидно, что за единицу времени с площадкой(см. фиг.12) столкнутся все молекулы, находящиеся на расстоянииот нее, т.е. молекул из объема. И если концентрация молекул , то за единицу времени о площадкуударяются-молекул. Значит полный импульс, получаемый телом за единицу времени, направлен по нормалик поверхностии численно равен 2. 2 2 2(так как(плотность. Но ведь изменение импульса за единицу времени - эта действующая сила, значит мы получим выражение для аэродинамической силы 2 22 Разложивна две составляющие, получим подъемную силу и силу сопротивления 2 2222 3(2). Расчет производительности роторной ветроэлектрической установки Жанабатыр конструкции Дурманова А. Расчет действующих сил лопастей ВЭУ Жанабатыр производится с использованием определенной нами выше формулы 2 т.е.-223. Для постановки в формулу параметров используется чертеж ВЭУ изображенного на фиг.7. Все размеры рабочих органов ВЭУ берутся из чертежа путем прямого измерения линейкой и переводя в 11000. Расчет производительности ВЭУ производится в двух вариантах В первом варианте высота ВЭУ Н 50 м. Во втором варианте высота ВЭУ Н 100 м. В остальном, в обоих вариантах размеры рабочих органов ВЭУ одинаковы, и выглядят следующим образомротора 68 мм 100068 м.ротора 136 м.улитки 240 м а лопасти 25 мм 100025 м. в лопасти 50 м.ав 25501250 м.лопасти 58 мм 100058 м. (точка приложения действующей 24451 силы -центр лопасти). В первом варианте расчет производительности (мощности) ВЭУ производится при высоте ВЭУ Н 50 м, и на разных скоростях ветра, а именно 5 м/сек 10 м/сек 15 м/сек. И результаты расчета будет показаны на фиг. 6, в виде диаграммы. Во втором варианте расчет производится при высоте ВЭУ Н 100 м. Причем в полном объеме и с разъяснениями дается только при скорости 15 м/сек А результаты расчетов при остальных скоростях будут показаны как в первом варианте, в виде диаграммы на фиг. 14. Ветер, продувая по всему фронту ВЭУ, заходит только в открытые улиткообразные каналы воздухозаборника, приводя в движение ветроколеса,(ротор), действуя на лопасти, находящиеся на этой открытой стороне воздухозаборника. Как видно на фиг. 7 на открытой стороне воздухозаборника под давлением ветра находятся одновременно 3 лопасти сразу. По этому общая составляющая действующих сил на эти лопасти будет равна 123 10102 2 0 321,3 кг/м 3 (15 м/сек)2 6800 м 2 (0,68)2 кгм/сек 2 где 1,3 кг/м 3- плотность воздуха. 0(8-8) 1000100 м-площадь части улитки от точки 8 до точки 8 в масштабе 11000 при высоте ВЭУ Н 100 м.450,68.0 012490920,68849382 кгм/сек 2122 1321,3 кг/м 3(15 м/сек)2500 м 2(0,25)34387,5 кгм./сек 2 1 х 8493824387,5853769,5 кгм/сек 2 222 2 3 2 1,3 кг/м 3(15 м/сек) 2 2500 м 2(0,52)3204750 кгм/сек где 2(-1) 1000 100 м 2500 м 300,52.33. 322332,3 кг/м 3(15 м/к)25000 м 2(0,68) 3 918450 кгм/сек 2 где 3(22)100 м 5000 м 2. 3 х 9184500,52477594 кгм/сек 2(853769204750477594) 15 м/сек 1536113 кгм/сек 215 м/сек 23041695 кгм 2/сек 3 дж/секВт 23041695 вт 23041,695 квт. При работе ВЭУ в течении часач 23041,7 квт/час. В суткисут.23041,724 ч 553000,68 квт/час. В Акмолинском регионе среднегодовая ветреность 283 дня в год. ср.год 553000,7 квт/час 283 дня 156499000 квт/час. Стоимость выработанной за год эл. энергии при стоимости одного кВт эл. энергии по 12 тн Сгод.15649900012 тн 1877988000 тн.15393344. Источники информации 1. Патент РФ 2096259, М., кл. В 63 Н 900,02.06, 1300, 104, 110. 2. Заявка 93051920/11. 3. Патент 2168060 В, кл. С 1 1999.12.10. 4. Ветроэнергетика. - М. Энергоатомиздат. 1982 г., с.32. 5. Журнал Квант стр.15,51988 г. Научно популярный,физико-математический журнал Академии Наук СССР и Академии педогогических Наук СССР. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ветроустановка,содержащая воздухозаборник с вертикальными лопатками,ветроколесо с лопастями, сверху которого расположен разрежитель воздуха, отличающаяся тем, что ветроколесо расположено внутри стального юртообразного корпуса, состоящего из стальных опор, балок перекрытия (уыки), шаныракакупольной части стального юртообразного корпуса ветроколеса, и пола, представляющего собой глухое дно стального юртообразного корпуса ветроколеса,ветроколесо с лопастями выполнено четырехугольной формы,с наклонными крылообразными бортиками, с изогнутыми концами вверх, которые прикреплены сверху и снизу к звездообразным частям рамы ветроколеса, вал ветроколеса выходит через пол к машинному залу и подключен к преобразователю электроэнергии(генератору), посредством углового редуктора,муфты сцепления и коробки переключения передач,узла плавного ускорения и торможения,закрепленного к стальному корпусу ветроколеса. 2. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем,что вертикально установленные лопатки воздухозаборника, построены неподвижными и закреплены с оптимальным углом против направления ветра, пол и крыша воздухозаборника образуют замкнутый улиткообразный канал приема воздуха. 3. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем,что в шаныраке содержится монтажнорегулировочная плита с верхним корпусом подшипника вала ветроколеса. 4. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем,что ветроколесо расположено внутри воздухозаборника и стального юртообразного корпуса ветроколеса. 5. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем,что ветроколесо содержит вал, концы которого прикреплены сверху к монтажно-регулировочной плите шанырака, а снизу к полу стального юртообразного корпуса ветроколеса. 6. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем,что вал ветроколеса нижним концом подключен к угловому редуктору. 7. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем,что угловой редуктор подключен к муфте сцепления. 8. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем,что муфта сцепления подключена к коробке переключения передач. 9. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем,что коробка переключения передач подключена к преобразователю электроэнергии (генератору). 24451 10. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем,что в стальном корпусе ветроколеса содержится узел плавного ускорения и торможения. 11. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем,что в узле плавного ускорения и торможения содержится собственный преобразователь электроэнергии (генератор).