Универсальная ветроэнергетическая установка

(51) 03 1/00 (2006.01) 03 7/02 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ 90, принято равным восьми, а каждая лопасть выполнена с переменной, уменьшающейся к периферии, вогнутостью, угол заклинения лопастей принят равным 22-23, относительная площадь лопастей - 0,066, вертикальная трансмиссия выполнена из отдельных секций - модулей, причем трансмиссионный вал каждой секции установлен в двух радиальных шариковых подшипниках, на концах каждого вала установлены стандартные кулачковые муфты с упругими элементами,центрирование секций модулей осуществляется по посадке 8/8,применены многодисковая механически управляемая фрикционная муфта, с помощью которой включают привод на насос или генератор после набора необходимой частоты вращения ветровым колесом и механизм регулирования частоты вращения и буревой защиты с экраном, возвышающимся над ветровым колесом и через систему рычагов обеспечивающим поворот лопастей вплоть до флюгерного положения при ураганных порывах ветра с последующей автоматической фиксацией лопастей в этом положении.(76) Шумейко Иван Алексеевич Нуркимбаев Сагыныш Маратович Христодоров Алексей Александрович(56) Закржевский Э.Р., Ветродвигатели для механизации животноводческих ферм, Минск,Редакция с.-х. Литературы, 1959, с.199(57) Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветродвигателям с горизонтальной осью вращения ветроколеса и может быть использовано для подъема воды из колодцев, глубоких скважин и/или выработки электроэнергии. Универсальная ветроэнергетическая установка,содержащая ветровое колесо с лопастями из листовой стали, головку с опорной трубой, флюгер,башню, вертикальную трансмиссию и нижний редуктор (универсальную лебедку), при этом число лопастей, свободно поворачивающихся на угол до Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветродвигателям с горизонтальной осью вращения ветроколеса и может быть использовано для подъема воды из колодцев, глубоких скважин и/или выработки электроэнергии. Известна ветросиловая установка 2157921, 03 7/04, 20.10.2000 г. содержащая вал со ступицей и поворотные лопасти, при этом лопасти выполнены подпружиненными и прикреплены к ступице, на вал надета втулка, снабженная узлом торможения, компенсатором гашения инерции,выполненным в виде фрикционной катушки, или пружины, или фрикционной муфты, и гибкими тягами для поворота лопастей, причем втулка имеет участок намотки тяг иди крепления, - надевания фрикционной катушки. Недостатками конструкции являются 1) низкий развиваемый ветровым колесом момент вследствие малого числа лопастей(4 лопасти),который является основным параметром для работы установки в режиме подъема воды 2) переналадка установки с режима работы в качестве электрической станции на режим подъема воды требует значительных затрат времени. Одновременная работа в обоих режимах возможна только при значительных скоростях ветра 3) отсутствие возможности подключения приводов после разгона ветрового колеса, т.к. запуск в работу установки требует значительного первоначального момента, особенно при работе в режиме подъема воды и, тем более, в обоих режимах одновременно 4) не представлены сведения о форме лопасти в поперечном сечении, а последняя, как будет показана ниже, оказывает значительное влияние на развиваемые ветровым колесом момент, частоту вращения и мощность Широкое применение получил ветроагрегат АВЭУ 6-4 М Харитонов В.П. Автономные ветроэнергетические установки, с.12, М. ГНУ ВИЭСХ, 2006. с.280 - ветроэнергетический унифицированный модернизованный агрегат мощностью 4 кВт и диаметром ветрового колеса - 6 м, содержащий силовую головку с двухступенчатым редуктором, генератором и виндрозой, двухлопастное ветровое колесо и башню с растяжками. Его недостатками являются 1) низкая эффективность установки по моменту и мощности,определяемых конструкцией двухлопастного ветрового колеса и формой лопасти во фронтальной плоскости 2) пониженная надежность конструкции ветрового колеса в связи с тем, что при усилении ветра до ураганного лопасти поворачиваются всей плоскостью навстречу потоку воздуха. Давление на лопасти при этом значительно возрастает, что может вызвать поломку лопастей 3) увеличенная масса головки ветроагрегата поднимаемой на заданную высоту (7-12 метров), 2 состоящей из массы двухступенчатого редуктора,генератора, виндрозы и самого корпуса головки. Наиболее близким, принятым за прототип,является ветродвигатель ТВ-8 Закржевский Э.Р. Ветродвигатели для механизации животноводческих ферм. с.52 Минск Редакция с.-х. лит-ры, 1959..199,содержащий восемнадцатилопастное ветровое колесо с лопастями из листовой стали,головку с опорной трубой, флюгер, боковую лопату,башню, вертикальную трансмиссию и нижний редуктор(универсальную лебедку),обеспечивающий возможность передачи момента на привод горизонтального насоса и на привод различных машин в том числе и генератора. Ветродвигатель ТВ-8 обладает рядом недостатков 1) низкая частота вращения восемнадцатилопастного ветрового колеса, что вызывает необходимость повышения частоты вращения выходного звена даже в приводе на насосную установку и тем более в приводе на генератор со значительной потерей крутящего момента 2) переход (переналадка) ветродвигателя с режима ветроводоподъемного двигателя на работу других машин, в том числе и генератора электрического тока трудоемкий и требует значительных затрат времени,отсутствует мобильность ветродвигателя связанной с переналадкой с одного режима на другой 3) невозможность подключения насоса или других механизмов после разгона ветрового колеса вследствие использования кулачковой муфты,соединяющей вертикальный вал с универсальной лебедкой 4) сложная трехободная конструкция ветрового колеса и вызывающая сомнение в ее оптимальности с точки зрения обеспечения максимальной эффективности по моменту, частоте вращения и мощности 5) громоздкость конструкции обеспечивающей регулирование частоты вращения ветрового колеса и его останова путем вывода головки из под ветра с помощью боковой лопаты 6) невозможность обеспечения соосности составных секций вертикального вала привода вследствие установки подшипников секций на растяжках, закрепленных к башне. Это ведет к потере КПД привода и снижению работоспособности трансмиссии в целом 7) сложность конструкции универсальной лебедки состоящей из конической и цилиндрической зубчатых передач на привод насоса и дополнительной цилиндрической зубчатой передачи на привод других механизмов и машин. Задачей изобретения является создание конструкции универсальной ветроэнергетической установки с использованием оптимальных конструктивных параметров ветрового колеса(количества лопастей, их формы, угла заклинения и относительной площади),обеспечивающих максимальные значения момента, частоты вращения и мощности, развиваемых ветровым колесом как при работе ветроэнергетической установки в режиме электрической станции, так и в режиме ветроводоподъемного агрегата. Технический результат достигается путем использования оптимальных конструктивных параметров (число лопастей, угол заклинения,форма лопасти, относительная площадь лопасти),полученных в процессе экспериментальных исследований на моделях с помощью аэродинамической трубы при постоянной скорости воздушного потока на основе минимизации потерь по моменту, частоте вращения и мощности. Оптимальные значения числа лопастей, угла заклинения, формы лопасти представлены на графиках 1, 2, 3, 4. Для регулирования частоты вращения ветрового колеса при изменении скорости ветра и поворота лопастей во флюгерное положении используется метод буревой защиты, суть которого заключается в том, что при воздействии воздушного потока на экран, возвышающийся над ветровым колесом, он отклоняется и через систему рычагов поворачивает лопасти. Чем сильнее ветер, тем на больший угол поворачиваются лопасти вплоть до флюгерного положения с полной остановкой ветрового колеса. Универсальная ветроэнергетическая, установка(фиг.1) содержит ветровое колесо с лопастями из листовой стали, головку с опорной трубой, флюгер,башню, приводы на поршневой насос и генератор,колодочный (ленточный тормоз), вертикальную трансмиссию и нижний редуктор (универсальную лебедку), при этом число лопастей, свободно поворачивающихся на угол до 90, принято равным восьми (график 1), а каждая лопасть выполнена с переменной,уменьшающейся к периферии,вогнутостью (график 2), угол заклинения лопастей принят равным 22-23 (график 3), относительная площадь лопастей - 0,066 (график 4), вертикальная трансмиссия выполнена из отдельных секций модулей, причем трансмиссионный вал каждой секции установлен в двух радиальных шариковых подшипниках, на концах каждого вала установлены стандартные кулачковые муфты с упругими элементами, центрирование секций модулей осуществляется по посадке 8/8. В конструкции используются многодисковая механически управляемая фрикционная муфта, с помощью которой включают привод на насос или генератор после набора необходимой частоты вращения ветровым колесом и механизм регулирования частоты вращения и буревой защиты с экраном,расположенным над ветровым колесом, который обеспечивает поворот лопастей через систему рычагов вплоть до флюгерного положения при ураганных порывах ветра с последующей автоматической фиксацией лопастей в этом положении с полной остановкой ветрового колеса. Универсальная ветроэнергетическая установка может работать в трех режимах- в режиме электрической станции, для чего с помощью специального троса, рукоятка которого находится на высоте 1,5 м, устанавливают рабочий угол атаки, освобождают колодочный (или ленточный) тормоз и после набора ветровым колесом определенной частоты вращения включают многодисковую фрикционную муфту связывающую выходной вал нижнего конического редуктора с планетарным редуктором, входящего в привод генератора муфта на привод насоса при этом должна быть выключена- в режиме подъема воды, для чего в той же последовательности включают привод насоса муфта на привод генератора должна быть при этом выключена в этом случае особенно значимой является необходимость разгона ветрового колеса перед включением муфты, т.к. момент трогания может быть очень большим- в режиме одновременной работы в качестве электрической станции и ветроводоподъемного агрегата при скоростях ветра 4-6 м/с и выше установка может одновременно вырабатывать электрической ток и поднимать воду, для чего включают обе фрикционные муфты сцепления. Ветроэнергетическая установка может быть выполнена только как электрическая станция или только как ветроводоподъемная установка. Все исполнительные узлы (нижний конический редуктор, привод на насос, выполненный в виде ременных передач с кривошипно-шатунным механизмом и направляющей,планетарный редуктор, фрикционные многодисковые муфты сцепления,колодочный тормоз,генератор) расположены в основании ветроэнергетической установки, что значительно уменьшает массу элементов поднимаемых на заданную высоту и упрощает доступ к оборудованию и управление им. Башня выполнена из отдельных секций в соответствии с секциями стойки, что позволяет демонтировать любую составную секцию стойки,например, для замены подшипников, не нарушая положения других секций и силовой головки с ветровым колесом. Применен агрегатный метод сборки. Универсальная ветроэнергетическая установка комплектуется из специальных агрегатных узлов(силовая головка, ветровое колесо, флюгер,механизм буревой защиты, стойки-модули, нижний редуктор, привод на насосную установку и насос,основание, секции башни) и стандартных узлов(планетарный редуктор, генератор, многодисковые фрикционные муфты, колодочный или ленточный тормоз). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Универсальная ветроэнергетическая установка,содержащая ветровое колесо с лопастями из листовой стали, головку с опорной трубой, флюгер,башню, вертикальную трансмиссию и нижний редуктор, отличающаяся тем, что число лопастей,свободно поворачивающихся на угол до 90,принято равным восьми, а каждая лопасть выполнена с переменной, уменьшающейся к периферии, вогнутостью, угол заклинения лопастей принят равным 22-23, относительная площадь лопастей - 0,066, вертикальная трансмиссия 3 выполнена из отдельных секций - модулей, причем трансмиссионный вал каждой секции установлен в двух радиальных шариковых подшипниках, на концах каждого вала установлены стандартные кулачковые муфты с упругими элементами,центрирование секций модулей осуществляется по посадке 8/8,применены многодисковая механически управляемая фрикционная муфта, с помощью которой включают привод на насос или генератор после набора необходимой частоты вращения ветровым колесом и механизм регулирования частоты вращения и буревой защиты с экраном, возвышающимся над ветровым колесом и через систему рычагов обеспечивающим поворот лопастей вплоть до флюгерного положения при ураганных порывах ветра с последующей автоматической фиксацией лопастей в этом положении.