WO2011008185A1

WO2011008185A1 - Ветродвигатель

Info

Publication number: WO2011008185A1
Application number: PCT/UA2010/000040
Authority: WO
Inventors: Мыкола Стэпановыч ГОЛУБЭНКО; Олэся Борысивна ДОВГАЛЮК; ОлэксандрЛэонидовыч КАДАЦЬКЫЙ; Сэргий Дмитрийовыч КУРДЮКОВ; Валэрий Олэксандровыч ЦЫГАНОВ
Original assignee: Товарыство З Обмэжэною Видповидальнистю Проэкгно-Конструкторськэ-Тэхнологичнэ Бюро "Koнкopд"
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2010-07-08
Publication date: 2011-01-20
Also published as: EP2455608A1

Abstract

Объект изобретения: ветродвигатель. Область применения: ветроэнергетическое оборудование. Суть изобретения: Ветродвигатель содержит неподвижную опору, поворотную головку и ветроколесо с генераторами и дополнительными ветроколесами, при этом ось вращения ветроколеса размещена горизонтально, лопасти ветроколеса имеют поворотные концевые части, а дополнительные ветроколеса соединены с генераторами, при этом лопасти ветроколеса снабжены коробоподобными элементами, которые закреплены на концах их неподвижных частей, генераторы и поворотные концевые части лопастей ветроколеса закреплены на коробоподобных элементах, при этом генераторы размещены на передней по отношению к воздушному потоку части лопастей ветроколеса. Технический результат: в отличие от прототипа и аналогов, исключено действие сил на генераторы со стороны поворотных частей лопастей и исключена необходимость снимать с лопастей ветроколеса и любые другие элементы, кроме генератора, при его замене.

Description

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

Предлагаемое устройство относится к ветроэнергетическому оборудованию, а именно к ветродвигателям.

Известен ветродвигатель (первый аналог), который содержит неподвижную опору, поворотную головку и ветроколесо, на лопастях которого размещены генераторы с дополнительными ветроколесами, при этом ось вращения ветроколеса размещена горизонтально, а генераторы с дополнительными ветроколесами размещены ближе к концам лопастей ветроколеса или на их концах (патент США N° 5 151 610, F03D1/00, публ. 1992.09.29).

Главным недостатком ветродвигателя является размещение генераторов ближе к концам лопастей ветроколеса или на их концах, что приводит к уменьшению коэффициента полезного действия дополнительных ветроколес и наличию больших центробежных сил, которые действуют на генераторы и воспринимаются лопастями ветроколеса.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому устройству является ветродвигатель по патенту UA N°76797 C2 (МПК [2006.01] FОЗD 7/02, публикация от 15.09.2006, бюлл. Ns9), который взят в качестве прототипа. Он содержит неподвижную опору, поворотную головку и ветроколесо с генераторами и дополнительными ветроколесами, при этом ось вращения ветроколеса размещена горизонтально, лопасти ветроколеса имеют поворотные концевые части, генераторы размещены на неподвижных частях лопастей ветроколеса, поворотные концевые части лопастей шарнирно установлены на генераторах, а дополнительные ветроколеса установлены на валах генераторов.

Прототип имеет несколько существенных недостатков, связанных с размещением поворотных концевых частей лопастей веτроколеса на генераторах. Так, для замены генератора нужно полностью разобрать лопасть ветроколеса, а именно отсоединить механизмы поворотных концевых частей лопастей от электрических сетей, систем управления, контроля, диагностики, заземления и других, снять поворотную концевую часть лопасти вместе с шарнирами и механизмами ее поворота и лишь потом снять генератор. После замены генератора необходимо снова все собрать, проверить и наладить все механизмы и системы лопастей ветроколеса. Вдобавок, наличие поворотных концевых частей лопастей с одной стороны генераторов и неподвижных частей лопастей с другой стороны ухудшает условия охлаждения генераторов воздушным потоком.

Второй недостаток связан с тем, что генераторы воспринимают все силы (аэродинамические и центробежные), изгибающие моменты и вибрации, которые действуют на поворотные концевые части лопастей ветроколеса. Это требует значительного увеличения толщины корпусов генераторов и соответственно их веса для обеспечения нужной прочности, потому что все нагрузки действуют на генераторы в направлении наименьшей прочности их корпусов. Вес генераторов имеет существенное значение потому, что они являются одними из самых тяжелых элементов лопастей ветроколеса.

Целью изобретения является создание ветродвигателя, лишенного указанных недостатков. Поставленная цель достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем неподвижную опору, поворотную головку и ветроколесо с генераторами и дополнительными ветроколесами, и при этом ось вращения ветроколеса размещена горизонтально, лопасти ветроколеса имеют поворотные концевые части, а дополнительные ветроколеса соединены с генераторами, в соответствии с данным изобретением лопасти ветроколеса снабжены коробоподобными элементами, которые закреплены на концах их неподвижных частей, генераторы и поворотные концевые части лопастей ветроколеса закреплены на коробоподобных элементах, при этом генераторы размещены на передней по отношению к воздушному потоку части лопастей ветроколеса, а в отдельных вариантах выполнения ветродвигателя: для улучшения монтажа и обслуживания элементов лопасти ветроколеса с механизмами поворота концевых частей лопастей, элементы крепления неподвижных частей лопастей ветроколеса, генераторов и механизмов поворота концевых частей лопастей ветроколеса к коробоподобным элементам размещены внутри коробоподобных элементов;

для уменьшения изгибающих моментов, обусловленных центробежными силами, которые действуют на генераторы и воспринимаются лопастями ветроколеса, генераторы закреплены на коробоподобных элементах на передней по отношению к воздушному потоку части лопастей ветроколеса, но корпуса генераторов размещены внутри коробоподобных элементов;

для уменьшения веса генераторов они снабжены мультипликаторами, которые соединены с дополнительными ветроколесами;

для уменьшения или полного исключения действия гироскопических моментов, которые действуют на роторы генераторов, генераторы соединены с дополнительными ветроколесами конической зубчатой передачей, при этом оси вращения валов генераторов размещены под углом от 0 до 30 градусов в любом направлении по отношению к линии, параллельной оси вращения ветроколеса; для уменьшения нагрузок на лопасти дополнительного ветроколеса или для размещения дополнительных ветроколес ближе к лопасти ветроколеса, при различных вариантах выполнения ветродвигателя, лопасти дополнительного ветроколеса размещены под углом от 80 до 100 градусов по отношению к оси его вращения; для размещения дополнительных ветроколес ближе к коробоподобным элементам в лопастях ветроколеса выполнены вырезы для размещения дополнительных ветроколес.

Далее для разъяснения конструкции заявляемого устройства представлено описание его работы и чертежи, где на фиг. 1 и фиг. 2 изображен общий вид ветродвигателя, а на других фигурах изображены различные варианты выполнения ветродвигателя в соответствии с данным изобретением. Заявляемое устройство содержит неподвижную опору 1 (фиг. 1, фиг. 2) и поворотную головку 2 с ветроколесом 3. На неподвижных частях 4 лопастей ветроколеса 3 закреплены коробоподобные элементы 5 (фиг. 2). На коробоподобных элементах 5 со стороны передних частей лопастей ветроколеса 3 закреплены генераторы 6 с дополнительными ветроколесами 7, а с другой стороны шарнирно закреплены концевые части 8 лопастей ветроколеса 3. Коробоподобные элементы 5 снабжены обтекателями 9, внутри которых находятся шарнирные узлы 10 (фиг. 3) концевых частей 8 лопастей ветроколеса. Шарнирные узлы 10 снабжены механизмами поворота 11 концевых частей 8. Внешняя поверхность обтекателей 9 является профилированной (сечение А, фиг. 4) и плавно соединена с поверхностью неподвижных частей 4 (сечение Б-Б, фиг. 5) и концевых частей 8 лопастей ветроколеса.

Под действием ветра (фиг. T) лопасти ветроколеса 3 двигаются по кругу вместе с дополнительными ветроколесами 7, которые вращаются, благодаря их движению относительно воздуха, и вращают валы генераторов 6. Выработанная генераторами 6 электрическая энергия передается по электрическим кабелям потребителям.

Благодаря тому, что скорость движения дополнительных ветроколес 7 значительно превышает скорость ветра, они вращаются во много раз быстрее ветроколеса 3. Это позволяет использовать быстроходные генераторы.

Размещение генератора на передней, по отношению к воздушному потоку, части лопастей ветроколеса обеспечивает наилучшие условия охлаждения генераторов воздушным потоком.

При изменениях скорости ветра механизмами поворота 11 (фиг. 3) поворачивают концевые части 8 лопастей ветроколеса, которые установлены на шарнирных узлах 10, и обеспечивают необходимую скорость вращения ветроколеса 3.

При изменениях направления ветра поворотная головка 2 (фиг. 1) ветродвигателя изменяет свое положение и все время направляет ветроколесо 3 навстречу ветра.

Для остановки ветродвигателя поворотные части 8 (фиг. 2) лопастей ветроколеса 3 поворачивают на 90 градусов по отношению к рабочему положению и тормозят ветроколесо 3. При необходимости снять генератор 6 для ремонта или замены не нужно снимать еще какие-то элементы лопасти ветроколеса (в отличие от прототипа, где нужно снимать все, кроме неподвижных частей 4 лопасти ветроколеса).

Во время следующего перемещения поворотных частей 8 лопастей в рабочее положение начинается вращение ветроколеса 3 и возобновляется подача электроэнергии потребителям.

Во время вращения ветроколеса 3 все силы, изгибающие моменты и вибрации, которые действуют на поворотные концевые части 8 (фиг. 3) лопастей ветроколеса, воспринимаются коробоподобными элементами 5, которые являются наиболее крепкими в направлении действия наибольших из указанных изгибающих моментов и сил. Таким образом, действие любых внешних сил или моментов на корпуса генераторов 6 исключено.

На фиг. 6 изображен вариант выполнения ветродвигателя, в котором в середине коробоподобных элементов 5 размещены механизмы поворота 11 концевых частей лопастей, механизмы 12 аварийного перемещения концевых частей лопастей во флюгерное положение, устройства аварийного токообеспечения 13, кабельные сети 14, элементы крепления 15 неподвижных частей лопастей 4, генераторов 6, шарнирных узлов 10 и концевых частей лопастей 8, а также другие устройства, например механизмы поворота 26 лопастей дополнительного ветроколеса 7 (в варианте, когда лопасти дополнительного ветроколеса 7 установлены на шарнирных узлах 28), которые соединены валами 27 с лопастями дополнительного ветроколеса 7. При этом в обтекателях 9 коробоподобных элементов и в коробоподобных элементах 5 выполнены отверстия, которые закрыты герметичными крышками 19, 20. Отверстия предназначены для прохода технического персонала внутрь коробоподобных элементов 5. Это позволяет проводить техническое обслуживание лопастей ветроколеса при любой погоде и обеспечивает удобный доступ ко всем указанным элементам лопастей. Вдобавок, внутри коробоподобных элементов 5 обеспечиваются благоприятные условия для надежной работы элементов лопасти.

На фиг. 7, фиг. 8 изображены варианты выполнения ветродвигателя, в котором генераторы 6 снабжены мультипликаторами 21. Наличие мультипликаторов 21 позволяет выполнить генераторы 6 более быстроходными. Размещение мультипликатора 21 внутри генераторов 6 (фиг. 8) позволяет расположить дополнительные ветроколеса 7 ближе к лопастям ветроколеса 3 (по сравнению с вариантом по фиг. 7).

На фиг. 9, фиг. 10, фиг. 11, фиг. 12, фиг. 13 изображен вариант выполнения ветродвигателя, в котором генераторы 6 закреплены на коробоподобных элементах 5 на передней по отношению к воздушному потоку части лопастей ветроколеса, но при этом корпуса генераторов 6 размещены внутри коробоподобных элементов 5.

В варианте ветродвигателя на фиг. 9, фиг. 10 для отвода тепла от генераторов 6 коробоподобные элементы 5 снабжены цилиндрическими оболочками 22, которые частично охлаждаются воздушным потоком и частично отдают тепло боковым стенкам коробоподобных элементов 5, которые также охлаждаются воздушным потоком, при этом расстояние между внешней поверхностью корпусов генераторов 6 и внутренней поверхностью цилиндрических оболочек 22, для обеспечения интенсивной передачи тепла от корпусов генераторов 6 к цилиндрическим оболочкам 22, минимальное. Для лучшего охлаждения на стенках коробоподобного элемента 5 расположены ребра 23. Для исключения изгибающих моментов от действия элементов крепления 15 неподвижных частей 4 лопастей в коробоподобных элементах 5 выполнены вырезы 24, в которых элементы 15 крепления размещены напротив его боковых стенок.

В вариантах ветродвигателя на фиг. 11, фиг. 13 изображены варианты исполнения ветродвигателя, подобные вариантам согласно фиг. 9, фиг. 10, однако в коробоподобных элементах 5 выполнены отверстия 25 для охлаждения корпуса генератора 6 потоком ветра, поэтому они выполнены без цилиндрических оболочек, при этом в варианте на фиг. 13 генераторы 6 снабжены мультипликаторами 21. Для обеспечения наилучшего размещения лопастей дополнительного ветроколеса 7, на фиг. 11 они наклонены навстречу потоку ветра, а на фиг. 13 - в сторону лопасти ветроколеса, при этом в варианте по фиг. 13 на лопастях дополнительного ветроколеса 7 центробежные силы противодействуют аэродинамическим силам и уменьшают изгибающие моменты, которые действуют на лопасти дополнительного ветроколеса 7. Из конструктивных соображений указанные варианты исполнения ветродвигателя имеют преимущества при угле отклонения лопастей дополнительного ветроколеса по отношению к его оси вращения в пределах от 80 до 100 градусов.

На фиг. 12 изображен вид Г по фиг. 11, на котором изображен вариант выполнения ветродвигателя с использованием клиньев 26, 27 для натяжения элементов 15 крепления (в данном варианте болтов) неподвижных частей 4 лопастей к коробоподобному элементу 5. Для удобного доступа к элементам перемещения клиньев (в данном варианте к болтам 28), элементы 28 размещены на внешней поверхности коробоподобного элемента 5 и соединены через отверстия 29 с клиньями 26. В данном варианте натяжение элементов 15 крепления производится путем вращения болтов 28 и соответствующего перемещения клиньев 26, при этом клинья 27 перемещаются вдоль осей элементов 28 и увеличивают их силу натяжения.

На фиг. 14 изображен вариант выполнения ветродвигателя, в котором генераторы 6 размещены перед лопастями ветроколеса, а дополнительные ветроколеса 7 - за ними. При этом дополнительные ветроколеса 7 закреплены на мультипликаторах 21 и соединены с генераторами 6 валами 30.

На фиг. 15, фиг. 16, фиг. 17 изображен вариант выполнения ветродвигателя, в котором генераторы 6 закреплены на коробоподобном элементе таким образом, что оси вращения валов T (фиг. 15) генераторов 6 размещены параллельно оси вращения С ветроколеса 3. Это исключает наличие гироскопического момента, который есть во всех аналогах и прототипе и действует на валы и другие элементы генераторов, которые закреплены на их валах. Указанное размещение генератора достигается при использовании конической зубчатой передачи 31 (фиг. 17). Существенное значение имеет то, что во всех вариантах выполнения ветродвигателя с конической зубчатой передачей 31 ветроколесо 3 (фиг. 15) размещено ближе к опоре 1 (расстояние H меньше в сравнении с прототипом и аналогами), что существенно уменьшает нагрузку на поворотную головку 2 и опору 1. Вдобавок, генератор 6, который размещен поперек ветрового потока, хорошо охлаждается.

На фиг. 18, фиг. 19, фиг. 20 изображены разные варианты размещения генераторов 6 и дополнительных ветроколес 7 по отношению к оси вращения ветроколеса 3, при этом для использования более быстроходных генераторов используется мультипликатор 21. На фиг. 20 дополнительное ветроколесо размещено таким образом, что плоскость вращения K-K его лопастей совпадает с осью вращения M ветроколеса 3. Из конструктивных соображений указанные варианты исполнения ветродвигателя имеют преимущества при размещении осей вращения валов генераторов под углом от 0 до 30 градусов в любом направлении по отношению к линии E-E (фиг. 18), которая параллельна оси вращения С (фиг. 15) ветроколеса 3.

На фиг. 21 изображен вариант выполнения ветродвигателя, в котором на поворотных концевых 8 и неподвижных 4 частях лопастей ветроколеса выполнены вырезы 32 для размещения дополнительных ветроколес 7, при этом в местах вырезов лопасти ветроколеса 3 имеют соответственно профилированную внешнюю поверхность. Вырезы 32 позволяют разместить дополнительные ветроколеса 7 поблизости от коробо подобным элементам 5.

На фиг. 21, фиг. 22, фиг. 23, фиг. 24 изображен вариант выполнения ветродвигателя, в котором поворотные концы 8 и неподвижные части 4 лопастей имеют лонжероны 33, 34 из композиционного материала. При этом стенки лонжеронов удерживаются болтами 37. Для увеличения сил трения болты 37 сгибают металлические стенки 36, которые зажимают между собой стенки лонжеронов. И вдобавок, стенки лонжеронов и металлические стенки 36 соединено между собой клеем. Металлические элементы 35 (фиг. 24) соединены с другими металлическими элементами болтами 15.

Таким образом заявляемое устройство имеет существенные преимущества перед прототипом и другими известными устройствами аналогичного назначения.

Все указанное способствует его применению в энергетической промышленности.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Ветродвигатель, содержащий неподвижную опору, поворотную головку и ветроколесо с генераторами и дополнительными ветроколесами, при этом ось вращения ветроколеса размещена горизонтально, лопасти ветроколеса имеют поворотные концевые части, а дополнительные ветроколеса соединены с генераторами, отличающийся тем, что лопасти ветроколеса снабжены коробоподобными элементами, закрепленными на концах их неподвижных частей, генераторы и поворотные концевые части лопастей ветроколеса закреплены на коробоподобных элементах, при этом генераторы размещены на передней по отношению к воздушному потока части лопастей ветроколеса.

2. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что механизмы поворота концевых частей лопастей, элементы крепления неподвижных частей лопастей ветроколеса, генераторов и механизмов поворота концевых частей лопастей ветроколеса к коробоподобным элементам размещены внутри коробоподобных элементов.

3. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что корпуса генераторов размещены внутри коробоподобных элементов.

4. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что генераторы оснащены мультипликаторами, которые соединены с дополнительными ветроколесами.

5. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что генераторы соединены с дополнительными ветроколесами конической зубчатой передачей, при этом оси вращения валов генераторов размещены под углом от 0 до 30 градусов в любом направлении по отношению к линии, параллельной оси вращения ветроколеса.

6. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что лопасти дополнительного ветроколеса размещены под углом от 80 до 100 градусов по отношению к оси его вращения.

7. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что на лопастях ветроколеса выполнены вырезы для размещения дополнительных ветроколес.