RU2080481C1

RU2080481C1 - Wind-power plant

Info

Publication number: RU2080481C1
Application number: RU9393036907A
Authority: RU
Inventors: Валентин Дмитриевич Филимонов
Original assignee: Валентин Дмитриевич Филимонов
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 1997-05-27

Abstract

FIELD: wind-power engineering. SUBSTANCE: plant has operating gear mounting electric generator with horizontal shaft, turbocontraction, and propeller. Generator has two stacks each incorporating propeller with varying angles of attack and is mounted in turbocontraction with inlet part in the form of cone contracting towards cylinder. Turbocontraction has tail fins at end; operating gear is installed on four variable-height supports resting on supporting and handling platform. EFFECT: improved design. 4 dwg

Description

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в любых отраслях народного хозяйства, преимущественно в сельском хозяйстве. The invention relates to the field of wind energy and can be used in any sectors of the economy, mainly in agriculture.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая поворотное устройство, установленный на нем генератор с горизонтальным валом, турбоконфузор и движитель. Known wind power installation containing a rotary device mounted on it with a horizontal shaft generator, turbofuser and propulsion.

Недостатком этой установки является низкая эффективность ее работы, заключающаяся в меньшей мощности и количестве вырабатываемой энергии, которая напрямую зависит от параметров и характеристик используемого промежуточного оборудования, например теплового насоса и т.д. Использование мощного насоса в известной установке невозможно из-за прочностных характеристик и габаритных размеров корпуса установки, внутри которого он размещается. Известная установка имеет более сложную конструкцию за счет наличия дополнительных механизмов для отбора тепла от воздуха, обтекающего корпус снаружи и передачи этого тепла воздушному потоку, проходящему внутри корпуса. Это ведет к снижению надежности работы установки в целом. The disadvantage of this installation is the low efficiency of its operation, which consists in less power and the amount of energy generated, which directly depends on the parameters and characteristics of the used intermediate equipment, such as a heat pump, etc. Using a powerful pump in a known installation is impossible due to the strength characteristics and overall dimensions of the installation casing, inside which it is placed. The known installation has a more complex structure due to the presence of additional mechanisms for taking heat from the air flowing around the housing from the outside and transferring this heat to the air flow passing inside the housing. This leads to a decrease in the reliability of the installation as a whole.

Кроме того, использование движительного механизма в виде турбины со множеством лопастей способствует получению эффекта запирания в начальный момент времени, пока турбина не раскрутится, и усугубляет процесс самоторможения воздушного потока, способствуя затуханию кинетической энергии воздушного потока в рабочем пространстве корпуса установки при резких скачках-колебаниях воздушного потока, до критически-минимальных значений. In addition, the use of a propulsion mechanism in the form of a turbine with many blades contributes to the locking effect at the initial moment of time until the turbine is untwisted, and exacerbates the process of self-braking of the air flow, contributing to the attenuation of the kinetic energy of the air flow in the working space of the installation casing during sudden jumps-fluctuations in air flow, to critical minimum values.

Цель изобретения создание высокоэффективной мобильной надежно работающей при любом ветре ветроэнергетической установки с габаритами в сложенном состоянии, позволяющими транспортировать ее на другое место размещения. Получаемый при использовании предлагаемой установки технический результат состоит в обеспечении высокоэффективной стабильной ее работы при минимальных (с 0,5 м/с) и максимальных (до 50 м/с) скоростях движения воздушной массы вне зависимости от погодных условий и силы ветра в данный конкретный момент времени. Кроме того, изобретение позволяет получить компактную установку в транспортном положении. The purpose of the invention is the creation of a highly efficient mobile wind turbine operating reliably in any wind with dimensions in the folded state, allowing transporting it to another location. The technical result obtained using the proposed installation consists in providing highly efficient stable operation at minimum (from 0.5 m / s) and maximum (up to 50 m / s) air mass velocities, regardless of weather conditions and wind force at a given moment time. In addition, the invention allows to obtain a compact installation in the transport position.

Указанный технический результат достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей поворотное устройство, установленный на нем электрогенератор с горизонтальным валом, турбоконфузор и движитель, электрогенератор состоит из двух пакетов, имеющих по движительному механизму с меняющимся углом атаки и помещен в турбоконфузор с входной частью, выполненной в виде конуса, сужающегося к цилиндру, при этом турбоконфузор снабжен на конце килями, а поворотное устройство размещено на четырех стойках, регулируемых по высоте и опирающихся на опорно-транспортную платформу. The specified technical result is achieved by the fact that in a wind power installation containing a rotary device, an electric generator with a horizontal shaft mounted thereon, a turboconfuser and a propulsion device, the electric generator consists of two packages having a moving mechanism with a changing angle of attack and placed in a turboconfuser with an input part made in the form of a cone, tapering to the cylinder, while the turboconfuser is equipped with keels at the end, and the rotary device is placed on four racks, adjustable in height and resting on a support and transport platform.

На фиг. 1 представлена схема ветроэнергетической установки; на фиг.2 - поворотное устройство; на фиг.3 движительный механизм; на фиг.4 - электрическая схема ветроэнергетической установки. In FIG. 1 shows a diagram of a wind power installation; figure 2 - rotary device; figure 3 propulsion mechanism; figure 4 is an electrical diagram of a wind power installation.

Ветроэнергетическая установка содержит поворотное устройство 1, на котором установлены электрогенератор 2 с горизонтальным валом 3, турбоконфузор 4 и движитель 5. Поворотное устройство 1 размещено на четырех стойках 6, регулируемых по высоте и опирающихся на опорно-транспортную платформу 7, служащую для транспортировки установки с помощью тягача. В нишах платформы 7 размещена аккумуляторная батарея 8, служащая источником питания постоянным током обмоток возбуждения ВОЗБ (фиг.5) электрогенератора 2 и для запитывания согласующих и исполнительных механизмов. Поворотное устройство 1 (фиг.2) содержит верхнюю обойму 9, вращающуюся посредством подшипникового узла 10, например, с помощью радиально-опорного подшипника, вокруг неподвижного опорного узла 11. Для предотвращения бокового и вертикального смещения верхней обоймы 9 служат бортовые ролики 12. The wind power installation contains a rotary device 1 on which an electric generator 2 with a horizontal shaft 3, a turbofuser 4 and a propulsion device 5 are installed. The rotary device 1 is placed on four struts 6, adjustable in height and supported by a supporting and transport platform 7, which serves to transport the installation using tractor unit. In the niches of the platform 7 there is a rechargeable battery 8, which serves as a DC power source for the excitation windings WHO (Fig. 5) of the generator 2 and for powering matching and actuating mechanisms. The rotary device 1 (Fig. 2) contains an upper cage 9, rotating by means of a bearing assembly 10, for example, by means of a radial support bearing, around a stationary supporting assembly 11. To prevent lateral and vertical displacement of the upper casing 9, side rollers 12 are used.

Турбоконфузор 4 состоит из входной части 13, выполненной в виде конуса для концентрации попадающего в него воздушного потока, сужающегося к цилиндру 14. На конце цилиндра 14 турбоконфузор 4 снабжен килями 15, установленными с возможностью перемещения в направлении друг к другу для складывания по параллели (по принципу косого паруса). Длина входной части 13 турбоконфузора 4 больше длины цилиндра 14. Это необходимо для получения относительно небольшого угла бортовых траекторий турбоконфузора и увеличения входного диаметра. Turboconfuser 4 consists of an inlet part 13, made in the form of a cone for the concentration of the air flow entering it, tapering to the cylinder 14. At the end of the cylinder 14, the turboconfuser 4 is equipped with keels 15, which are mounted for movement in parallel to each other (for folding oblique sail principle). The length of the inlet 13 of the turboconfuser 4 is greater than the length of the cylinder 14. This is necessary to obtain a relatively small angle of the side paths of the turboconfuser and to increase the inlet diameter.

Внутри турбоконфузора 4 размещен электрогенератор 2, состоящий из двух пакетов 16 и 17, имеющих по движительному механизму 5 с меняющимся углом атаки. Каждый из пакетов 16 и 17 включает в себя по пять автономных одинаковых по габаритам секций 18 генераторов небольшой мощности, размещенных на общем валу 3. Электрическая цепь этих секций 18 генераторов собрана в параллельную схему. Секции 18 генераторов снабжены трехфазной обмоткой, в которой наводится трехфазная ЭДС, и работают в качестве источника электрической энергии трехфазного тока с частотой 50 Гц. An electric generator 2 is placed inside the turboconfuser 4, consisting of two packets 16 and 17, having a propulsion mechanism 5 with a varying angle of attack. Each of the packages 16 and 17 includes five autonomous sections of the same size 18 generators of low power, located on a common shaft 3. The electrical circuit of these sections 18 of the generators is assembled in parallel. Section 18 of the generators are equipped with a three-phase winding, in which a three-phase EMF is induced, and operate as a source of electrical energy of a three-phase current with a frequency of 50 Hz.

Съем и передача электроэнергии осуществляется посредством токосъемных устройств 19, например, пантографного типа, размещенных внутри поворотного устройства 1. The removal and transmission of electricity is carried out by means of collector devices 19, for example, pantographic type, placed inside the rotary device 1.

Движитель 5, установленный в конце пакета 16 электрогенератора 2, расположен в начале цилиндра 14, а движитель 5, расположенный в конце цилиндра 14, делит пакет 17 электрогенератора 2 на две части. The mover 5, installed at the end of the package 16 of the electric generator 2, is located at the beginning of the cylinder 14, and the mover 5, located at the end of the cylinder 14, divides the package 17 of the electric generator 2 into two parts.

Каждый из движителей 5 (фиг.3) состоит из ступицы 20, установленной на валу 3 электрогенератора 2, на которой посредством кронштейнов 21 размещен опорный барабан 22 с двумя лопастями 23 движителя 5. Механизм, меняющий угол атаки лопастей 23 движителя 5, содержит червячный редукторный механизм 24, сопряженный с микродвигателем 25 и установленный жестко на оси лопасти 23 движителя 5. Микродвигатель 25 жестко крепится к кронштейну 21, который соединен со ступицей 20, жестко связанной с горизонтальным валом 3 электрогенератора 2, и крепится к опорному барабану 22 движителя 5. Внутри каждого движителя 5 размещен опорный диск 26, который жестко соединен с корпусом фюзеляжем электрогенератора 2. На диске 26 закреплены два токосъемных устройства 27 и 28 постоянного тока, которые призваны передавать электросигнал к обмоткам возбуждения ВОЗБ (фиг.5) первого 16 и второго 17 пакетов электрогенератора 2 и редукторному механизму 24 изменения угла атаки лопастей 23. Внутри каждой лопасти 23 размещен гидропневматический центробежный механизм (не показан). Each of the propulsors 5 (Fig. 3) consists of a hub 20 mounted on the shaft 3 of the electric generator 2, on which, using the brackets 21, a support drum 22 with two blades 23 of the propulsion device 5 is placed. The mechanism that changes the angle of attack of the blades 23 of the propulsion device 5 contains a worm gear a mechanism 24 coupled to the micromotor 25 and mounted rigidly on the axis of the blade 23 of the propulsion unit 5. The micromotor 25 is rigidly attached to an arm 21, which is connected to the hub 20, rigidly connected to the horizontal shaft 3 of the electric generator 2, and is attached to the supporting drum 22 of the mover 5. Inside each mover 5 there is a supporting disk 26, which is rigidly connected to the body by the fuselage of the electric generator 2. On the disk 26 are fixed two current-collecting devices 27 and 28 of direct current, which are designed to transmit an electric signal to the excitation windings of the WHO (Fig. 5) of the first 16 and the second 17 packages of the electric generator 2 and the gear mechanism 24 for changing the angle of attack of the blades 23. Inside each blade 23 there is a hydro-pneumatic centrifugal mechanism (not shown).

В транспортном положении ветроэнергетическая установка, размещенная на опорно-транспортной платформе 7, с помощью регулируемых по высоте стоек 6 занимает крайнее нижнее положение. Верхняя обойма 9 поворотного устройства 1 крепится талрепами к платформе 7 для исключения самопроизвольного поворота энергоблока при транспортировке. In the transport position, the wind power installation located on the support and transport platform 7, with the help of height-adjustable racks 6, occupies the lowest position. The upper clip 9 of the rotary device 1 is attached with lanyards to the platform 7 to exclude spontaneous rotation of the power unit during transportation.

Электрическая схема (фиг.4) включает в себя обмотки возбуждения ВОЗБ первого 16 и второго 17 пакетов электрогенератора 2, связанные с пультом управления, с которым также связан приемник воздушного давления ПВД, служащий для изменения угла атаки лопасти 23 в зависимости от скорости движения воздушной массы. Приемник воздушного давления ПВД связан с блоком реле времени, настроенным на время, связанное с несколькими диапазонами скоростей движения воздушной массы для определенного угла атаки лопасти 23. Для непосредственного изменения угла атаки каждой лопасти 23 применены редукторные микродвигатели МД, каждый из которых задействован на одну лопасть 23 одного и другого движителей 5. The electric circuit (figure 4) includes the excitation windings of the first 16 and second 17 packages of the electric generator 2, connected with the control panel, which is also connected to the LDPE air pressure receiver, which serves to change the angle of attack of the blade 23 depending on the speed of the air mass . The LDPE air pressure receiver is connected to a time relay unit configured for a time associated with several ranges of air mass velocities for a certain angle of attack of the blade 23. To directly change the angle of attack of each blade 23, MD gear micromotors are used, each of which is used on one blade 23 one and the other movers 5.

Так как движение воздушной массы по скорости неоднородно и, соответственно, обороты генератора 10 варьируются от 50 до 750 оборотов в минуту, электроэнергия, вырабатываемая электрогенератором 2, также будет неоднородна за счет того, что частота вырабатываемой энергии напрямую связана с частотой оборотов синхронного электрогенератора 2. Для компенсирования неизбежных скачков в электросхеме установки предусмотрено согласующее устройство СУ. Since the movement of air mass in speed is non-uniform and, accordingly, the speed of the generator 10 varies from 50 to 750 rpm, the electricity generated by the electric generator 2 will also be heterogeneous due to the fact that the frequency of the generated energy is directly related to the speed of the synchronous generator 2. To compensate for unavoidable surges in the electrical circuit of the installation, a matching device SU is provided.

Так как электрогенератор 2 построен по пакетной схеме из параллельно соединенных автономных секций 18 генераторов небольшой мощности, то для получения стабильной электроэнергии при подобной конструкции электрогенератора 2 предусмотрен блок контакторов по числу, равному количеству секций 18 генераторов, собранных в пакеты 16 и 17. Блок контактов является связующим звеном между генераторными секциями 18 и блоком увеличения частоты (блок УЧ) электроэнергии как по току, так и по напряжению, и работает по принципу поочередного отключения. Since the electric generator 2 is built on a batch scheme of parallel connected autonomous sections 18 of low power generators, to obtain stable electricity with a similar design of the electric generator 2, a block of contactors is provided in the number equal to the number of sections 18 of the generators assembled in packages 16 and 17. The contact block is the connecting link between the generator sections 18 and the unit for increasing the frequency (UCH unit) of electric power both in current and in voltage, and works on the principle of alternating shutdown.

С блоком увеличения частоты (блок УЧ) напряжения связана система фильтрации, служащая для вычленения оптимальной формы синусоиды (гармоники) в приемнике энергии. Как и во всех известных электрических схемах электровырабатывающих машин, так и в предлагаемой ветроэнергетической установке, в электрической схеме предусмотрено стабилизирующее устройство. A filtering system is connected to the frequency increasing unit (UCH unit) of the voltage, which serves to isolate the optimal form of a sinusoid (harmonic) in the energy receiver. As in all known electrical circuits of electric generating machines, as well as in the proposed wind power installation, a stabilizing device is provided in the electrical circuit.

Заключает электрическую цепь распределительное устройство Ру КСО, на которое поступает выработанное установкой переменное напряжение. Одним из необходимых элементов распределительного устройства Ру КСО является пульт управления. The switchgear Ru KSO encloses the electric circuit, to which the alternating voltage generated by the installation is supplied. One of the necessary elements of the switchgear Ru KSO is the control panel.

В первоначальный момент времени источником питания постоянным током обмоток возбуждения ВОЗБ первого 16 и второго 17 пакетов электрогенератора 2, а также согласующего устройства СУ, приемника воздушного давления ПВД и исполнительных механизмов изменения угла атаки лопасти 23 служит аккумуляторная батарея 8, необходимая также и для приведения в действие приводных электродвигателей гидросистем и вспомогательных устройств. Для самовозбуждения пакетов 16 и 17 электрогенератора 2 при уже работающей установке в электросхеме предусмотрены блок-выпрямитель и реле-регулятор Р-Р, преобразующие переменный ток в постоянный. Для подзарядки аккумуляторной батареи 8 во время работы установки, а также для питания постоянным током потребителей вспомогательных устройств служит выпрямитель, преобразующий вырабатываемый переменный ток в постоянный. At the initial moment of time, the direct current power supply of the WHO excitation windings of the first 16 and second 17 packages of the electric generator 2, as well as the matching device SU, the air pressure receiver of the LDPE and the actuators for changing the angle of attack of the blade 23 is the battery 8, which is also necessary for driving hydraulic drive motors and auxiliary devices. For self-excitation of packages 16 and 17 of the electric generator 2, when the installation is already working, a rectifier block and a relay-regulator РР Р are provided in the electrical circuit, which convert alternating current to direct current. To recharge the battery 8 during installation, as well as to supply direct current to consumers of auxiliary devices, a rectifier is used to convert the generated alternating current to direct.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. Wind power installation works as follows.

Предварительно подготавливают ветроэнергетическую установку к работе. Для этого транспортируют опорно-транспортную платформу 7 с размещенной на ней установкой с помощью тягача к месту эксплуатации и фиксируют ее к грунту. Осуществляют открепление талрепов от верхней обоймы 9 поворотного устройства 1, освобождая ее для свободного поворота турбоконфузора 4 в зависимости от направления воздушного потока. Осуществляют подъем турбоконфузора 4 с помощью регулируемых по высоте стоек 6 на максимально предусмотренную высоту. В зависимости от направления ветра посредством килей 15 верхняя обойма 9 поворотного устройства 1 с размещенным на ней турбоконфузором 4 поворачивается и устанавливается на рабочий режим в зависимости от направления ветра, устанавливаясь входной частью 13 турбоконфузора 4 против ветра. Pre-prepare the wind power installation for work. To do this, transport the supporting transport platform 7 with the installation placed on it with the help of a tractor to the place of operation and fix it to the ground. The lanyards are detached from the upper casing 9 of the rotary device 1, freeing it for free rotation of the turboconfuser 4 depending on the direction of the air flow. Turboconfuser 4 is hoisted using height-adjustable posts 6 to the maximum height provided. Depending on the direction of the wind by means of keels 15, the upper ferrule 9 of the rotary device 1 with the turboconfuser 4 placed on it is rotated and set to the operating mode depending on the wind direction, being installed by the inlet part 13 of the turboconfusor 4 against the wind.

Воздушный поток, получив максимальное ускорение, приводит в работу движители 5. Как только начинают работать движители 5, вместе с ними вращается горизонтальный вал 3 первого 16 и второго 17 пакетов электрогенератора 2. После прохождения турбоконфузора 4 воздушный поток, отдав свою энергию движителям 5 за счет определенных углов килей 15, беспрепятственно выходит из рабочего пространства турбоконфузора 4. The air flow, having received maximum acceleration, drives movers 5. As soon as movers 5 begin to work, the horizontal shaft 3 of the first 16 and second 17 packages of electric generator 2 rotates with them. After passing the turboconfuser 4, the air flow gives its energy to movers 5 due to certain angles of the keels 15, freely exits the working space of the turbofuser 4.

Работа электрической части ветроэнергетической установки осуществляется следующим образом. The operation of the electrical part of the wind power installation is as follows.

С пульта управления осуществляют включение аккумуляторной батареи 8, которая посылает электросигнал для запуска электроприводов исполнительных вспомогательных устройств, осуществляющих приведение ветроэнергетической установки в рабочее положение и служит первоначальным источником питания обмоток возбуждения ВОЗБ пакетов 16 и 17 электрогенератора 2. По мере возрастания оборотов электрогенератора 2 происходит поочередное отключение трансформаторов блока увеличения частоты (блок УЧ). Переменное напряжение с каждой секции 18 электрогенератора 2 поступает через токосъемные устройства 19, размещенные внутри поворотного устройства 1, в систему фильтрации для избирательности формы кривой тока и напряжения, направляемых в распределительное устройство Ру КСО через стабилизатор. Полученную от стабилизатора электрическую энергию распределительное устройство Ру КСО отслеживает своими системами безопасности, концентрируя ее на распределительной панели для безопасности обслуживания потребителей. From the control panel, the battery 8 is turned on, which sends an electric signal to start the electric actuators of the executive auxiliary devices, bringing the wind power installation to working position and serves as the initial power source for the excitation windings of the ASB packages 16 and 17 of the generator 2. As the speed of the generator 2 increases, it turns off one by one transformers of the frequency increasing unit (UCH unit). Alternating voltage from each section 18 of the electric generator 2 enters through current collector devices 19 located inside the rotary device 1 into the filtering system for selectivity of the shape of the current and voltage curves sent to the KSO switchgear through the stabilizer. The switchgear Ru KSO monitors the electrical energy received from the stabilizer with its safety systems, concentrating it on the distribution panel for the safety of customer service.

Одновременно с направлением сигнала на запитывание обмоток возбуждения ВОЗБ секций 18 электрогенератора 2 с пульта управления посылают сигнал на приемник воздушного давления ПВД и согласующее устройство СУ. Приемник воздушного давления в зависимости от скорости заборной воздушной массы посредством своей рабочей программы через блок реле времени посылает сигналы на исполнительные механизмы изменения угла атаки лопастей 23, которые занимают определенное положение, оптимизируя при этом эффективность работы движителей 5. Simultaneously with the direction of the signal for energizing the excitation windings of the WHOD sections 18 of the electric generator 2, a signal is sent from the control panel to the LDPE air pressure receiver and the matching device SU. The air pressure receiver, depending on the speed of the intake air mass, through its working program through the time relay unit sends signals to the actuators for changing the angle of attack of the blades 23, which occupy a certain position, while optimizing the efficiency of the propulsors 5.

Посредством работы согласующего устройства СУ по мере возрастания скорости движения воздушного потока или, наоборот, ее уменьшения производится поочередное отключение или включение тех или иных контакторов и, как производное работы контакторов, включение или отключение устройств увеличения частоты напряжения, выдаваемого электрогенератором 2 в зависимости от скорости его вращения. Through the operation of the matching device SU with increasing speed of the air flow or, conversely, decreasing it, one or another contactor is turned off or on and, as a derivative of the work of the contactors, turns on or off the devices to increase the frequency of the voltage generated by the electric generator 2 depending on its speed rotation.

Работа всех вспомогательных механизмов направлена на отслеживание и корректировку параметров электрического тока, поступающего на распределительное устройство Ру КСО, независимо от скорости воздушной массы. The work of all auxiliary mechanisms is aimed at tracking and adjusting the parameters of the electric current supplied to the switchgear of the KSO, regardless of the air mass velocity.

При налаженной работе ветроэнергетической установки часть полученной электрической энергии используют для подзарядки аккумуляторной батареи 8 и питания вспомогательных механизмов постоянного тока. Для этого с помощью выпрямителя, включенного от распределительного устройства Ру КСО, производят преобразование переменного напряжения в постоянное, которое направляют через реле-регулятор Р-Р, включенный между выпрямителем и пультом управления в общую схему. When the wind turbine is operating properly, part of the received electric energy is used to recharge the battery 8 and power auxiliary DC mechanisms. To do this, using a rectifier connected from the switchgear Ru KCO, an alternating voltage is converted to direct voltage, which is sent through the relay-regulator R-P, connected between the rectifier and the control panel in a common circuit.

Claims

A wind power installation comprising a rotary device, an electric generator with a horizontal shaft mounted on it, a turboconfuser and a propulsion device, characterized in that the electric generator consists of two packages having a propulsion mechanism with a changing angle of attack, and is placed in a turboconfuser with an inlet made in the form of a cone tapering to the cylinder, while the turbofuser is equipped with keels at the end, and the rotary device is located on four racks, adjustable in height and supported by the supporting transport plate shape.