RU2692937C1 - Ветровая автоматическая двухгенераторная электростанция - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветровая автоматическая двухгенераторная электростанция имеет одну турбину с сорока лопастями, установленными под углом 30° относительно вала турбины, лопасти выполнены расширенными от ступицы к ободу, к которому присоединен раструб-конфузор, который имеет возможность увеличивать скорость поступающего в турбину ветра на 30-50%, турбина снабжена ступицей, которая установлена на валу и закреплена на нем, вал турбины соединен с основным электрогенератором, выполненным с возможностью работы при силе ветра от 3 до 10 м/с, на валу находится центробежная регулируемая муфта сцепления, выполненная с возможностью включения в работу второго электрогенератора при скорости ветра выше 8-10 м/с, на валу имеется шкив тормозного останавливающего устройства, станция имеет механизм с возможностью автоматического торможения электрогенераторов при ураганах. Изобретение направлено на повышение коэффициента использования энергии ветра. 5 ил.

Description

Станция имеет турбину 1 ∅ от 3 до 10 метров, с сорока широкими лопастями 2 и массивным ободом 3, с улавливающим раструбом-конфузором 4, полой ступицей 5, которая установлена на вал 6 и закреплена на нем винтами 7 (см. ФИГ.1).

Ступица 5 имеет обтекатель воздуха 7А. Турбина вынесена за пределы подвижной части станции, благодаря нему не имеет помех для прохождения ветра в нее. Поэтому КПД (КИЭВ) повышается до 90%. Главный вал 6 турбины 1 установлен на подшипники 8, 9 и соединен с электрогенератором 10 бесшумным прорезиненным карданом 11. На валу 6 находятся шкив 12 тормозного останавливающего устройства 13 с ручкой-барашком 14. Это устройство имеет форму винтового пресса, приводимого вручную. На валу 6, имеется червячный редуктор 15 тахометра 16.

На валу 6 находится главный механизм установки - центробежная регулируемая муфта сцепления 17 с регулировочной обоймой 18 и рычагом переключения 19.

При передвижении регулировочной обоймы 18 (по чертежу ФИГ.1) влево укорачиваются рычаги «лепестков» муфты сцепления 17.

Это приведет к тому, что муфта включится при больших оборотах вала турбины 1.

Наоборот, если переместить обойму 18 вправо (по чертежу ФИГ.1), то рычаги «лепестков» муфты 17 удлиняются, притом включение муфты сцепления будет происходить при меньших оборотах в мин, вала 6.

Центробежная муфта 17 «лепестками» прижимается при сцеплении внутри поверхности фасонной трубы 20 (см. ФИГ.1), на которой закреплена ведущая шестерня 21 мощной шпонкой 22. Рядом с обеих сторон шестерни 21 на валу-трубе 20 находятся два подшипника 23 и 23А в корпусе 24 коробки отбора мощности (см. ФИГ.1), эта коробка вмещает три шестерни, пять шариковых подшипников и один роликовый.

Ведущая шестерня 21 передает вращение через промежуточную шестерню 25 на ведомую шестерню 26, которая будет вращать ведомый вал 27 и через прорезиненный: кардан 28 второй электрогенератор 29. Шестерня 21 и шестерня 26 будут вращаться в одну сторону.

Промежуточная шестерня 25 вращается на оси 30 на игольчатом роликовом подшипнике 31.

По обеим сторонам ведомой шестерни 26 на валу 27 находятся два подшипника 32, 32А.

Вся коробка отбора мощности 24 заполняется трансмиссионной смазкой, все валы на выходе имеют современные сальники 33, 34, 35, 35А, 35Б, 35В, 35Г.

Преимуществом Ветровой автоматической двухгенераторной электростанции (ВАЭС-2 мт) являются следующие факторы:

1) В станции благодаря огромной улавливающей площади турбины 1 с сорока лопастями, через которые ветер проходит, полностью прикасаясь к поверхностям лопастей.

Благодаря большому раструбу-конфузору 4 обода турбины площадь улавливания ветра увеличивается еще на 30-50%. В результате увеличения массы и рычага-радиуса обода маховика крутящий момент турбины 1 в кг/метрах еще будет увеличен.

Размер раструба-конфузора не ограничен, чем он больше, тем выше мощность турбины (см. ФИГ.3) и выше КИЭВ станции.

Единица измерения крутящего момента - 1 килограммометр.

Это означает: 1 кг массы на конце рычага длиной 1 метр. Чем больше масса детали и длиннее рычаг (в данной турбине он равен радиусу), тем больше значение крутящего момента. Тем мощнее можно установить электрогенератор.

Отсюда вывод: крутящий момент любой вращающейся системы (турбины) - это произведение массы детали (обод + лопасти) на длину рычага - радиуса. То есть m₁*i₁=m₂*i₂. Например: m₁=3 кг, i₁=1 м, будет равно: 3 кг * 1 м = 1 кг * 3 м. 3 кг/м = 3 кг/м.

После установки турбины на место, она должна быть подвергнута тщательной балансировке (статической и динамической).

Электрогенератор 10 выработанную электроэнергию проводом 36 передает на вращающуюся воронку 37 и далее внутри трубы столба 38, 39 выводит на щит приборов.

Второй электрогенератор 29, который включается в работу при большой силе ветра, выдает электроэнергию на «подпитку» ЛЭП. Таким образом происходит следующее: электрогенератор 10, работающий при малой и средней силе ветра, от 3 м/сек до 10 м/сек, снабжает электроэнергией потребителя, а второй электрогенератор 29 (повторяю) подпитывает ЛЭП.

В результате энергия ветра используется на 85-90%, чего не сможет сделать ни одна ВЭС, размещенная в Интернете.

Лопасти турбины 1 установлены так, что ни одна струя ветра не проходит мимо лопастей 2. Поэтому КПД турбины будет около 90-95%.

Благодаря огромной улавливающей площади турбины 1 при ∅ 5-7 и более метров с раструбом-конфузором 4 крутящий момент ее в кг/метрах будет очень высокий, что позволит установить более мощные электрогенераторы.

Электрогенератор 29 имеет провод 49, вставленный в подвижную воронку 37 и далее внутри трубы опорного столба 38-39 выводится на щиток приборов (см. ФИГ.1).

Турбина с ободом 3 в совокупности с раструбом-конфузором 4 имеет множество преимуществ по сравнению с обыкновенной турбиной с горизонтальным валом без обода, а именно:

1+) обод 3 предотвращает утечку центробежного воздуха по окружности турбины, весь ветер попадает на ее лопасти, при этом КПД будет около 90%;

2+) обод позволяет изготавливать лопасти 2 из тонкой легкой листовой стали толщиной от 3 мм; лопасти расширены к ободу и заужены к ступице турбины, что также увеличивает КПД;

3+) раструб-конфузор 4 увеличивает приток воздуха-ветра в турбину от 30 до 50%, в зависимости от ширины раструба-конфузора;

4+) раструб-конфкзор не только увеличивает приток воздуха в турбину 1, он увеличивает скорость потока воздуха-ветра в турбине (по закону Бернулли). При уменьшении площади поперечного сечения потока воздуха на величину S₂ - скорость его увеличивается на эту же величину V_2., то есть S₁⋅V₁=S₂⋅V₂;

5+) раструб-конфузор увеличивает массу обода-маховика, что повышает значение крутящего момента турбины;

6+) растубр-конфузор удлиняет «рычаг», т.е. радиус турбины, что также приводит к увеличению ее крутящего момента;

7+) лопасти турбины исключают прохождение ветра мимо них, так как установлены под 30° к валу турбины и весь воздух будет проходить по поверхности лопастей, увеличивая КПД турбины до 90-95% при увеличении ширины лопастей, увеличивается сила давления ветра на каждую лопасть, а количество лопастей увеличивает энергию турбины;

8+) большой ∅ турбины, наличие обода и раструба-конфузора способствуют выравниванию скорости вращения самой турбины при резких порывах ветра, благодаря силе инерции.

Все указанные преимущества позволяют впервые в мире получить турбину с КПД от 90 до 95%, что не имеет ни один проект турбины, показанный в интернете.

Поворотный механизм «на встречу ветра» состоит из опорного столба 38, усиленного второй трубой 39 для гарантии прочности при ураганах.

На опорный столб 38, 39 установлена подвижная труба 40, которая укреплена элементами 50 всего корпуса станции, на котором размещены: коробка отбора мощности 24, электрогенераторы 10, 29, шкив 12, муфта 17 и т.д.

Вся подвижная часть станции внизу опирается на два больших подшипника: шариковые радиально-упорный 43 и радиальный 44, которые упираются на неподвижную платформу 45.

Вверху опорный столб 38-39 имеет роликовый игольчатый подшипник 46 и стопорную обойму 47, которая закреплена винтами 48 на валу 38. Обойма 47 удерживает всю подвижную часть станции.

Вследствие того, что большая часть станции расположена эксцентрично, по одну сторону опорного столба 38-39 и является как бы крыльями флюгера, станция турбиной 1 будет всегда обращена навстречу ветра.

В этой системе неподвижными являются: столб 38-39, внутренние обоймы подшипников 43, 44, распорное кольцо 44А, стопорная обойма 47 с винтами 48.

Опорный столб должен быть прочно приварен к неподвижной платформе 45 и забетонирован глубоко в земле.

Вся подвижная часть станции должна иметь легкую пластиковую прозрачную крышу - капот, от атмосферных осадков, в виде, полусферы (радиуса) (см. ФИГ.1 (60) вынос 1), (см. ФИГ.2) похожего на длинный флигель.

Иначе при ливне, гололеде, снегопаде, все механизмы и приборы под №№12, 13, 14, 15, 16, 17, 51, 55, 59, не смогут функционировать нормально и выйдут из строя.

При изготовлении турбины 1 сначала нужно изготовить так называемый «кондуктор», в котором с точностью до 0,1 мм должны быть определены все параметры турбины (Д, Е, Ж, ФИГ.3).

В этот «кондуктор» вставляются готовые обод 3 и ступица 5 турбины 1.

Прежде чем начать установку и приварку лопастей 2, нужно определить, в какую сторону должны вращаться электрогенераторы 10, 29 (по часовой стрелке или против).

И только потом устанавливать на место лопасти 2 под углом 30° относительно вала турбины.

Ступица 5 полая, состоит из обрезка трубы (А) ∅ до 500 мм и двух фасонных фланцев (В) и (С) (см. ФИГ.1, ФИГ.3).

Сборка и сварка ступицы производится на валу 6 или отрезка вала такого же ∅, чтобы соблюсти соосность всех деталей ступицы.

Лопасти 2 турбины вырезаются по тщательно изготовленному шаблону.

Ступица закрепляется на валу 6 специальными винтами 7 (см. ФИГ.1).

К ободу 3 присоединен раструб-конфузор 4, благодаря которому улавливание ветра и его скорость увеличиваются на 30-50%, повышая КПД турбины до 95%, увеличивая массу обода-маховика и «рычаг» радиус турбины.

Это приведет к еще большему значению крутящего момента в кг/метрах и лучшему сглаживанию скорости вращения турбины при резких порывах ветра, благодаря силе инерции.

Что может происходить на станции при ураганах?

Можно предположить, что электрогенераторы 10 и 29 могут пойти в «разнос» и выйти из строя.

Что можно предпринять?

Проанализировав множество вариантов, я пришел к одному решению.

Нужно автоматизировать при ураганах торможение обоих электрогенераторов в зависимости от силы урагана.

Сделать это можно следующим образом:

1) вынести наружу тормозной шкив-диск 51 ведомого вала 27 (см. ФИГ.1, ФИГ.5).

Этот шкив-диск и весь тормозной механизм должен быть заключен в картер 61 с незамерзающей невоспламеняющейся жидкостью (типа антифриза).

Конструкция и работа тормоза при ураганном ветре.

Конструкции всех ранее предложенных устройств тормозов имеют многочисленные недоработки.

Предлагается глубокопродуманный вариант тормозного устройства при ураганном ветре в целях эффективного снижения оборотов турбины и электрогенераторов (см. ФИГ.5).

Ветровая автоматическая двухгенераторная электростанция должна иметь новое сокращенное название станция.

Новая модернизированная конструкция тормоза имеет два башмака 55 и 55А со штоками 69, 70 (см. ФИГ. 5), которые движутся во втулках 66, 67, сдавливая тормозной диск 51 ведомого вала 27 с двух сторон одновременно, что создаст более эффективное торможение ввиду того, что создаст более эффективное торможение при наличии в картере 61 антифриза, охлаждающего диск и поверхности башмаков, давление башмаков 55 и 55А должно быть очень большим.

Самый главный орган тормоза, рычаг 62, который усиливает давление башмаков на диск с каждой стороны до пяти раз. Рычаг 52 одновременно производит давление на шток 69 башмака 55 и на фасонную Г-образную деталь 65. Шток фасонной детали движется в направляющей трубе 72, создавая плечом детали 65 давление на шток 70 второго башмака 55А.

Корпус (картер) 61 крепится к стенке коробки отбора мощности 24 винтами 73.

Втулки 66 и 67 на выходе имеют сальники 35В и 35Г (см. ФИГ.5). Корпус имеет заливную горловину с пробкой - предохранительным клапаном 64.

Ураганный ветер поступает на уловитель-концетратор 52 и штоком 63, который и создает давление на рычаг 62.

Далее все описано выше.

Исходное (нейтральное) положение механизма тормоза держит пружина 54, натяжение которой должно быть отрегулировано на силу ураганного ветра с помощью резьбовой штанги 57 с ручкой-барашком 58.

Рычаг 62 имеет две овальные прорези 74, позволяющие при движении рычага 62 по дуге, строго горизонтальное движение штоков 63, 65 во втулках и трубе 72, 78 (см. ФИГ.5, ФИГ.1).

Рычаг 62 плоского профиля 77 (см. вынос 2, ФИГ.5) имеет два отверстия 75 и две овальные прорези 74.

Штоки 65, 69, 70 башмаков и шток 63 имеют проушины 76, где помещается рычаг 62 на осях-винтах 79 (см. вынос 2, ФИГ.5).

Диск 51 установлен на ведомом валу 27 на квадратную часть 68 и закреплен на ней винтами 71 с накладкой 80.

Диск 51 и башмаки 55, 55А должны быть изготовлены из высокопрочной легированной стали. Поверхность соприкосновения их должна быть отшлифована. Никакое «Ферадо» не выдержит длительного торможения при ураганном ветре и сотрется на первом часе торможения. Весь тормозной процесс регулируется по показанию тахометра 16 с помощью натяжения или ослабления пружины 54 (см. ФИГ.1).

Однажды отрегулированная пружина в дальнейшей регулировке не нуждается.

Электроток электрогенераторов 10, 29 на выходе поступает на мощные стабилизаторы напряжения 56 и лишь потом в сеть (см. ФИГ.1).

Подводя итог, констатируем следующие факты:

1. Ветровая автоматическая двухгенераторная электростанция имеет много преимуществ, указанных в тексте описания, по сравнению со станциями АВЭС-1 и АВЭС-2. Станция, при одинаковых габаритах со станциями АВЭС-1 и АВЭС-2, будет иметь мощность, электрогенераторов, (ориентировочно) на 10-15% большую. Притом менее сложна при изготовлении и эксплуатации.

Ни одна ВЭС, размещенная в соцсетях, даже близко не может сравниться с проектом станции по КПД, а также по мощности и перспективе дальнейшего увеличения ее КПД.

2. Что касается экономических затрат, то при нынешнем разбросе цен на материалы в разных фирмах определить точно сумму расхода невозможно.

Ориентировочно, станция мощностью до 200 кВт будет стоить не дороже импортного внедорожника.

3. Процесс работы станции определяется примерно так: при нормальной, небольшой силе ветра, от 3-10 м/с, работает один электрогенератор 10, при 750-800 об/минуту.

При усилении ветра выше 8-10 м/с включается центробежная муфта сцепления 17, приводя во вращение второй электрогенератор 29, снижая обороты обеих электрогенераторов. При дальнейшем усилении ветра, включается механизм торможения: пирамида 52, камера 53 с пружиной 54, башмаками 55, 55А) и оба электрогенератора будут работать в пределах нормы. Регулирование напряжения, включения и отключения электрогенераторов 10, 29 от сети 380 В, происходит переключателями по схеме (ФИГ.4). Если будут отклонения в сторону увеличения напряжения, стабилизаторы 56 эту погрешность выровняют. На ФИГ.2 показан вид станции со стороны турбины 1.

При уменьшении силы ветра отключается центробежная муфта 17 и электрогенератор 29 останавливается. Но электрогенератор 10 продолжает выдавать электроэнергию потребителям.

При дальнейшем уменьшении воздушного потока срабатывает РН-12, разрывая цепь КМ-1 и включая КМ-2 районной электросети.

Все потребители будут запитаны от этой сети (см. ФИГ.4).

Описание работы устройства выключателей по электрической схеме (ФИГ.4), работающей совместно с электрогенератором и ЛЭП 380 В.

Трехфазная районная сеть 0,4 кВ-питание от тепловой станции

КМ-2 включен. (См. ФИГ.4).

Как только ветровой электрогенератор начинает выдавать в сеть напряжение 380-390 В, РН-12 своими нормально разомкнутыми контактами, включает КМ-1, тот в свою очередь своими контактами разрывает цепь катушки КМ-2, и дом, коттедж или «объект», питаются от ветрового электрогенератора. Когда воздушный поток уменьшается, выключается центробежная муфта 17 и нижний электрогенератор 29 останавливается, тогда как электрогенератор 10 продолжает выдавать ток потребителю.

Когда воздушный поток уменьшается, срабатывает РН-12 (до 300 В) разрывая контактами цепь, и линия дома и т.д. снова питается от районной сети 380 В.

Второй вариант: мощная ВЭС свыше 200 кВт должна параллельно подключена к федеральной ЛЭП, что позволит экономить значительное количество электроэнергии, не сравнимое ни с какими энергосберегающими лампочками.

Claims (1)

1. Ветровая автоматическая двухгенераторная электростанция имеет одну турбину с сорока лопастями, установленными под углом 30° относительно вала турбины, лопасти выполнены расширенными от ступицы к ободу, к которому присоединен раструб-конфузор, который имеет возможность увеличивать скорость поступающего в турбину ветра на 30-50%, турбина снабжена ступицей, которая установлена на валу и закреплена на нем, вал турбины соединен с основным электрогенератором, выполненным с возможностью работы при силе ветра от 3 до 10 м/с, на валу находится центробежная регулируемая муфта сцепления, выполненная с возможностью включения в работу второго электрогенератора при скорости ветра выше 8-10 м/с, на валу имеется шкив тормозного останавливающего устройства, станция имеет механизм с возможностью автоматического торможения электрогенераторов при ураганах.

Images