RU2574194C1 - Двухроторная ветроэнергетическая установка (варианты) - Google Patents
Двухроторная ветроэнергетическая установка (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574194C1 RU2574194C1 RU2014129095/06A RU2014129095A RU2574194C1 RU 2574194 C1 RU2574194 C1 RU 2574194C1 RU 2014129095/06 A RU2014129095/06 A RU 2014129095/06A RU 2014129095 A RU2014129095 A RU 2014129095A RU 2574194 C1 RU2574194 C1 RU 2574194C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- blades
- wind
- installation
- tower
- Prior art date
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 70
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000003638 reducing agent Substances 0.000 claims description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 5
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 claims description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 6
- 239000004519 grease Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000001808 coupling Effects 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000737 periodic Effects 0.000 description 3
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 210000004556 Brain Anatomy 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 2
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 210000001699 lower leg Anatomy 0.000 description 2
- 210000000056 organs Anatomy 0.000 description 2
- 230000001340 slower Effects 0.000 description 2
- 230000001960 triggered Effects 0.000 description 2
- 230000037250 Clearance Effects 0.000 description 1
- 208000002173 Dizziness Diseases 0.000 description 1
- 241000731961 Juncaceae Species 0.000 description 1
- 206010025482 Malaise Diseases 0.000 description 1
- 206010028813 Nausea Diseases 0.000 description 1
- 206010033799 Paralysis Diseases 0.000 description 1
- 210000000614 Ribs Anatomy 0.000 description 1
- 102100015923 SMC2 Human genes 0.000 description 1
- 108060007647 SMC2 Proteins 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010043268 Tension Diseases 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 230000005534 acoustic noise Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 201000004569 blindness Diseases 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 210000000748 cardiovascular system Anatomy 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 1
- 230000035512 clearance Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000001079 digestive Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000003340 mental Effects 0.000 description 1
- 210000000653 nervous system Anatomy 0.000 description 1
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N p-acetaminophenol Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011120 plywood Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000000506 psychotropic Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 230000033764 rhythmic process Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к группе двухроторных ветроэнергетических установок. Каждая из двухроторных ветроэнергетических установок включает размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными роторами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор. При этом каждый ротор ветротурбины имеет число лопастей более 3-х, которые спроектированы как вращающиеся крылья, суммарная лобовая площадь лопастей на номинальном режиме работы составляет 0,3÷0,5 от площади, ометаемой лопастями поверхности. Лопасти во втулке установлены на подшипниках скольжения, в которых применяется твердая смазка на основе дихалькогенидов металлов в сочетании с керамической втулкой. Электрогенератор с вертикальной осью вращения ротора размещен в верхней части неподвижной башни, статор генератора закреплен к башне, ось ротора электрогенератора расположена вертикально и совпадает с осью вращения поворотной платформы. Привод от ветротурбины к генератору выполнен с помощью конической зубчатой передачи. Мультипликатор представляет собой двухконтурный зубчатый механизм, размещенный в одном корпусе, каждый контур которого передает движение и крутящий момент от одного из роторов ветротурбины независимо от движения другого контура, а кинематическая схема контура представляет собой планетарный редуктор и зубчатый одноступенчатый перебор. Трехвальный соосный зубчатый редуктор установлен между мультипликатором и ротором электрогенератора, кинематическая схема которого выполнена по условиям Δω1=К·Δω2, где Δω1 - изменение угловой скорости входного внутреннего вала; Δω2 - изменение угловой скорости входного внешнего вала; К - постоянный коэффициент, который зависит только от кинематической схемы редуктора; число лопастей ветротурбины выбрано по условию: число лопастей одного ротора - Z, число лопастей другого ротора - (Z+1). На внешнем валу ветротурбины выполнена удлиняющая проставка, в конце которой установлен передний подшипник внутреннего вала. Алгоритм управления углами поворота лопастей одного ротора β1=f(υ), т.е. угол установки лопасти есть функция только скорости ветра, а другого ротора nген=const, β2=υar, т.е. обороты генератора поддерживаются постоянными за счет изменения углов установки лопастей другого ротора, где β1 - угол установки одного ротора; υ - скорость ветра; nген - обороты электрогенератора; β2 - угол установки другого ротора; υar - переменная величина. Изобретение направлено на расширение арсенала двухроторных ветроэнергетических установок. 9 н.п. ф-лы, 12 ил., 3 табл.
Description
Изобретение относится к ветротурбиным установкам пропеллерного типа с горизонтальной осью.
Существующие мощные ветроэнергетические установки имеют турбину с 3-мя лопастями и одним ротором. Каждая лопасть крепится к втулке через подшипник качения большого диаметра. Такая конструкция не позволяет увеличить число лопастей в роторе. Больше 3-х лопастей во втулке не размещается. В 3-х-лопастных турбинах низкая эффективность использования энергии ветра, около 26%.
Есть несколько причин снижения эффективности. Основная из них заключается в том, что существует предвзятое допущение - мощность ветротурбины слабо зависит от числа лопастей, а зависит только от ометаемой лопастями площади. При проектировании турбин используется кривая Бетца и его постулат о максимальном теоретическом коэффициенте использования энергии ветра, равном 0,5926. На фигуре 1 показаны теоретические кривые коэффициента использования энергии ветра идеальной ветротурбиной.
ξ - коэффициент использования энергии ветра;
V1, V0 - скорость потока ветра через турбину и на входе в турбину.
В своей диссертации А. Бетц рассматривал изменение кинетической энергии воздушного потока в профилированном канале с условными стенками. Он не принимал во внимание массо-энергообмен турбинного воздуха с окружающим потоком воздуха. Снижение эффективности однороторных 3-х-лопастных турбин происходит еще из-за того, что за вращающимся ротором возникает вращающийся поток воздуха, который снижает величину перепада воздушного давления на роторе и, следовательно, снижает мощность турбины.
Небольшое число лопастей приводит к появлению низкочастотных пульсаций давления воздуха. Частота пульсаций находится в зоне опасного инфразвука 0÷12 Гц. Пульсации в однороторной турбине возникают в моменты прохождения лопасти мимо башни.
Обычно слух воспринимает колебания в пределах 16-20000 Гц. Неприятные последствия вызывает не только чрезмерный шум в слышимом диапазоне колебаний, но и инфразвук в не воспринимаемых слухом человека диапазоне от 16 Гц до 0.001 Гц. Инфразвук вызывает нервное перенапряжение, недомогание, головокружение, изменение деятельности внутренних органов, особенно нервной и сердечно-сосудистой систем. Самым опасным считается промежуток от 6 до 9 Гц. Значительные психотропные эффекты сильнее всего проявляются на частоте 7 Гц, созвучной альфа-ритму природных колебаний мозга. Причем любая умственная работа в этом случае делается невозможной. Звук малой интенсивности вызывает тошноту и звон в ушах, а также ухудшение зрения и безотчетный страх. Звук средней интенсивности расстраивает органы пищеварения и мозг, рождая паралич, общую слабость, а иногда, слепоту.
Пульсации давления и, следовательно, скорости приводят к некоторой потере мощности из-за циклического уменьшения перепада давления на колесе ветротурбины. Потеря мощности может составлять 2-5% от ее теоретического значения. Исследования Массачусетского университета показывают, что значительная часть энергии шума находится в диапазоне звуковых частот от 0 до 20 Гц (www.ceere.org/rerl). Поэтому с экономических и экологических позиций целесообразно устранить инфразвук.
Техническими решениями по устранению причины возникновения низкочастотных колебаний при работе ветроэнергетических установок (ВЭУ) могут быть увеличение числа лопастей или повышение скорости вращения ветроколеса.
В двухроторной турбине роторы, как правило, вращаются в разные стороны. Частота пульсаций давления выше, чем в однороторной турбине.
Инфразвук от влияния башни не возникает. Однако пульсации давления происходят от влияния лопастей одного ротора на лопасти другого. Произвольный выбор числа лопастей в роторах может привести к эффекту акустических биений. Поэтому в числах лопастей роторов не должно быть одинаковых сомножителей. Например: один ряд лопастей имеет 4 лопасти, второй ряд имеет 2 лопасти. Общий сомножитель равен 2. Или один ротор имеет 6 лопастей, а второй 3. Общий сомножитель - 3. В обоих случаях возможно возникновение инфразвука частотой 4-6 Гц.
Явление акустических биений можно исключить, если число лопастей одного ротора равно Z, а другого (Z+1).
Известно устройство по патенту [JP 2005036749 А 10.02.2005].
П. 1 патента. В горизонтальноосевой турбине ротор с переменной скоростью вращения и возможностью поворота по азимуту, в зависимости от скорости ветра. Ветротурбина оснащена средствами измерения и записи угла азимута, скорости вращения, записи времени и системой измерения низкочастотного шума.
П. 2 патента. Ветротурбина по п. 1 со средствами управления скоростью вращения ротора.
П. 3 патента. Ветротурбина по п. 1, в которой управление скоростью производится в определенное время.
П. 4 патента. Ветротурбина по п. 1, в которой устройства управляют углом азимута и оборотами ротора, в зависимости от конкретного низкочастотного шума.
П. 5 патента. Ветротурбина по п. 1, в которой управление скоростью производится для конкретного района, с подветренной или наветренной стороны.
П. 6 патента. Ветротурбина по п. 1, в которой скорость вращения уменьшается в определенное время в конкретном регионе для подавления низкочастотного шума.
В патенте JP 2005036749 А, как в пунктах формулы, так и в описании говорится о низкочастотном шуме. Никакого отношения к способу предотвращения или устранения инфразвука патент не имеет. Указаны способы уменьшения действия низкочастотного шума на конкретную местность за счет поворота вектора шумового воздействия либо за счет уменьшения оборотов ветротурбины или времени функционирования.
Существуют понятия - «инфразвук» (infrasound) и низкочастотный шум (low-frequency noise).
Сегодня наличие инфразвука на всех ветроустановках является серьезной экологической проблемой.
В патенте RU 2463475 С2 10.10.2012, представлена ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными многолопастными ветроколесами с горизонтальной осью и поворотный корпус с электрогенератором и мультипликатором. Мультипликатор связан с валом электрического генератора и валами ветроколес. Ветроколеса снабжены системой управления углами установки лопастей. Ветроколеса установлены по одну сторону от оси вращения корпуса на коаксиальных валах и выполнены с количеством лопастей, выбранным из условия z1·z2>f/ωc, где z1 и z2 - количество лопастей на первом и втором ветроколесах соответственно; f - безопасная частота инфразвука, не менее 10 Гц; ωc=ω1+ω2 - относительная частота вращения ветротурбины, ω1 и ω2 - частота вращения первого и второго ветроколеса, об/с.
Недостатки его в следующем. Формула по оптимизации количества лопастей, для исключения возникновения инфразвука, не учитывает возможность возникновения акустических биений с частотой диапазона инфразвука. Акустические биения могут появиться из-за совпадения фаз положения 2-х и более лопастей.
На ветроэнергетических установках, у которых выработанная электроэнергия передается в электрические сети, устанавливаются электрогенераторы переменного 3-х фазного тока. Их разнообразие сводится к двум типам - синхронные генераторы, и асинхронные генераторы. И в том и другом варианте, как правило, между ветротурбиной и генератором устанавливаются мультипликаторы механического типа, с зубчатым зацеплением. Качественные характеристики вырабатываемого электротока и оптимальное использование энергии ветра требуют постоянства числа оборотов ротора электрогенератора. Постоянные обороты легко обеспечиваются, если скорость ветра номинальная или выше номинальной. Происходит это за счет автоматического поворота лопастей турбины. Если скорость ветра снижается до 10 м/с и ниже, то поддерживать число оборотов генератора постоянными становится проблемой. В ВЭУ появляются дополнительные сложные электронные устройства в виде преобразователей частоты, выходной сигнал из которых не очень соответствует частотной гармонике электросети.
В двухроторных установках используют планетарные зубчатые передачи в качестве мультипликаторов, которые устанавливаются в трансмиссиях между ветротурбинными колесами и электрогенераторами. Планетарные передачи, имеющие подвижных три вала обычно называют дифференциалами.
Все существующие дифференциалы имеют одну закономерность. При постоянном числе оборотов какого-то вала другие валы вращаются в зависимости от величины момента, приложенного к каждому валу. Если число оборотов одного вала увеличивается, то другого вала уменьшается. И наоборот. Рассмотрим применение такого дифференциала в контроторной ветротурбины. При уменьшении скорости ветра количество ветровой энергии, передаваемой лопастями турбины, также уменьшается. Обороты роторов турбины начинают снижаться. Автоматика управления углами установки лопастей несколько замедляет снижение оборотов, но полностью восстановить их не может.
Эти процессы показаны для наглядности на фиг. 2 и 3.
Фиг. 2 - Снижение оборотов турбины с уменьшением скорости ветра,
Фиг. 3 - Изменение оборотов специального 3-х-вального планетарного механизма (дифференциала).
При уменьшении скорости ветра обороты турбины начинают уменьшаться, на втором роторе 2 обороты уменьшаются чуть интенсивнее, чем на первом 1 (поясняющий фиг. 2). При падении оборотов любого вала, например первого 1, для того чтобы сохранить обороты генератора постоянными, надо увеличить обороты 2 второго вала (поясняющий фиг. 3). Но это невозможно, так как энергия воздушного потока, с уменьшением скорости ветра также уменьшается.
Если обороты ротора генератора падают с уменьшением скорости ветра, то генератор автоматически переходит в режим электродвигателя с питанием от центральной электросети. Выработка электроэнергии прекращается. Обычно это происходит на скоростях ветра менее 20-25% от номинального значения. Такое явление снижает эффективность ветроустановки за счет снижения количества вырабатываемой электроэнергии.
Нужно устройство, которое поддерживало бы обороты генератора до самых малых скоростей ветра, что обеспечивало бы высокую выработку электроэнергии.
Известно установка по патенту FR 2589201А1 30.04.1987. Ветроустановка с двумя рядами роторов противоположного вращения, которая, п. 1 патента, состоит из:
1) опоры;
2) двух свободно вращающихся роторов с лопастями и механизмом регулирования их положения;
3) лопаточного прибора, который использует энергию ветра для поворота лопастей.
П. 2 патента. Установка по п. 1, в лопаточном приборе, которого используется шарико-винтовая пара.
п. 3 патента. Установка по п. 1 и 2 с устройствами, преобразующими продольное перемещение лопаточного прибора в круговое движение цапф лопастей.
п. 4 патента. Согласно п.п. 1, 2, 3 верхний (передний) ротор, свободно вращается относительно нижнего (заднего), а нижний ротор свободно вращается относительно выходного вала.
Однако, приведенная конструктивная схема не соответствует этому утверждению. Верхний ротор с нижним ротором и нижний с выходным валом соединены шестеренчатыми передачами, с неподвижными осями. Поэтому свободно вращаться ротора просто не могут. Крутящий момент с верхнего ротора через зубчатый перебор, передается на нижний ротор, затем через зубчатый перебор передается на выходной вал.
Такая кинематика имеет только одну степень свободы и функционально двухроторную систему превращает в однороторную, с зависимыми несвободными роторами, вращающимися в разные стороны. Остановка любого звена останавливает всю систему. Поддержать постоянное число оборотов роторов при изменении скорости ветра за счет поворота лопастей при такой конструкции физически невозможно.
П. 5 патента FR 2589201 A1. Патентуется зубчатая передача по п. 4. между верхним и нижним ротором и выходным валом.
В тексте описания есть фразы «способствует сохранению скорости вращения роторов, независимо от изменения скорости ветра», «почти постоянное число оборотов», «Этому способствует вращение лопастей вокруг своих осей» и проч. Такие заявления являются результатом общих рассуждений. Предложенная конструктивная схема передачи от роторов турбин к валу не может обеспечить постоянство числа оборотов выходного вала.
Известно устройство ветроустановки по патенту US 2006/0093482 А1 04.05.2006.
Это двухроторная турбина с соосными роторами. В комплект входит мультипликатор планетарного типа и специальный механизм торможения всей системы.
В устройстве применен простой планетарный сателлитный механизм. При снижении скорости ветра ниже номинальной, примерно на 20%, обороты роторов также снижаются. Соответственно, уменьшаются обороты генератора со всеми нежелательными явлениями.
В патенте JP 2007321659 А 13.12.2007 предлагается двухроторная установка, в которой соосные 3-х-лопастные роторы вращаются в одну сторону. Фактически это один ротор, в котором одно турбинное колесо поворачивается относительно другого на определенный угол, в зависимости от скорости ветра. Предполагается, что таким способом можно достичь более высокой эффективности использования энергии ветра. Описывается устройство перемещения одного колеса относительно другого.
В двухроторной турбине имеется серьезная конструктивная проблема - внутренний вал тоньше наружного вала. Для исключения касания роторов при поворотах мотогондолы вокруг оси башни и порывах ветра внутренний вал удлиняется. Увеличивается расстояние между роторами. Прогиб вала увеличивается, прочность снижается.
Компоновка существующих ветротурбинных установок достаточно однотипная. Электрогенератор устанавливается в мотогондоле. Мотогондола поворачивается на оси башни в зависимости от направления ветра. От генератора вниз по неподвижной башне спускается кабель. При вращении мотогондолы кабель закручивается. Необходимо делать либо автоматику для раскрутки кабеля контрповоротом гондолы, либо в разрез кабеля устанавливаются специальные токосъемники. В любом случае это проблема, снижающая надежность системы, увеличивающая стоимость установки и сервисного обслуживания.
По краткому обзору существующие ветроэнергетические установки имеют следующие основные недостатки:
- низкая эффективность по использованию энергии потока по сравнению с газовыми или гидротурбинами;
- наличие инфразвука, низких звуковых частот в диапазоне 0-12 Гц;
- невозможность сохранения постоянства числа оборотов ротора электрогенератора при снижении скорости ветра ниже 20% от номинальной. Обычно это менее 8 м/с;
- наличие закрутки основного силового кабеля, идущего из поворотной мотогондолы на неподвижную башню.
Технический результат - расширение арсенала технических средств.
Задачей является реализация концепции двухроторных ветроэнергетических установок повышенной эффективности.
Одним из путей повышения эффективности является повышение надежности любого элемента конструкции. Как следствие - увеличение срока эксплуатации, уменьшение расходов на ремонт и сервисное обслуживание, увеличение выработки электроэнергии и снижение цены на электроэнергию.
На фигурах 4 и 5 показаны варианты двухроторной ветроэнергетической установки, которая отличается от других новыми решениями.
Ветроэнергетическая установка включает в себя башню 6, на которой через подшипник установлена поворотная платформа 7. На поворотной платформе размещены два соосных ротора ветротурбины, механический зубчатый мультипликатор, трехвальный зубчатый редуктор и электрогенератор на платформе или верхней части башни.
Каждый ротор турбины состоит из вала 14, 15, на одном конце которого закреплена втулка ветроколеса 8, 9 с лопастями 10 и системами поворота лопастей 13, а другой конец вала соединяется с входным валом мультипликатора 18. Роторы установлены на подшипниках 11, 16, 17. Передний подшипник 11 внутреннего вала расположен в специальной проставке 12, которая соединена с фланцем втулки второго ветроколеса, что является одной из особенностей конструкции. Чтобы максимально использовать энергию скорости ветра лопасти первого ротора автоматически поворачиваются по команде системы управления на угол установки, который соответствует скорости ветра в данный момент времени. Лопасти второго ветроколеса поворачиваются на такой угол установки, чтобы сохранить обороты электрогенератора постоянными. При уменьшении скорости ветра число оборотов каждой турбины уменьшается, при увеличении скорости ветра число оборотов роторов турбины увеличивается. Такой алгоритм изменения оборотов устанавливается с помощью трехвального редуктора 21, кинематическая схема которого выполнена как «отрицательный» дифференциал.
От мультипликатора движение и крутящий момент от ветротурбины через два соосных валика передаются на два входных вала 3-х-вального редуктора 21, а затем по трансмиссионному валу 22 (фиг. 4), угловой редуктор 23 и соединительную муфту 24 передаются на электрогенератор 25.
Электрогенератор 25 в варианте двухроторной ветроэнергетической установки (фиг. 4) находится в верхней части башни. Статор электрогенератора закреплен на растяжках к стенкам башни.
Привод электрогенератора в варианте двухроторной ветроэнергетической установки, когда он размещен на поворотной платформе (фиг. 5) происходит от выходного вала 3-х-вального редуктора 21. Электрогенератор расположен горизонтально и поворачивается вместе с поворотной платформой.
Мультипликатор представляет собой зубчатый механизм, кинематическая схема которого обеспечивает независимую передачу мощности и движения от каждой турбины и суммирующему 3-х-вальному редуктору. Схема мультипликатора представлена на фиг. 6. Подобный сдвоенный механизм для двухроторных ветроэнергетических установок авторам неизвестен.
Тихоходные валы-водила мультипликатора 28, 29 фиг. 6 соединяются с валами ветроколес зубчатыми муфтами 26, 27, размещенные одна внутри другой, компенсирующими небольшие по величине смещения осей валов и способные передавать высокие крутящие моменты при сравнительно небольших габаритах. Компенсация смещений валов достигается перекосом зубчатой втулки относительно зубчатой обоймы за счет боковых зазоров и сферической поверхности наружных зубьев. Мультипликатор повышает частоту вращения тихоходных внутреннего и наружного ветроколес от 30 об/мин (рабочая частота вращения) до частоты вращения генератора.
Мультипликатор объединен в общий корпус 35 цилиндрической формы, в котором размещены подшипниковые опоры и узлы 41, 42, 43 внешнего и внутреннего валов-водил, передающих крутящий момент от ветроколес посредством планетарной зубчатой передачи и системой простых зубчатых передач к валу генератора. Конструктивно планетарная и простая зубчатая передачи внутреннего вала повторяют планетарную и повышающую зубчатую передачу внешнего вала и имеют одинаковые габариты. В планетарной передаче большие нагрузки воспринимаются одновременно несколькими сателлитами 30, вследствие этого габариты зубчатых колес и габариты корпуса мультипликатора имеют оптимальные размеры.
Подшипниковые опоры наружного вала-водила 36, 37 расположены в левом полукорпусе мультипликатора. Левая подшипниковая опора внутреннего вала-водила 39 встроена во внутреннюю стенку наружного вала-водила, а правая подшипниковая опора 40 расположена в правом полукорпусе мультипликатора. Центральное колесо с внутренними зубьями 32 планетарной передачи наружного вала неподвижно закреплено в левом полукорпусе мультипликатора, сателлиты 30 закрепляются на подшипниковых опорах 38, в расточках наружного вала-водила и сцепляются зубьями с центральным большим колесом с внутренними зубьями и центральным малым двухвенцовым колесом с внешними зубьями 31. Крутящий момент посредством второго венца передается на шестерню входного внутреннего вала трехвального зубчатого редуктора. Водило представляет собой сборную конструкцию, выполнено заодно с валом и является одним из основных звеньев планетарной передачи, в котором закреплены оси сателлитов. От высокой точности координации отверстий для установки осей сателлитов в водиле зависят распределение нагрузки среди сателлитов, несущая способность мультипликатора, уровень шума и вибраций.
Центральное колесо с внутренними зубьями 32 планетарной передачи внутреннего вала неподвижно закреплено в правом полукорпусе мультипликатора, а сателлиты 30 закрепляются на подшипниковых опорах 38, в расточках внутреннего вала-водила и сцепляются зубьями с центральным большим колесом с внутренними зубьями и центральным малым двухвенцовым колесом с внешними зубьями 31. Крутящий момент посредством второго венца передается на шестерню входного наружного вала трехвального зубчатого редуктора.
Мультипликатор снабжен самостоятельной системой смазки с охлаждением масла, насосом и соответствующими приборами.
Если электрогенератор 25 фиг. 4 расположен в верхней части башни, то ось ротора генератора совпадает с центральной осью башни. Выходной вал трехвального редуктора через промежуточный трансмиссионный вал 22, угловой редуктор 23 и соединительную муфту 24 передает мощность на вал генератора 25.
Выделим основные конструктивные решения новой двухроторной ветроэнергетической установки.
1. Лопасти турбины представляют собой вращающийся крыловой профиль. Оболочка лопасти, образующая аэродинамическую поверхность, сделана из углерод-углеродных композитных материалов (carbon). Конструкция как у самолетного крыла: лонжерон, нервюры, обшивка. Все перечисленное представляется нам уже новшеством. Но главное - абсолютно новый способ, принятый для расчета и проектирования турбины. На фиг. 1 показаны теоретические кривые протекания коэффициентов использования энергии ветра. Известна кривая А. Бетца. Максимальный коэффициент использования энергии ветра по кривой Бетца 0,5926, при этом площадь проходного сечения в турбине для потока ветра составляет около 67% от площади ометаемой поверхности. У существующих ветротурбин площадь проходного сечения составляет 92-94%. Около 60% воздушного потока проходит мимо лопастей турбины и энергия этой части ветра турбиной не снимается. Предлагаемая ветротурбина построена на основе применения кривой Е. Тихоновой, показанной на фиг. 1 (см. Пример 1). Кривая Е. Тихоновой или график Е. Тихоновой основан на допущении, что при действии потока воздуха на турбину существует эффект эжекции воздуха, который проходит через диск турбины, струями воздуха обтекающего диск турбины. В результате этого давление воздуха за турбиной понижается, и мощность турбины увеличивается.
Доля площади проходного сечения принята 0,55. Исходя из величины проходного сечения устанавливается количество лопастей, их аэродинамический профиль и геометрия. Число лопастей более 3х.
По данному способу проектирования были созданы модельные ветроустановки и исследованы их характеристики. Результаты испытаний подтвердили высокую эффективность турбин. (см. Пример 2).
Таким образом, технический результат достигается использованием двухроторной ветроэнергетической установки, включающей размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, систему управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор. При этом, каждый ротор турбины имеет число лопастей более 3-х, которые спроектированы как вращающиеся крылья, а суммарная площадь лобовой поверхности лопастей на номинальном режиме работы составляет 0,3-0,5 от площади ометаемой лопастями поверхности.
Площадь лобовой поверхности лопасти - это площадь проекции тела лопасти на плоскость, перпендикулярную направлению ветра.
2. На конструктивной схеме, фиг. 7, показано устройство подшипника лопасти.
Хвостовик лопасти 44 устанавливается в гильзу 45 втулки ветроколеса 46. В гильзе размещаются два подшипника скольжения, состоящие из керамических втулок 47 и поверхности трения на хвостовике лопасти.
В подшипнике скольжения поворотной лопасти ветротурбины применена твердая смазка 48 на основе дихалькогенидов металлов, в сочетании с керамической втулкой. В стандартных конструкциях используются пластичные смазки, либо жидкие. И те и другие требуют периодической замены, что усложняет и удорожает сервисное обслуживание. Существуют проблемы с утечкой смазки. Применение подшипников скольжения с твердой смазкой устраняет массу проблем по эксплуатации: не требуется система подачи жидких или пластичных смазок, нет периодического обслуживания, нет частой замены смазки. Коэффициент трения снижается, и потери мощности уменьшаются (см. пример 3).
Поэтому в предлагаемой ветроэнергетической установке, лопасти во втулке устанавливаются на подшипниках скольжения, в которых применяется твердая смазка на основе дихалькогенидов металлов, в сочетании с керамической втулкой.
3. Электрогенератор размещен не в поворотной платформе, как в других ветротурбинах, а в башне. Вариант размещения электрогенератора показан на фиг. 4.
Электрогенератор крепится к конструкции башни, ось его ротора совпадает с осью вращения опорного подшипника поворотной платформы. Силовые кабели выходят из генератора и выкладываются вертикально по внутренней поверхности башни. Надежность кабелей обеспечена тем, что кабели не закручиваются при повороте платформы на любой угол. В существующих системах при раскрутке кабеля ветротурбина отключается от сети и переходит в режим флюгирования. В течение определенного времени энергоустановка не работает, не вырабатывает энергию и таким образом эффективность ее снижается.
Предлагается двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что электрогенератор с вертикальной осью вращения ротора размещен в верхней части неподвижной башни, статор генератора закреплен к башне, а ось ротора электрогенератора расположена вертикально и совпадает с осью вращения поворотной платформы. Увеличивается надежность кабеля, что повышает надежность всей установки и ее эффективность.
4. Привод ротора электрогенератора (см. фиг. 4) происходит от мультипликатора через угловой редуктор, ось выходного ротора которого находится на оси подшипника поворотной платформы. Корпус углового редуктора закреплен к поворотной платформе и поворачивается при изменении вектора ветра вместе с ней. Между выходным валом углового редуктора и валом электрогенератора установлена муфта, компенсирующая некоторую несоосность валов. Входной вал углового редуктора соединен трансмиссионным валом с мультипликатором. Угловой редуктор обеспечивает привод генератора, размещенного в башне, относительно башни. В результате такого решения увеличивается выработка электроэнергии установкой, потому что уменьшаются потери эксплуатационного времени на величину периодической раскрутки кабеля. Двухроторная ветроэнергетическая установка работает более эффективно.
При таком конструктивном решении получается двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, генератор с вертикальной осью вращения ротора, размещенный в верхней части башни отличающаяся тем, что привод от турбины к генератору выполнен с помощью конической зубчатой передачи.
5. Двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что мультипликатор представляет собой двухконтурный зубчатый механизм, размещенный в одном корпусе, каждый контур которого передает движение и крутящий момент от одного из роторов турбины независимо от движения другого контура, а кинематическая схема контура представляет собой планетарный редуктор и зубчатый одноступенчатый перебор.
Крутящий момент от второго ротора турбины поступает к первому контуру, момент от первого ротора передается ко второму контуру.
Передача движения происходит по соосным валам до входа в трехвальный редуктор. Каждый контур состоит из планетарного сателлитного механизма с заторможенным венцовым колесом и зубчатого перебора из двух колес, оси которых неподвижны. Подобная схема в конструкциях ветроэнергетических установок не применялась. Поток мощности от ветротурбины разделяется на два потока, снижается нагрузка на детали, увеличивается ресурс и надежность деталей и узла ветротурбины в целом.
Повышение надежности мультипликатора ведет к уменьшению затрат на сервисное обслуживание, уменьшение затрат на ремонт установки и увеличению времени ее эксплуатации и в итоге к повышению эффективности.
6. В данной установке имеется устройство, которое обеспечивает выполнение важнейшей функции для ветротурбин. Это трехвальный редуктор (21 по схеме фиг. 4). Он предназначен для поддержания постоянных оборотов выходного вала при изменении оборотов 2-х входных соосных валов. Редуктор представляет собой зубчатый механизм. Один из вариантов механизма показан на фиг. 8 (кинематическая схема 3-х-вального дифференциального редуктора).
Это зубчатый планетарный механизм, в котором два водила 53 и 55. На водиле 53 закрепляется промежуточное венцовое зубчатое колесо. Водило 55 жестко соединено с внутренним входным валом 49 и с колесом, имеющим наружный зубчатый венец 58. На водиле 55 размещаются сателлиты 56. Между сателлитами 52 и 56 установлен промежуточный зубчатый венец 58 с внутренними и наружными зубьями. Шестерня 54, с неподвижной осью предназначена для изменения направления вращения водила 53 относительно водила 55. Наружный входной вал 50, соосный валу 49, имеет венец 51 с внутренними зубьями. Выходная центральная шестерня 57 зацеплена с сателлитами 56.
Фактически этот механизм является дифференциалом.
Движение звеньев обычного дифференциала можно математически записать
ω3=Aω1+Вω2,
где А и В - постоянные коэффициенты, зависящие от кинематической схемы механизма;
ω1 - угловая скорость одного входного вала;
ω2 - угловая скорость другого входного вала;
ω3 - угловая скорость выходного вала;
Если скорость одного из звеньев механизма, например ω2 увеличится то, при постоянной скорости ω3 скорость ω1 уменьшится. Если скорость ω2 уменьшится, то скорость ω1 увеличится. Назовем условно такой дифференциал «положительным».
Если скорость ω3 сохраняется постоянной, то при изменении одной из скоростей ω1 или ω2 выражение движения дифференциала становится
Δω1+КΔω2=0,
где К - постоянный коэффициент, который зависит от кинематической схемы механизма;
Δω1 и Δω2- изменения величин угловых скоростей;
Иная картина движения звеньев дифференциала в предлагаемой установке (фиг. 8):
ω3=Aω1-Вω2,
или, при Δω3=0
Δω1=КΔω2
Если скорость одного вала увеличивается, то увеличивается скорость другого вала. Если скорость одного вала уменьшается, то скорость другого вала также уменьшается. Происходит «отрицательное» дифференцирование.
Схема предлагаемого механизма и способ дифференцирования являются новыми. Аналоги неизвестны. С помощью такого механизма решается одна их главных задач в ветроэнергетике - поддержание постоянных оборотов электрогенератора при уменьшении скорости ветра. Никаких дополнительных устройств - коробок переключения скоростей, электронных преобразователей частоты, инверторов не требуется. Форма электротока сохраняется синусоидальной, без частотных шумов. При малых скоростях ветра эффективность, по выработке энергии, повышается на 10-20%, что показано в примере 4. Таким образом, двухроторная ветроэнергетическая установка работает более эффективно.
В результате получается двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор. При этом между мультипликатором и ротором электрогенератора установлен трехвальный соосный зубчатый редуктор, кинематическая схема которого выполнена по условиям:
Δω1=К·Δω2, где
Δω1 - изменение угловой скорости входного внутреннего вала;
Δω2 - изменение угловой скорости входного внешнего вала;
К - постоянный коэффициент, который зависит только от кинематической схемы редуктора, обеспечивающего поддержание постоянных оборотов выходного вала при изменении оборотов входных валов.
7. Для исключения возникновения инфразвука опасных частот в диапазоне 0-12 Гц число лопастей в каждом роторе выбрано по условию: число лопастей одного ротора z, число лопастей другого ротора (z+1).
Получается двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что число лопастей ветротурбины выбрано по условию
число лопастей одного ротора - Z
число лопастей другого ротора - (Z+1).
Уменьшаются потери мощности на образование низкочастотных акустических шумов. В итоге двухроторная ветроэнергетическая установка работает более эффективно.
8. Вал наружного ротора 15 (фиг. 5), устанавливается на двух подшипниках качения 16 и 17, которые размещаются в мотораме поворотной платформы 7. Внутренний вал 14 установлен также на двух подшипниках 16 и 17а. Внутренний вал выступает относительно торца втулки 8 наружного ротора на 2,5-3 м. Консольный вылет внутреннего вала может достигать значительных величин при массе передней втулки с лопастями 6-7 т. Для улучшения прочностных характеристик внутреннего вала наружный вал искусственно удлиняется путем установки цилиндрической проставки 12, которая крепится к фланцу второй втулки болтами. В конце вращающейся проставки размещается подшипник 11. По внутреннему диаметру он устанавливается на втулку 9. Подшипник 11 становится передней опорой внутреннего вала. Консоль внутреннего вала с 3 м сокращается до 0,5 м. Внутренний вал 14, за счет усиления его проставкой 12 становится жестким и более прочным. Повышается надежность двухроторной ветроэнергетической установки за счет снижения нагрузки на внутренний вал и его подшипники.
Изготовление узлов становится менее затратным. В итоге двухроторная ветроэнергетическая установка работает более эффективно.
В результате такого решения получается двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что на внешнем вале турбины выполнена удлиняющая проставка, в конце которой установлен передний подшипник внутреннего вала.
9. В предлагаемой двухроторной ветроэнергетической установке каждый из роторов является независимым от другого и может вращаться самостоятельно. Чтобы оптимально использовать уникальные свойства «отрицательного» дифференциала разработана специальная система управления углами установки лопастей с помощью 2х регуляторов. Чтобы не допустить колебания оборотов и не получить эффект раскачки оборотов регуляторы имеют разные законы управления лопастями роторов. Один регулятор изменяет угол установки лопастей своего ротора в прямой зависимости от скорости ветра.
β1=f(υ), где
β - угол установки лопастей одного ротора;
υ - скорость ветра;
Сигнал обратной связи от датчика угла поворота энкодера, который замеряет текущее положение лопасти, поступает в систему измерения скорости ветра.
Регулятор на другом роторе устанавливает угол β2 своего ротора такой, чтобы стабилизировать обороты электрогенератора, сохраняя их постоянными
β2=f(n2), при nГ=const, где
β2 - угол установки лопастей другого ротора;
nГ - обороты электрогенератора;
n2 - обороты другого ротора;
const - постоянная величина.
Такое функциональное решение позволяет создать двухроторную ветроэнергетическую установку, включающую размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающуюся тем, что алгоритм управления углами поворота лопастей одного ротора
β1=f(υ), т.е.
угол установки лопасти есть функция только скорости ветра, а другого ротора nген=const, β2=υar, где
β1 - угол установки одного ротора;
υ - скорость ветра;
nген - обороты электрогенератора;
β2 - угол установки другого ротора;
υar - переменная величина.
Зависимость углов лопасти β, устанавливается законом регулирования так, чтобы получить с ветротурбины максимально возможную мощность при данной скорости ветра. Регулятор по углу β2 совместно с дифференциалом стабилизирует обороты электрогенератора. Поэтому генератор работает с максимальным коэффициентом полезного действия, а двухроторная ветроэнергетическая установка в целом - более эффективно.
Пример 1
Предлагается теория расчета КИЭВ (коэффициента использования энергии ветра) с учетом эжекции турбинного потока струями основного потока воздуха. На фиг. 9 показана аэродинамическая схема рассматриваемого варианта.
Введем допущение: скорости распространения волн давления близки к скоростям движения воздуха, процессов диффузии и массообмена. Такое допущение достаточно правомерно в метеоусловиях земной атмосферы.
Поток воздуха набегает на диск турбины. Часть потока массой m1 с начальной площадью сечения S0 попадает на диск, при этом скорость течения V0 замедляется около диска до V1. Основной поток воздуха проходит мимо активных рабочих сечений диска со скоростью V0. Турбинный поток, прошедший через диск, попадает в основной эжектирующий поток. Скорость турбинного потока V1 и скорость смешенного потока V3 меньше скорости V0 основного потока.
Из-за разности скоростей, вектор суммарной скорости двух попутных потоков направлен в сторону струй меньшей скорости. Основной поток будет передавать по экспоненциальному закону свою кинетическую энергию турбинному до тех пор, пока скорость турбинного потока не станет равной V0. Поэтому лучше ввести ограничение
V4=KV0≈0.97 V0
Этот процесс вызывает на обратной стороне диска турбины разряжение Р1*. Принимаем, что КПД эжекторного смешивания струй равен 1.
На фигуре 9 показана схема обмена энергией между основным и турбинным потоками.
Количество движения потока в сечении «4»:
mV4=ρS1V4 2
Количество движения потока в сечении «1»:
m1V1=ρS1V1 2
Разница в количестве движений, соответственно:
F4-1=ρS1(V4 2-V1 2)
Разница в количестве движения потока между сечениями «0» и S1
F0-1=m1(V0-V1)=ρS1V1(V0-V1)
Суммарная сила, действующая на диск турбины:
F∑=F4-1+F0-1=ρS1(V4 2-V1 2)+ρS1V1(V0-V1)
И соответствующая энергия, срабатываемая на диске:
ΔWT=F∑*V1
В результате формула для определения коэффициента использования энергии ветра:
Исследуем функцию
на максимум (И.Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. Справочник по математике. Наука, 1986 г. стр. 229). Для этого производную функции по
приравниваем нулю:
После подстановки этого значения в соотношение (II) получается максимальный коэффициент использования энергии ветра
ξ=0,999.
График изменения
показан на фигуре 10 (График теоретического КИЭВ идеального ветряка с учетом эффекта эжекции).
Так как
, то оптимальная площадь «живого» сечения диска турбины должна находиться в пределах 0,5-0,75 общей площади диска.
Более подробно - в научной статье Е.Тихоновой «Размышление о коэффициенте использования энергии ветра» в Международном научном журнале «Альтернативная энергетика и экология» №4, 2011 г.
Пример 2
Результаты испытаний образца ветротурбины двухроторной ветроэнергетической установки.
1. Цель испытаний
1.1. Определение мощностных характеристик ветротурбины.
1.2. Уточнение методики расчета больших ветротурбин.
2. Объект испытаний
2.1. Образец ветротурбины двухроторной ветроэнергетической установки Геометрические и аэродинамические характеристики:
- схема турбины - двухроторная, соосная, с противоположным вращением роторов;
- диаметр ротора -5 м;
- количество лопастей в каждом роторе - 5 шт.
- аэродинамический профиль лопастей GA (W)-2 (по терминологии NASA);
- материал лопастей - многослойная авиационная фанера;
- форма лопасти - прямоугольная, с постоянной хордой;
- величина хорды - 0,12 м;
- механизм установки угла атаки - поворот лопасти вручную. Фиксация лопасти;
2.2. Кинематическая схема испытательного стенда показана на фиг. 11. Момент от роторов ветротурбины 58 через систему клиноременных и зубчатых передач 59, 63 действует на вал электрогенератора 62. Генератор установлен на подшипниках качения и имеет возможность поворачиваться вокруг оси своего ротора. Момент на статоре генератора через балансирный рычаг передается на весы 60. Гашение колебаний системы происходит гидроамортизатором 61. Расчет мощности производится через крутящий момент и число оборотов ротора генератора по методике. Дополнительно контролируется мощность, срабатываемая на гасящих сопротивлениях 64.
3. Результаты испытаний
Испытания проводились в мае-июне 2008 года. Установка была смонтирована на плоской крыше 5-ти этажного дома. Затенение турбины для вектора ветра отсутствовало.
Подключение аппаратуры сделано в соответствии с методикой ИнС-В-16/1. Замеры проводились на установившемся ветровом режиме. Замерялись: число оборотов генератора, усилие на балансирном рычаге, скорость ветра, температура и барометрическое давление, дата и время измерений. Все параметры фиксировались в рабочем журнале.
3.1. В соответствии с методикой проводилась обработка результатов измерений. Коэффициент использования энергии ветра в площади, ометаемой ветроколесом рассчитывался с поправкой на плотность воздуха.
Wзам - мощность ветротурбины, замеренная;
W - максимальная мощность ветра, в пределах ометаемой площади;
ρфакт - замеренная плотность воздуха в момент измерений мощности.
3.2. После обработки измерений и сопутствующих расчетов основные итоги испытаний представлены на графиках, Фиг. 12 и Фиг. 13
Фиг. 12 Изменение мощности 2 х роторной ветротурбины от скорости ветра
2. Линия 66 - расчетные значения мощности
3. Линия 67- изменение угловой скорости роторов ветротурбины
4. Линия 68 - коэффициент использования энергии ветра
4. Выводы
4.1. ~ Полученные значения мощности, при испытаниях образца двухроторной турбины с противоположным вращением роторов достаточно близки к расчетным значениям мощности;
4.2. ~ испытания образца ветротурбины двухроторной ветроэнергетической установки показали его высокую эффективность;
~ считать целесообразным разработку ряда ветротурбин на основе двухроторных кинематических схем. В качестве мультипликатора рекомендовать применение дифференциального механизма с переменным передаточным отношением;
~ результаты испытаний макета рекомендовать использовать для уточнения методики расчета ветротурбин.
Пример 3
На установке СМЦ-2 были проведены испытания подшипников с замером коэффициента трения. Испытывались пластичные смазки 12 наименований, жидкие смазки 27 наименований и твердые смазки 32 наименований, в сочетании с кольцами подшипников «сталь-сталь», «сталь-мягкие сплавы», «сталь-керамика». Результаты представлены в обобщенной таблице.
Из таблицы видно, что подшипники скольжения на основе «сталь-керамические материалы» с применением твердой смазки из халькогенидов металлов имеют коэффициент трения 0,008-0,015. Эта величина меньше по отношению к другим сочетаниям от 2х до 20 раз.
Пример 4
Испытания макетного дифференциала.
Пояснение. С помощью такого механизма решается одна из главных задач в ветроэнергетике - поддержание постоянных оборотов электрогенератора при изменении скорости ветра. Можно ожидать при малых скоростях ветра, что эффективность по выработке энергии повышается.
На приведенном ниже графике показано семейство кривых полученных на макете экспериментального дифференциала. На осях графика указаны скорости вращения входных валов в дифференциал. Рабочая скорость выходного вала из дифференциала составляет 600 об/мин. При коэффициенте мультипликации 20 рабочий диапазон входных оборотов роторов в дифференциал будет находиться в диапазоне 300 об/мин-600 об/мин. Наибольшую выходную скорость пригодную для генерации имеет линия « Ряд 1». Линия «Ряд 9» - это прямые постоянной выходной скорости дифференциала.
Без использования дифференциала рабочая скорость роторов должна быть только 30 об/мин. При общем коэффициенте мультипликации 50 получим выходную скорость на выходе мультипликатора 1500 об/мин необходимую для электрогенератора. При использовании дифференциала рабочий диапазон роторов можно расширить до 15-30 об/мин.
Ниже приведены таблицы мощности ветроустановки.
Видно, что при 30 об/мин роторов генерация начнется со скорости ветра 6 м/сек. Наличие дифференциала дает возможность работы от 15 об/мин при скорости ветра 3 м/сек.
По представленным графикам выполнен расчет вырабатываемой электроэнергии ветроустановкой с дифференциалом и без него. Для расчета использовано распределение ветра по городу Воронеж.
С дифференциалом годовая выработка больше на
(4361010-3921734)/3921734=0,112 (11,2%).
Claims (9)
1. Двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что каждый ротор турбины имеет число лопастей более 3-х, которые спроектированы как вращающиеся крылья, а суммарная площадь лобовой поверхности лопастей на номинальном режиме работы составляет 0,3÷0,5 от площади ометаемой лопастями поверхности.
2. Двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что лопасти во втулке устанавливаются на подшипниках скольжения, в которых применяется твердая смазка на основе дихалькогенидов металлов, в сочетании с керамической втулкой.
3. Двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что электрогенератор с вертикальной осью вращения ротора размещен в верхней части неподвижной башни, статор генератора закреплен к башне, а ось ротора электрогенератора расположена вертикально и совпадает с осью вращения поворотной платформы.
4. Двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, генератор с вертикальной осью вращения ротора, размещенный в верхней части башни отличающаяся тем, что привод от турбины к генератору выполнен с помощью конической зубчатой передачи.
5. Двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что мультипликатор представляет собой двухконтурный зубчатый механизм, размещенный в одном корпусе, каждый конкур которого передает движение и крутящий момент от одного из роторов турбины независимо от движения другого контура, а кинематическая схема контура представляет собой планетарный редуктор и зубчатый одноступенчатый перебор.
6. Двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что между мультипликатором и ротором электрогенератора установлен трехвальный соосный зубчатый редуктор, кинематическая схема которого выполнена по условиям
Δω1=К·Δω2, где
Δω1 - изменение угловой скорости входного внутреннего вала;
Δω2 - изменение угловой скорости входного внешнего вала;
К - постоянный коэффициент, который зависит только от кинематической схемы редуктора.
Δω1=К·Δω2, где
Δω1 - изменение угловой скорости входного внутреннего вала;
Δω2 - изменение угловой скорости входного внешнего вала;
К - постоянный коэффициент, который зависит только от кинематической схемы редуктора.
7. Двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что число лопастей ветротурбины выбрано по условию:
число лопастей одного ротора - Z;
число лопастей другого ротора - (Z+1).
число лопастей одного ротора - Z;
число лопастей другого ротора - (Z+1).
8. Двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что на внешнем вале турбины выполнена удлиняющая проставка, в конце которой установлен передний подшипник внутреннего вала.
9. Двухроторная ветроэнергетическая установка, включающая размещенные на башне ветротурбину с двумя соосными ветроколесами на поворотной платформе, трансмиссию, системы управления углами установки лопастей и положения платформы, электрогенератор, отличающаяся тем, что алгоритм управления углами поворота лопастей одного ротора
β1=f(υ), т.e.
угол установки лопасти есть функция только скорости ветра, а другого ротора nген=const, β2=υar, т.е. обороты генератора поддерживаются постоянными за счет изменения углов установки лопастей другого ротора,
где β1 - угол установки одного ротора;
υ - скорость ветра;
nген - обороты электрогенератора;
β2 - угол установки другого ротора;
υar - переменная величина.
β1=f(υ), т.e.
угол установки лопасти есть функция только скорости ветра, а другого ротора nген=const, β2=υar, т.е. обороты генератора поддерживаются постоянными за счет изменения углов установки лопастей другого ротора,
где β1 - угол установки одного ротора;
υ - скорость ветра;
nген - обороты электрогенератора;
β2 - угол установки другого ротора;
υar - переменная величина.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US15/326,535 US10451029B2 (en) | 2014-07-16 | 2014-08-07 | Dual rotor wind power assembly (variants) |
PCT/RU2014/000579 WO2016010450A1 (ru) | 2014-07-16 | 2014-08-07 | Двухроторная ветроэнергетическая установка (варианты) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2574194C1 true RU2574194C1 (ru) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU173830U1 (ru) * | 2016-09-14 | 2017-09-13 | Виктор Степанович Ермоленко | Соосный редуктор |
RU2728304C1 (ru) * | 2019-12-18 | 2020-07-29 | Гершевицкая Ирина Степановна | Мультироторная энергетическая установка |
RU2729587C1 (ru) * | 2016-12-05 | 2020-08-11 | Воббен Пропертиз Гмбх | Ветроэнергетическая установка и способ эксплуатации ветроэнергетической установки |
RU2754488C1 (ru) * | 2020-10-16 | 2021-09-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Тюльганский электро механический завод" | Ветроэнергетическая установка |
CN114109710A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-01 | 中国科学院电工研究所 | 一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组 |
RU214370U1 (ru) * | 2022-04-22 | 2022-10-25 | Виктор Егорович Мерзликин | Двухроторная ветроэнергетическая установка |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1746057A1 (ru) * | 1990-02-09 | 1992-07-07 | Рижский Краснознаменный Институт Инженеров Гражданской Авиации Им.Ленинского Комсомола | Ветроэлектроустановка |
SU1815408A1 (en) * | 1989-08-02 | 1993-05-15 | Shota N Khutsishvili | Windmill-electric generating plant |
RU2065991C1 (ru) * | 1994-05-05 | 1996-08-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "Общемаш-Инжиниринг" | Способ получения ветроэнергии и устройство для его осуществления |
MD2727F1 (en) * | 2001-08-08 | 2005-03-31 | Valerii LUCA | Wind-driven electric plant |
RU2407608C2 (ru) * | 2005-01-12 | 2010-12-27 | Снекма | Смесь порошков, пригодная для фритирования для получения твердого самосмазывающегося материала |
RU2463475C2 (ru) * | 2010-04-08 | 2012-10-10 | Ренат Кайдарович Абинаев | Ветроэнергетическая установка |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1815408A1 (en) * | 1989-08-02 | 1993-05-15 | Shota N Khutsishvili | Windmill-electric generating plant |
SU1746057A1 (ru) * | 1990-02-09 | 1992-07-07 | Рижский Краснознаменный Институт Инженеров Гражданской Авиации Им.Ленинского Комсомола | Ветроэлектроустановка |
RU2065991C1 (ru) * | 1994-05-05 | 1996-08-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью Фирма "Общемаш-Инжиниринг" | Способ получения ветроэнергии и устройство для его осуществления |
MD2727F1 (en) * | 2001-08-08 | 2005-03-31 | Valerii LUCA | Wind-driven electric plant |
RU2407608C2 (ru) * | 2005-01-12 | 2010-12-27 | Снекма | Смесь порошков, пригодная для фритирования для получения твердого самосмазывающегося материала |
RU2463475C2 (ru) * | 2010-04-08 | 2012-10-10 | Ренат Кайдарович Абинаев | Ветроэнергетическая установка |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
ГОСТ ИСО 4378-1-2001 01.07.2002. * |
Инж. Е.М.Фатеев "Системы ветродвигателей", М.-Л., Государственное энергетическое издательство, 1933. * |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU173830U1 (ru) * | 2016-09-14 | 2017-09-13 | Виктор Степанович Ермоленко | Соосный редуктор |
RU2729587C1 (ru) * | 2016-12-05 | 2020-08-11 | Воббен Пропертиз Гмбх | Ветроэнергетическая установка и способ эксплуатации ветроэнергетической установки |
US11131291B2 (en) | 2016-12-05 | 2021-09-28 | Wobben Properties Gmbh | Wind power installation and method for operating a wind power installation |
RU2728304C1 (ru) * | 2019-12-18 | 2020-07-29 | Гершевицкая Ирина Степановна | Мультироторная энергетическая установка |
RU2754488C1 (ru) * | 2020-10-16 | 2021-09-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Тюльганский электро механический завод" | Ветроэнергетическая установка |
CN114109710A (zh) * | 2021-12-16 | 2022-03-01 | 中国科学院电工研究所 | 一种基于行星齿轮的轮毂双叶轮反向旋转的风电机组 |
RU214370U1 (ru) * | 2022-04-22 | 2022-10-25 | Виктор Егорович Мерзликин | Двухроторная ветроэнергетическая установка |
RU219200U1 (ru) * | 2023-04-18 | 2023-07-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет" (ВГТУ) | Двухроторная ветроэнергетическая установка |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10451029B2 (en) | Dual rotor wind power assembly (variants) | |
KR101377818B1 (ko) | 새로운 구조의 수평축 풍력 터빈 발전기와 그 운전 방법 | |
Nejad et al. | Development of a 5 MW reference gearbox for offshore wind turbines | |
Kim et al. | Yaw Systems for wind turbines–Overview of concepts, current challenges and design methods | |
EP2458199B1 (en) | Wind turbine with compensated motor torque | |
Abboudi et al. | Dynamic behavior of a two-stage gear train used in a fixed-speed wind turbine | |
EP2627931B1 (en) | Stationary gear unit | |
EP2500562A2 (en) | Methods and systems for alleviating the loads generated in wind turbines by wind asymmetries | |
Cotrell | A preliminary evaluation of a multiple-generator drivetrain configuration for wind turbines | |
CN102022265A (zh) | 用于确定风力涡轮机的监测设定点极限的系统和方法 | |
EP2276924B1 (en) | Method for operating a wind energy converter, control device for a wind energy converter, and wind energy converter | |
Spera | Introduction to modern wind turbines | |
US9816487B2 (en) | System and method for integrating a horizontal axis wind turbine and a vertical axis wind turbine | |
RU2574194C1 (ru) | Двухроторная ветроэнергетическая установка (варианты) | |
KR20150006330A (ko) | 조류 발전소 및 이의 구동 방법 | |
EP2656499B1 (en) | Control of water current turbines | |
Bossanyi et al. | Blade pitch system modelling for wind turbines | |
KR20100047131A (ko) | 듀얼 로터 풍력발전기 | |
Roshanmanesh et al. | Tidal turbines | |
JP2018053814A (ja) | 風力発電装置 | |
Kotulski et al. | Comparison of requirements for vibration-based condition monitoring of a vertical-axis vs. horizontal-axis wind turbine | |
CN115370537B (zh) | 基于雷达前馈控制的风电调频载荷优化控制方法及系统 | |
CN218542476U (zh) | 变桨装置及风力发电机组 | |
WO2024034342A1 (ja) | 風力発電装置 | |
Izelu et al. | A review on developments in the design and analysis of wind turbine drive trains |