RU2458246C1

RU2458246C1 - Stabilising wind power unit

Info

Publication number: RU2458246C1
Application number: RU2011112080/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Губанов (RU); Александр Владимирович Губанов
Original assignee: Александр Владимирович Губанов
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-08-10

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: stabilising wind power unit consists of load-carrying mast with turning assembly and nacelle at the top. Nacelle is equipped with stator winding and includes rotating horizontal shaft with turbine on the protruding end. Generator consists of rotor put on shaft and stator winding enveloping it. Rotor has the possibility of forced retraction beyond the limits of stator winding by being moved in downwind direction and back to initial position. Shaft is installed in sliding bearings and equipped with spiral-conical compression spring in the section between rotor and rear wall of nacelle. Spring interacts with rotor through disc support element freely rotating on the shaft. In the section of horizontal shaft between rotor and front wall of nacelle there provided is shock absorber.

EFFECT: stabilisation of parameters of electric energy generated with wind power unit.

2 cl, 3 dwg

Description

Использование: для преобразования кинетической энергии атмосферных потоков в электрическую энергию стабилизированного качества, прежде всего в условиях преобладания переменчивых по силе ветров.Usage: to convert the kinetic energy of atmospheric flows into electrical energy of a stabilized quality, primarily in conditions where prevailing winds are variable in strength.

Сущность технического решения состоит в том, что ротор ветрогенератора имеет возможность при усилении ветра выдвигаться в подветренную сторону за пределы статорной обмотки и вновь возвращаться на прежние позиции при ослаблении ветра, что обеспечивается установкой горизонтального турбинно-роторного вала в подшипниках скольжения, его взаимодействием с указанной стороны с пружиной сжатия, а надежность механизма достигается наличием дополнительных узлов, сопряженных с ротором, в виде свободно вращающегося на валу дискового опорного элемента с подветренного торца ротора и предохраняющего амортизатора - с его наветренного торца.The essence of the technical solution consists in the fact that the rotor of the wind generator has the ability to move in the leeward side of the stator winding when the wind is amplified and again return to its previous positions when the wind is weakened, which is ensured by the installation of a horizontal turbine-rotor shaft in sliding bearings, its interaction from the specified side with a compression spring, and the reliability of the mechanism is achieved by the presence of additional nodes conjugated to the rotor, in the form of a disk support disk freely rotating on the shaft ment with the rotor downwind end of the shock absorber and protects - with its windward end.

Устройство относится к ветроэнергетическим установкам (ВЭУ) с осью вращения ротора, совпадающего с направлением ветра.The device relates to wind power plants (wind turbines) with the axis of rotation of the rotor, coinciding with the direction of the wind.

Одной из первоочередных проблем ветроэнергетики является низкое качество вырабатываемой электроэнергии, обусловленное переменчивостью скорости перемещения в атмосфере воздушных масс. Данным обстоятельством объясняется неравномерная дислокация объектов мировой ветроэнергетики, 89% мощностей которой сосредоточено на прибрежных территориях и даже шельфах приморских стран западной Европы, северной и центральной Америки, где преобладают устойчивые ветра с оптимальной для ВЭУ скоростью, переменчивость которой однако и здесь является существенной и колеблется в основном в пределах от 6 до 12 м/с. Неприемлемые для потребителей колебания параметров получаемой электроэнергии повсеместно гасятся с применением дополнительного оборудования: блоков первичной обработки - фильтров, преобразователей (инверторов), аккумуляторных батарей. Их значительная стоимость и невысокий ресурс в условиях экстремальных режимов эксплуатации удорожают стоимость ветроэнергетических сооружений и их конечной продукции на 40-45%.One of the priority problems of wind energy is the low quality of generated electricity, due to the variability of the speed of movement in the atmosphere of air masses. This circumstance explains the uneven distribution of world wind energy facilities, 89% of which is concentrated on coastal territories and even on the shelves of coastal countries of Western Europe, North and Central America, where stable winds prevail with an optimal wind speed for wind turbines, although the variability here is significant and varies mainly in the range of 6 to 12 m / s. Unacceptable to consumers fluctuations in the parameters of the received electricity are everywhere damped with the use of additional equipment: primary processing units - filters, converters (inverters), batteries. Their significant cost and low resource under extreme operating conditions increase the cost of wind power structures and their final products by 40-45%.

Из развития техники известно, что уже на начальном этапе становления ветроэнергетики предпринимались попытки улучшить качество получаемой электроэнергии из возобновляемого атмосферного источника механическим средствами. Так, в ветряном двигателе (патент SU №15117) данная задача решается путем сохранения скорости вращения генераторного ротора неизменной, достигаемой наклоном плоскости вращения турбины по отношению к направлению усиливающегося ветра, вплоть до наветренного горизонтального положения. Та же задача в ветряке (патент SU №15474) решается применением поворотных лопастей. Данные технические решения не нашли практического применения прежде всего в силу ненадежности конструкций, представляющих из себя сложные системы рычагов, штанг и шарниров, пружинных тяг. Кроме того, даже на оптимальных скоростях ветра указанные устройства не лишены пороков, свойственных всем ВЭУ с горизонтальным положением роторного вала и пропеллерной турбиной, и, прежде всего, высокого лобового сопротивления. Однако этот недостаток при совокупности определенных технических решений может быть использован в деле улучшения качества электроэнергии, получаемой от нестабильной кинетической энергетики переменчивых по скорости ветров с использованием фундаментальных свойств электромагнитной индукции.From the development of technology it is known that already at the initial stage of the formation of wind energy, attempts were made to improve the quality of the electricity received from a renewable atmospheric source by mechanical means. So, in a wind turbine (SU patent No. 15117), this problem is solved by keeping the rotation speed of the generator rotor unchanged, achieved by tilting the plane of rotation of the turbine with respect to the direction of the amplified wind, up to the windward horizontal position. The same problem in a windmill (patent SU No. 15474) is solved by the use of rotary blades. These technical solutions have not found practical application, primarily due to the unreliability of structures, which are complex systems of levers, rods and hinges, spring rods. In addition, even at optimal wind speeds, these devices are not devoid of the defects characteristic of all wind turbines with the horizontal position of the rotor shaft and the propeller turbine, and, above all, high drag. However, this drawback with a combination of certain technical solutions can be used to improve the quality of electricity received from the unstable kinetic energy of wind-variable winds using the fundamental properties of electromagnetic induction.

Целью изобретения является стабилизация параметров электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергоблоком в реальных атмосферных условиях, когда воздушные потоки обладают неустойчивыми скоростными характеристиками.The aim of the invention is the stabilization of the parameters of electricity generated by the wind power unit in real atmospheric conditions, when the air flows have unstable speed characteristics.

Данная цель достигается использованием основной закономерности, свойственной электромагнитной индукции, а именно, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом контуре, находящемся в изменяемом магнитном потоке, пропорциональна скорости изменения магнитного потока и числу витков катушки. Из чего следует, применительно к ветрогенератору, что необходимым условием стабилизации параметров получаемой электроэнергии является в случае усиления ветра и соответствующего повышения скорости вращения ротора - уменьшение числа витков статорной обмотки, взаимодействующих с магнитным полем; в случае ослабления ветра и падения скорости вращения ротора - увеличение числа витков статорной обмотки, взаимодействующих с тем же по интенсивности магнитным полем.This goal is achieved using the basic regularity inherent in electromagnetic induction, namely, that the electromotive force that arises in a closed circuit located in a variable magnetic flux is proportional to the rate of change of the magnetic flux and the number of turns of the coil. From which it follows, as applied to a wind generator, that the necessary condition for stabilizing the parameters of the received electric power is in the case of wind amplification and a corresponding increase in the rotor speed — a decrease in the number of turns of the stator winding interacting with a magnetic field; in the case of weakening wind and a drop in rotor speed, an increase in the number of turns of the stator winding interacting with the same magnetic field in intensity.

Технически указанные требования решены таким образом, что горизонтальный вал ветроэнергоблока с насаженными на него пропеллерной турбиной и магнитным ротором установлен в подшипниках скольжения и имеет, таким образом, возможность возвратно-поступательных перемещений, взаимодействуя при этом с соосной пружиной сжатия, расположенной в подветренном положении относительно ротора. Это взаимодействие осуществляется через дисковый опорный элемент, свободно вращающийся на упомянутом валу с использованием подшипника качения. Для безударного возврата вала совместно с турбиной и ротором в исходную позицию под действием распрямляющейся пружины, что имеет место при падении скорости ветра до минимального рабочего значения, использован амортизатор, помещенный на валу с наветренной стороны относительно ротора.Technically, these requirements are solved in such a way that the horizontal shaft of the wind power unit with a propeller turbine and a magnetic rotor mounted on it is installed in sliding bearings and thus has the possibility of reciprocating movements, interacting with a coaxial compression spring located in the leeward position relative to the rotor . This interaction is carried out through a disk support element that rotates freely on said shaft using a rolling bearing. To shocklessly return the shaft together with the turbine and rotor to their original position under the action of a spring, which occurs when the wind speed drops to the minimum operating value, a shock absorber is used, placed on the shaft from the windward side relative to the rotor.

Таким образом, ветроэнергоблок стабилизирующий, состоящий из несущей мачты с поворотным узлом и гондолой на вершине, через которую пропущен вращающийся горизонтальный вал с турбиной на выступающем конце, а внутри расположен генератор в составе ротора, надетого на вал, и обхватывающей его статорной обмотки, отличается тем, что ротор имеет возможность принудительно выдвигаться за пределы статорной обмотки, перемещаясь в подветренном направлении, и возвращаться в исходное положение, для чего упомянутый вал установлен в подшипниках скольжения, а на участке между ротором и задней стенкой гондолы оснащен спирально-конической пружиной сжатия, которая взаимодействует с ротором через свободно вращающийся на том же валу дисковый опорный элемент.Thus, the stabilizing wind power unit, consisting of a carrier mast with a rotary unit and a nacelle at the top, through which a rotating horizontal shaft with a turbine at the protruding end, is passed, and inside the generator there is a rotor mounted on the shaft and a stator winding around it, differs in that the rotor has the ability to forcefully extend beyond the stator winding, moving in the leeward direction, and return to its original position, for which the said shaft is mounted in bearings It is equipped with a spiral-conical compression spring, which interacts with the rotor through a disk support element, which freely rotates on the same shaft, on the section between the rotor and the rear wall of the nacelle.

На участке горизонтального вала между ротором и передней стенкой гондолы предусмотрен противоударный амортизатор.A shockproof shock absorber is provided on the horizontal shaft section between the rotor and the front wall of the nacelle.

На фиг.1 показан ветроэнергоблок стабилизирующий (ВЭБ-С) при нижнем рабочем значении скорости ветра (6 м/с); на фиг.2 - то же устройство при верхнем рабочем значении скорости ветра (12 м/с); на фиг.3 - тот же ВЭБ-С при превышении скоростью ветра верхнего рабочего значения вплоть до штормовых показателей (24 м/с).Figure 1 shows the stabilizing wind power unit (VEB-S) at the lower operating value of the wind speed (6 m / s); figure 2 - the same device with the upper operating value of the wind speed (12 m / s); figure 3 - the same VEB-S when the wind speed exceeds the upper operating value up to storm indicators (24 m / s).

ВЭБ-С включает в себя несущую мачту 1 с поворотным узлом 2 и гондолой 3, оснащенной статорной обмоткой 4 и включающей в себя горизонтальный вал 5, установленный в подшипниковых опорах скольжения 6 и имеющий пропеллерную турбину 7, а также магнитный ротор 8, взаимодействующий с наветренного торца с амортизатором 9, с подветренного торца - с пружиной сжатия 10. В последнем случае взаимодействие осуществляется через дисковый опорный элемент 11, надетый на вал посредством подшипника качения 12.VEB-S includes a supporting mast 1 with a rotary assembly 2 and a nacelle 3, equipped with a stator winding 4 and including a horizontal shaft 5 mounted in sliding bearings 6 and having a propeller turbine 7, as well as a magnetic rotor 8 interacting with the windward an end with a shock absorber 9, from the leeward end - with a compression spring 10. In the latter case, the interaction is through the disk support element 11, worn on the shaft by means of a rolling bearing 12.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Изначально (фиг.1) при нижнем рабочем значении скорости ветра 6 м/с ротор 8 полностью размещается в пределах статорной обмотки 4, все витки которой находятся под действием вращающегося магнитного поля. По мере усиления ветра в сторону верхнего рабочего значения 12 м/с, под воздействием возросшей результирующей силы лобового сопротивления вращающийся с большим числом оборотов турбины 7, пружина 10 сжимается, и ротор 8 частично выдвигается за пределы статорной обмотки 4 (фиг.2), число ее витков, взаимодействующих с магнитным полем ротора 8, уменьшается, что в конечном итоге обеспечивает неизменность параметров и более приемлемое на практике качество вырабатываемой ветрогенератором электроэнергии, а также смягчает условия функционирования дополнительного оборудования ВЭУ.The proposed device operates as follows. Initially (figure 1) with a lower operating value of the wind speed of 6 m / s, the rotor 8 is completely located within the stator winding 4, all of which are under the influence of a rotating magnetic field. As the wind intensifies towards the upper working value of 12 m / s, under the influence of the increased resulting drag force, rotating with a large number of revolutions of the turbine 7, the spring 10 is compressed, and the rotor 8 partially extends beyond the stator winding 4 (figure 2), the number of its turns interacting with the magnetic field of the rotor 8 is reduced, which ultimately ensures the constancy of the parameters and more acceptable in practice the quality of the electricity generated by the wind generator, and also softens the operating conditions for additionally wind turbine equipment.

В целях безопасной эксплуатации генератора ВЭБ-С и электрооборудования потребителей начиная с штормовых скоростей ветра 24 м/с ротор 8 полностью выдвигается за пределы статорной обмотки 4 (фиг.3). Потребители питаются от аккумуляторных батарей или иных источников до нормализации аэродинамической ситуации в атмосфере, которая в отличие от периодов безветрия в случаях штормов, ураганов и смерчей не бывает продолжительной по времени.In order to safely operate the VEB-S generator and electrical equipment of consumers starting from storm wind speeds of 24 m / s, rotor 8 is fully extended beyond the stator winding 4 (Fig. 3). Consumers are powered by rechargeable batteries or other sources until the aerodynamic situation in the atmosphere normalizes, which, unlike periods of no wind in storms, hurricanes, and tornadoes, is not time-consuming.

По мере того как скорость ветра возвращается к нормативному уровню, ротор 8 под действием пружины 10 возвращается в пределы статорной обмотки 4 и при нижнем рабочем значении в 6 м/с занимает изначальное положение, как показано на фиг.1. При этом во избежание удара ротора 8 о корпус гондолы 3 используется амортизатор 9 любой известной конструкции, например в виде резинового кольца либо тарельчатого типа.As the wind speed returns to the standard level, the rotor 8 under the action of the spring 10 returns to the limits of the stator winding 4 and with a lower operating value of 6 m / s takes its original position, as shown in figure 1. At the same time, in order to avoid impact of the rotor 8 against the body of the nacelle 3, a shock absorber 9 of any known design is used, for example, in the form of a rubber ring or disk type.

В качестве элемента 10 в ВЭБ-С применена спирально-коническая пружина из холоднокатанных стальных лент марки 70С2ХА, поскольку данный тип пружины имеет максимально возможный ход, как разницу длин в расправленном и предельно сжатом состояниях. Чтобы не происходило скручивания пружины 10, которое может привести к ее разрушению, предусмотрен узел в составе дисковой опоры 11, свободно вращающейся на валу 5 за счет наличия подшипника качения 12.As element 10, a spiral conical spring of cold-rolled steel strips of 70C2XA grade is used in VEB-S, since this type of spring has the maximum possible stroke, as the length difference in the straightened and extremely compressed states. In order not to twist the spring 10, which can lead to its destruction, a node is provided as part of the disk support 11, freely rotating on the shaft 5 due to the presence of a rolling bearing 12.

Claims

1. Stabilizing wind power unit, consisting of a carrier mast with a rotary unit and a nacelle at the top, through which a rotating horizontal shaft with a turbine at the protruding end is passed, and inside the generator there is a rotor mounted on the shaft and a stator winding around it, characterized in that the rotor has the ability to forcefully extend beyond the stator winding, moving in the leeward direction, and return to its original position, for which the said shaft is installed in sliding bearings, and on between the rotor and the rear wall of the nacelle, it is equipped with a spiral-conical compression spring, which interacts with the rotor through a disk support element that rotates freely on the same shaft.

2. Wind power unit according to claim 1, characterized in that a shockproof shock absorber is provided on the horizontal shaft between the rotor and the front wall of the nacelle.