RU2452869C1

RU2452869C1 - Megabyte wind-power unit

Info

Publication number: RU2452869C1
Application number: RU2011106392/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Губанов (RU); Александр Владимирович Губанов
Original assignee: Александр Владимирович Губанов
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-06-10

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: wind-power unit comprises a bearing frame with at least three columns meeting at the top, inside of which there is a generator and a rotor-turbine unit installed coaxially with canvas elements spaced aside from the vertical axis of rotation. On the tope of the frame there is a mechanical lift, below which there is a generator-turbine unit installed as joined with it by a flexible rope traction bar, with an added horizontal tightening rim along the perimetre of canvas elements. The rim rests upon rollers, axes of free rotation of which are at the same level and are radially directed towards a turbine. Axes of rollers are installed in vessels covering columns of the bearing frame capable of angular displacement, which makes it possible to lower the generator-turbine unit down to a wind-power unit foundation for maintenance and protection in extreme weather conditions.

EFFECT: improved conditions of wind-power unit service and its trouble-free operation with higher suitability, strength and reliability.

2 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для получения электроэнергии.The invention relates to wind energy and can be used to generate electricity.

Устройство используется для получения мегаваттных мощностей электроэнергии посредством ее генерации из возобновляемого природного источника - перемещающихся в атмосфере нестабильных воздушных масс на континентальных территориях.The device is used to obtain megawatt electric power by generating it from a renewable natural source - unstable air masses moving in the atmosphere on continental territories.

Сущность технического решения состоит в применении конструктивно-силовой схемы, при которой несущий каркас устройства оснащен на вершине механическим подъемником, сообщающимся посредством гибких тросовых тяг с нижерасположенным генератором, ротор которого имеет вертикальную ось вращения, турбина одета на выступающий снизу конец роторного вала, разнесенные в стороны от оси вращения парусные элементы дополнены по периметру виндротора горизонтальным стягивающим ободом, который опирается по меньшей мере на три свободно вращающихся ролика, выставленных на одном фиксированном уровне в корпусах, относящихся к колоннам несущего каркаса. Перед спуском генераторно-турбинного блока к фундаменту сооружения при помощи упомянутого подъемника, предусмотрено смещение опорных роликов в сторону от их рабочего радиально направленного на турбину положения.The essence of the technical solution consists in the application of a structural power scheme, in which the supporting frame of the device is equipped on top with a mechanical hoist communicating by means of flexible cable rods with a downstream generator, the rotor of which has a vertical axis of rotation, the turbine is dressed on the end of the rotor shaft protruding from below, spaced apart from the axis of rotation, the sailing elements are supplemented along the perimeter of the windrotor with a horizontal tightening rim, which is supported by at least three freely rotating po Linda offered for a fixed level in the buildings belonging to the columns supporting framework. Before lowering the generator-turbine block to the foundation of the structure using the aforementioned elevator, it is envisaged that the support rollers are shifted away from their working position radially directed to the turbine.

Предложенный ветроагрегат относится к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра.The proposed wind turbine relates to wind power plants (wind turbines) with the axis of rotation of the rotor perpendicular to the direction of the wind.

Для современной энергетики весьма характерным является однозначное преобладание горизонтально-роторных ВЭУ и их подавляющее сосредоточение в основном на восточном побережье США и Канады, в приморских странах западной и прежде всего северо-западной Европы, где вырабатывается около 89% всех мощностей мировой ветроэнергетической отрасли. Неприемлемостью данного класса ВЭУ в условиях работы на континентальных территориях объясняется отсутствие здесь динамического развития и прогресса ветроэнергетики. Кроме того, горизонтально-роторные установки с диаметром турбин порядка 100 м (промышленная модель Е-112 фирмы Enercom GmbH) достигли своего потолка мощности и экономической целесообразности в силу достигнутого предела прочностных характеристик материала и узлов, удорожания кВт электроэнергии, не обладают ресурсом для совершенствования конструктивно-силовых схем. С учетом указанных обстоятельств в качестве базового технического решения автор остановился на ВЭУ виндроторной конструкции.For the modern energy sector, the unambiguous predominance of horizontal-rotor wind turbines and their overwhelming concentration mainly on the eastern coast of the USA and Canada, in the coastal countries of western and primarily north-western Europe, where about 89% of all the world’s wind power industry is generated, is very characteristic. The unacceptability of this class of wind turbines in the conditions of work on the continental territories explains the lack of dynamic development and progress of wind energy here. In addition, horizontal rotor units with a turbine diameter of about 100 m (industrial model E-112 from Enercom GmbH) have reached their ceiling of power and economic feasibility due to the reached limit of strength characteristics of the material and components, the cost of kW of electricity increases, they do not have a resource for improving structurally power schemes. Given these circumstances, as a basic technical solution, the author settled on a wind turbine wind turbine design.

В качестве конкретных прототипов выбраны эффективные и работоспособные не только в благоприятных условиях приморского климата виндроторные электростанции с турбинами Дарье, ортогональными парусными элементами (патенты RU №№2000469, 2391554). Обеспечение высокой мощности данных ВЭУ, как и в горизонтально-роторных станциях, осуществляется за счет увеличения габаритов турбинного узла, дающих большую площадь поверхности, ометаемой его парусными элементами. Парусные элементы виндроторов все более разносятся в стороны от их общей оси вращения. По достижению определенного предела используемая конструктивно-силовая схема не в состоянии выдержать вес турбин и напор ветра, происходит деформация и разрушение ответственных механических частей устройства. Наступает это за долго до достижения мегаваттной мощности ветрогенератора, примерно при переходе порога в 150 кВт. В результате из около 3 млн ВЭУ, эксплуатируемых на сегодня во всех индустриальных странах мира, ничтожная доля в 25 установок являются электростанциями мегаваттного класса. Причем лишь одна из них в Канаде оснащена вертикально-роторной турбиной Дарье и уже с 1987 г. не может преодолеть опытно-промышленный этап испытаний.Windrotor power plants with Daria turbines, orthogonal sailing elements (patents RU No. 2000469, 2391554) were selected as specific prototypes that were effective and efficient not only in favorable conditions of the coastal climate. Ensuring the high power of these wind turbines, as in horizontal rotary stations, is carried out by increasing the size of the turbine assembly, giving a large surface area swept by its sailing elements. Windrotor sailing elements are more and more spaced apart from their common axis of rotation. Upon reaching a certain limit, the used structural power scheme is not able to withstand the weight of the turbines and the pressure of the wind, deformation and destruction of the critical mechanical parts of the device occurs. This occurs long before the megawatt power of the wind generator is reached, approximately when the threshold of 150 kW is crossed. As a result, out of about 3 million wind turbines currently in operation in all industrialized countries of the world, a negligible share of 25 installations are megawatt-class power plants. Moreover, only one of them in Canada is equipped with a vertically rotary Darier turbine and since 1987 can not overcome the pilot stage of testing.

Упомянутые виндроторы ортогонального типа и с турбиной Дарье вращаются в единственной подшипниковой опоре, не редко совмещенной с генератором и расположенной под турбиной, ближе к фундаменту установки. Данный узел испытывает значительные нагрузки, прежде всего изгибающий момент, совпадающий с направлением ветра, вследствие чего возникает биение, заклинивание и повреждение опоры. Вместе с тем известны виндроторы, например роторный ветродвигатель (патент RU №2210000), в которых турбина установлена на двух разнесенных опорах выше и ниже турбины, на вершине несущего каркаса и ближе к фундаменту ВЭУ. Однако и данному типу устройств не удается достигнуть мегаваттного уровня мощности, в силу низкого значения движущей силы, осуществляющей вращение ротора под воздействием ветра, и необходимости строительства для преодоления этого недостатка дорогостоящих башенных конструкций не реальной высоты.The orthogonal type wind rotors mentioned above and with the Darier turbine rotate in a single bearing support, which is often combined with the generator and located under the turbine, closer to the installation foundation. This unit experiences significant loads, primarily bending moment, which coincides with the direction of the wind, as a result of which there is a runout, jamming and damage to the support. At the same time, wind rotors are known, for example, a rotary wind turbine (patent RU No. 22120,000), in which the turbine is mounted on two spaced supports above and below the turbine, at the top of the supporting frame and closer to the foundation of the wind turbine. However, this type of device also does not manage to achieve a megawatt power level, due to the low value of the driving force that rotates the rotor under the influence of wind, and the need for construction to overcome this drawback of expensive tower structures of not real height.

Все известные крупные ВЭУ обладают низкими эксплуатационными качествами. Текущее обслуживание, ремонт и замена основных рабочих узлов, вес которых измеряется в тоннах, осуществляется на большой высоте, сопряжено с риском и применением дорогостоящего, не редко уникального оборудования и грузоподъемной техники. По превышению ветром критической скорости, практически неизбежна аварийная ситуация, вплоть до крушения конструкции.All known large wind turbines have low performance. Routine maintenance, repair and replacement of the main work units, the weight of which is measured in tons, is carried out at high altitude, fraught with risk and the use of expensive, often unique equipment and lifting equipment. When the wind exceeds the critical speed, an emergency is almost inevitable, up to the collapse of the structure.

Целью изобретения является создание конструктивно-силовой схемы ВЭУ, обеспечивающей большую приспособленность, прочность и надежность ветроагрегата мегаваттного класса, необходимых на континентальных территориях, улучшение условий обслуживания и безаварийной эксплуатации.The aim of the invention is the creation of a structural-power scheme of a wind turbine, providing greater adaptability, strength and reliability of a megawatt-class wind turbine needed in continental territories, improving service conditions and trouble-free operation.

Поставленная цель достигается тем, что собственно виндротор размещен соосно внутри несущего каркаса, состоящего из по меньшей мере трех вертикальных колонн, сходящихся в вершине, на которой закреплен механический подъемник и связанный и ним гибкими тросовыми тягами чуть ниже расположенный генератор. На выступающий снизу из генератора конец роторного вала одета турбина, по ее периметру в горизонтальной плоскости вращения установлен стягивающий обод. Обод опирается на радиально направленные относительно турбины идентичные ролики, оси которых свободно вращаются в корпусах, обхватывающих колонны каркаса, и установленные на одной высоте, зафиксированной тем или иным способом. Опорно-роликовые узлы имеют возможность горизонтального углового смещения в любую сторону от их рабочего радиального положения.This goal is achieved by the fact that the wind rotor itself is placed coaxially inside the supporting frame, consisting of at least three vertical columns, converging at the top, on which a mechanical hoist is fixed and connected by flexible cable rods just below the generator. A turbine is dressed on the end of the rotor shaft protruding from the bottom of the generator; a tightening rim is installed along its perimeter in the horizontal plane of rotation. The rim rests on identical rollers radially directed relative to the turbine, the axes of which freely rotate in the housings, wrapping the columns of the frame, and installed at the same height, fixed in one way or another. Support roller assemblies have the ability to horizontal angular displacement in any direction from their working radial position.

На фиг.1 показан мегаваттный ветроагрегат, имеющий ортогональную турбину; на фиг.2 - тот же ветроагрегат с турбиной Дарье.Figure 1 shows a megawatt wind turbine having an orthogonal turbine; figure 2 - the same wind turbine with a Daria turbine.

Мегаваттный ветроагрегат содержит виндроторную турбину 1, закрепленную на вертикальном роторном валу 2 генератора 3, который вместе с механическим подъемником 4 установлен на вершине несущего каркаса 5, состоящего из по меньшей мере трех колонн. Генератор и подъемник связаны между собой гибкими тросовыми тягами 6. По периметру турбины имеется горизонтальный обод 7, опирающийся на ролики 8, оси свободного вращения которых установлены в корпусах 9, обхватывающих каждую из колонн. Ролики выставлены на одной высоте за счет неподвижных ограничительных колец 10 и зафиксированы в рабочем радиальном направлении относительно турбины при помощи стягивающих винтов 11.The megawatt wind turbine comprises a wind turbine 1 mounted on a vertical rotor shaft 2 of a generator 3, which, together with a mechanical hoist 4, is mounted on top of a supporting frame 5 consisting of at least three columns. The generator and the lift are connected by flexible cable rods 6. Around the perimeter of the turbine there is a horizontal rim 7, supported by rollers 8, the axis of free rotation of which are installed in the housings 9, wrapping each of the columns. The rollers are set at the same height due to the fixed restrictive rings 10 and are fixed in the working radial direction relative to the turbine with the help of tightening screws 11.

Ветроагрегат работает следующим образом. Под напором ветра приходит во вращательное движение турбина 1 и вместе с ней роторный вал 2 генератора 3, в статорной обмотке которого начинает вырабатываться электрический ток. Движущей силой, обеспечивающей вращение, является разница в аэродинамических свойствах парусных элементов турбины в их диаметрально противоположных позициях относительно оси вращения. Генераторный узел 3 и турбинно-роторное соединение 1-2 ветроагрегата отцентрованы по отношению к несущему каркасу 5, а турбина 1 своим стягивающим горизонтальным ободом 7 опирается на три ролика 8, оси свободного вращения которых размещены в корпусах 9 на колоннах несущего каркаса 5 и радиально зафиксированы к турбине 1 стягивающими винтами 11. Равноуровневое положение роликов 8 в горизонтальной плоскости обеспечивается неподвижными ограничительными кольцами 10.Windmill operates as follows. Under the pressure of the wind, the turbine 1 and, together with it, the rotor shaft 2 of the generator 3 come into rotational motion, in the stator winding of which an electric current begins to be generated. The driving force for rotation is the difference in the aerodynamic properties of the sailing elements of the turbine in their diametrically opposite positions relative to the axis of rotation. The generator unit 3 and the turbine-rotor connection 1-2 of the wind turbine are centered with respect to the supporting frame 5, and the turbine 1 is supported by its horizontal horizontal rim 7 on three rollers 8, the axis of free rotation of which are housed in the housings 9 on the columns of the supporting frame 5 and are radially fixed to the turbine 1 with tightening screws 11. The equal-level position of the rollers 8 in the horizontal plane is provided by fixed restrictive rings 10.

Благодаря тому, что генераторно-турбинный блок ВЭУ закреплен на вершине несущего каркаса, а у своего основания он, по самой устойчивой схеме, лежит на трех точках опоры, имеет место возможность значительно увеличить диаметр турбины (разнос парусных элементов), достигнуть большей площади ометаемой поверхности и тем самым обеспечить мегаваттную мощность генератора при высокой жесткости, прочности и надежности агрегата. Данная конструктивно-силовая схема установки более устойчива к шквальным порывам ветра, для нее значение критической скорости воздушного потока, обычно в лучшем случае не превышающее 29-33 м/с, что наблюдается при штормах и ураганах, смещается до значений, близких к теоретически рассчитанному для ВЭУ пределу, равному порядка 160 км/ч.Due to the fact that the wind turbine generator-turbine unit is mounted on top of the supporting frame, and at its base, according to the most stable scheme, it lies on three support points, it is possible to significantly increase the diameter of the turbine (spacing of sailing elements), to achieve a larger area of the swept surface and thereby ensure megawatt power of the generator with high rigidity, strength and reliability of the unit. This structural design of the installation is more resistant to heavy gusts of wind, for it the value of the critical air velocity, usually in the best case, not exceeding 29-33 m / s, which is observed during storms and hurricanes, shifts to values close to theoretically calculated for Wind turbines with a limit of about 160 km / h.

В потенциально аварийной ситуации, возникающей по достижению ветром предельно допустимой для ВЭУ скорости, необходимости обслуживания генераторно-турбинного блока, его текущего и капитального ремонта, стягивающие винты 11 ослабляются, корпуса 9 совместно с опорными роликами 8 поворачиваются на необходимый угол вокруг колонн несущего каркаса 5, включается подъемник 4, который с помощью гибких тросовых тяг 6 опускает генераторно-турбинный блок 1-3 к фундаменту ветроагрегата, чем обеспечивается сохранность указанного ответственного узла и удобные условия для осуществления необходимых эксплуатационных работ.In a potential emergency situation when the wind reaches the maximum permissible speed for wind turbines, the need for maintenance of the generator-turbine unit, its current and overhaul, the tightening screws 11 are loosened, the housing 9 together with the support rollers 8 are rotated to the required angle around the columns of the supporting frame 5, the elevator 4 is turned on, which with the help of flexible cable rods 6 lowers the generator-turbine unit 1-3 to the foundation of the wind turbine, which ensures the safety of the specified critical unit and good conditions for the implementation of the necessary operational work.

Особенно актуальна данная конструкция ветроагрегата для северных стран, где велика опасность обледенения парусных элементов турбины и необходимо периодически опускать рабочий блок станции к фундаменту для очистки ее ответственных узлов механическим способом и/или химическими реагентами.This design of the wind turbine is especially relevant for northern countries, where there is a danger of icing of the sailing elements of the turbine and it is necessary to periodically lower the station's working unit to the foundation to clean its critical components mechanically and / or with chemical reagents.

Claims

Megawatt wind turbine containing a supporting frame with at least three columns converging at the top, coaxially and inside of which a generator and a rotor-turbine assembly with sailing elements spaced apart from the vertical axis of rotation are installed, characterized in that a mechanical hoist is installed on the top of the frame, below which there is a generator-turbine unit associated with it with a flexible cable tie, supplemented along the perimeter of the sailing elements with a horizontal tightening rim supported by identical rollers, and free rotation of which are on the same level and radially directed towards the turbine, are housed in enclosures encircling the columns of the supporting frame, and have the possibility of angular displacement.