початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2131995

Вітроелектростанція

Ім'я винахідника: Увакін В.Ф .; Увакін А.В.
Ім'я патентовласника: Увакін Валентин Федорович
Адреса для листування: 413800, Балаково Саратовської обл., Вул.Чапаєва, 157а, кв.21, Увакін Валентину Федоровичу
Дата початку дії патенту: 1994.12.06

Винахід відноситься до галузі енергетики, зокрема до вітряних електростанцій, в яких використовується енергія вітру. Для досягнення технічного результату, що полягає у спрощенні конструкції, зменшення маси, збільшенні ресурсу і розширенні діапазону робочих швидкостей вітру, направляючий апарат виконаний у вигляді тонкостінних ребер жорсткості, закріплених на внутрішній поверхні конфузора на ділянці його довжини від входу в конфузор до турбіни, закручених по гвинтовий лінії в напрямку обертання турбіни, на кінцях яких в зазорі між горловиною конфузора і циліндричним корпусом генератора консольно закріплені пружні пластини з певним кутом закручування на кінцях пластин.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до галузі енергетики, зокрема до вітряних електростанцій, в яких використовується енергія вітру.

Відомі вітроелектричні установки, що містять ветроколесо з лопатями і електричний генератор, з'єднані між собою і встановлені на поворотній голівці на вершині опори з можливістю обертання навколо вертикальної осі, нижній кінець якої еакреплен на фундаменті, пристрій регулювання кроку лопатей вітроколеса, які виконані поворотними, пристрій орієнтації осі вітроколеса за напрямком вітру, пристрій блокування вітроколеса при швидкостях вітру, що перевищують допустиму величину (див. Автономна вітроенергетична установка У6-4М. Журнал ІР, N 6, 1994, с. 22).

Недоліками відомих вітроенергетичних установок є низька ефективність перетворення кінетичної енергії вітрового потоку в механічну енергію обертового руху вітроколеса, обумовлена ​​напрямом потоку вітру по нормалі до вітроколеса і малої ефективної площею при малому числі лопатей вітроколеса, сильна залежність потужності установки від швидкості вітру (близька до квадратичної).

Відомі й вітродвигуни, що містять конфузор, встановлений на вершині вертикальної поворотної опори, розміщений в конфузорі вал із закріпленим на ньому в зоні горловини турбіною, і регулює швидкість турбіни направляючий апарат, виконаний у вигляді радіально-поворотних лопатей, встановлених перед турбіною (див. Патент РФ N 18091581, М.кл. F 03 D 1/04).

Недоліками таких вітродвигунів є складність конструкції трансмісії з вала до споживачів механічної енергії і дистанційного керування поворотом в радіальному напрямку лопатей направляючого апарату, малий діапазон робочих швидкостей вітру, при яких забезпечується стабілізація частоти обертання валу (див. Вітроенергетика / Под ред. Д. де Рензо. - М.: Атоменергоіздат, 1982, с. 143), велика маса конфузора, обумовлена ​​необхідністю вибору великої товщини конфузора, які забезпечують необхідну жорсткість міцність конфузора.

Метою винаходу є спрощення конструкції, зменшення маси, збільшення ресурсу, розширення діапазону робочих швидкостей вітру.

Для досягнення цієї мети в відомої вітроелектростанції, що містить конфузор, встановлений на вершині вертикальної поворотної опори, закріплений в зоні горловини конфузора електричний генератор з турбіною на його осі, направляючий апарат, встановлений перед турбіною, направляючий апарат виконаний у вигляді тонкостінних ребер жорсткості, закріплених на внутрішній поверхні конфузора на ділянці його довжини від входу в конфузор до турбіни, закручених по гвинтовий лінії в напрямку обертання турбіни, на кінцях яких в зазорі між горловиною конфузора і циліндричним корпусом генератора консольно закріплені пружні пластини з кутом закручування на кінцях пластин, що перевищує на 10-15 ^o кут закручування ребер жорсткості, лопаті турбіни виконані з пружного стрічкового матеріалу у вигляді увігнутих з боку повітряного потоку і гофрованих в напрямку потоку пластин, закріплених консольно з боку виходу повітряного потоку на порожніх аеродинамічного профілю стійках на ступиці турбіни, конфузор на поворотній опорі встановлений шарнірно з горизонтальною віссю обертання, перпендикулярній осі конфузора, і з'єднаний з боку входу повітряного потоку пружиною розтягування з поворотною опорою, на зовнішній поверхні конфузора по конічної гвинтової спіралі з напрямком закручування, протилежним напрямку обертання турбіни, закріплене тонкостінне ребро жорсткості, конфузор на поворотній опорі встановлений в місці , відповідному перетину осі поворотної опори з центром тяжкості оболонки конфузора, кут конусності конфузора обраний рівним 60-80 ^o, кут закручування ребер жорсткості на внутрішній поверхні конфузора обраний рівним 30-40 ^o, кут установки кінцевого перетину лопаті турбіни по відношенню до осі турбіни обраний рівним 85-100 ^o, крок конічної гвинтової спіралі зовнішнього ребра жорсткості на конфузорі обраний рівним 300-600 мм, висота зовнішніх і внутрішніх ребер жорсткості обрана зменшується в напрямку від входу конфузора в 3-5 разів, товщина ребер жорсткості обрано рівної товщині конфузора, висота гофр на лопатях турбіни обрана зростаючої в напрямку до стійок, електричний генератор виконаний безколекторним трифазним з магнітоелектромагнітним збудженням і з вбудованим безконтактним регулятором напруги.

Новизна і винахідницький рівень пропонованої вітроелектростанції визначаються наступним істотними відмінними ознаками: виконанням направляючого апарату у вигляді тонкостінних ребер жорсткості, закріплених на внутрішній поверхні конфузора на ділянці його довжини від входу до турбіни, закручених по гвинтовий лінії в напрямку обертання турбіни, на кінцях яких в зазорі між горловиною конфузора і циліндричним корпусом генератора консольно закріплені пружні пластини з кутом закручування на кінцях пластин, що перевищує на 10-15 ^o кут закручування ребер жорсткості, лопаті турбіни виконані з пружного стрічкового матеріалу у вигляді увігнутих з боку повітряного потоку і гафрірованних в напрямку потоку пластин, закріплених консольно з боку виходу повітряного потоку на порожніх аеродинамічного профілю стійках на ступиці турбіни, шарнірної установкою конфузора на поворотній опорі з горизонтальною віссю обертання, перпендикулярній осі конфузора, з верхньої маятникових, з'єднанням з боку входу повітряного потоку конфузора з поворотною опорою пружиною розтягування і освіти пружною хитається в площині повітряного потоку системи підвіски конфузора на поворотній опорі, закріпленням на зовнішній поверхні конфузора по конічної спіралі з напрямком закручування, протилежним напрямку обертання турбіни тонкостенного ребра жорсткості, установкою конфузора на поворотній опорі в місці, відповідному точці перетину осі поворотної опори з центром тяжкості оболонки конфузора , що дозволяє спростити конструкцію підвищити вітроелектростанції за рахунок виключення радіально-поворотних лопатей направляючого апарату, зменшити масу конфузора за рахунок зменшення товщини обребрена конфузора, збільшити ефективність регулювання потужності турбіни при зростанні швидкості вітру за рахунок пружних деформацій вигину пластин на кінцях внутрішніх ребер жорсткості на 10 12 ^o, пружних вигинистих деформацій лопатей турбіни на 10-15 ^o і нахилу конфузора у вертикальній площині на 60-70 ^o, що зменшує миделевого перетин вхідного отвору конфузора і збільшує втрати в конфузорі, наблизити залежність потужності вітроелектростанції від швидкості вітру до лінійної, зменшити вплив швидкості вітру на частоту напруги з вихідних обмоток генератора, розширити в 2-3 рази діапазон робочих швидкостей вітру, виключити можливість руйнування вітроелектростанції при ураганному вітрі за рахунок того, що конфузор в цьому випадку під впливом тиску вітру лягає на упор, забезпечити автоматичну орієнтацію конфузора у напрямку вітру за рахунок флюгерне ​​моменту, створюваного тиском вітру на бічну поверхню конфузора щодо осі поворотної опори.

Новизна і винахідницький рівень пропонованої вітроелектростанції визначаються і наступними відмітними ознаками: вибором кута конусності конфузора, рівним 60-80 ^o, і кута закручування ребер жорсткості на внутрішній поверхні конфузора, рівним 30-40 ^o, що відповідає малим втрат на концентрацію і закручування повітряного потоку в конфузорі / см. А. Д. Альштуль, П.Г.Кісілев. Гідравліка та аеродинаміка М .: Стройиздат, 1975, с. 210 /, в 3-5 разів більшому коефіцієнту перетворення кінетичної енергії повітряного потоку обертального руху турбіни в порівнянні з турбіною, в якій повітряний потік не закручений / см. Вітроенергетика. / Под ред. Д.де Рензо. - М .: Вища школа, 1982, с.150 /, вибором кута установки кінцевого перетину лопаті турбіни по відношенню до осі турбіни, рівним 85-100 ^o, що відповідає максимальному значенню коефіцієнта перетворення кінетичної енергії закрученого повітряного потоку в механічну енергію обертового руху турбіни, вибором кроку конічної гвинтової спіралі для зовнішнього ребра жорсткості на конфузорі, рівним 300-600 мм в залежності від діаметру конфузора і його товщини, що задовольняє умові міцності оребренной тонкостінної оболонки конфузора при максимальній швидкості вітру 54 м / с, вибором висоти зовнішніх і внутрішніх ребер жорсткості зменшується в напрямку до турбіни в 3-5 разів що обумовлено збільшенням локальної жорсткості на вигин оболонки конфузора в напрямку до горловини конфузора, вибором товщини ребер жорсткості, що дорівнює товщині оболонки, що підвищує технологічність і надійність звареної конструкції обребрена конфузора, вибором висоти гофр на лопатях турбіни зростаючої в напрямку до стійок лопатей, що дозволяє зменшити максимальні згинальні напруги при великих / до 10-15 ^o / кутових деформаціях лопатей турбіни, відповідних великих швидкостей вітру.

Новизна і винахідницький рівень пропонованої вітроелектростанції визначається і виконанням електричного генератора безколекторним трифазним з комбінованим магнітоелектромагнітним збудженням і вбудованим безконтактним регулятором напруги, що підвищує ресурс, надійність і автономність роботи вітроелектростанції.

На фіг.1 зображена конструкція вітроелектростанції, загальний вигляд в розрізі; на фіг.2 - вид знизу на пружну підвіску конфузора, розріз А-А; на Фіг.3 - вид на конфузор по стрілці Б; на фіг.4 - розріз В-В конфузора в місці консольного закріплення пружних пластин на кінцях внутрішніх ребер жорсткості; на фіг. 5 - вид на порожнини турбіни і кінці ребер жорсткості з пружними пластинами по стрілці C / оболонка конфузора умовно не відображено /.

Вітроелектростанція містить тонкостінний конфузор 1 із закріпленим в зоні його горловини електричним генератором 2 з турбіною 3 на його осі, закріплений шарнірно з верхньої маятниковий на верхньому підставі 4 вертикальної опори 6, нижній кінець якої закріплений на фундаменті 7. На внутрішній поверхні конфузора 1 з кутом конусності 60-80 ^o на ділянці його довжини від входу в конфузор до турбіни 3 закріплені по периметру, наприклад, контактним зварюванням тонкостінні ребра жорсткості 8 і укорочені 9, розміщені по гвинтовій лінії в напрямку обертання турбіни з кутом закручування 30-40 ^o, на кінцях ребер жорсткості 8 в зазорі між горловиною конфузора 1 і циліндричним корпусом електричного генератора 2 консольно закріплені пружні пластини 10 з кутом закручування на кінцях пластин, на 10-15 ^o перевищує кут закручування ребер жорсткості 8 і 9, висота ребер жорсткості 8 і 9 обрана зменшується в 3 -5 раз в напрямку від входу до виходу конфузора. Конфузор 1 з ребрами жорсткості 9 і 8 з пружними пластинами 10 на кінцях є концентратор повітряного потоку, закрученого в напрямку обертання турбіни 3, кут падіння якого на площину турбіни 3 буде залежати від швидкості вітру. Укорочені ребра жорсткості 9, зменшуючи крок між ребрами конфузора 1, дозволяють зменшити висоту ребер жорсткості 8 і 9 на вході конфузора 1, необхідну для ефективного закручування повітряного потоку в конфузорі 1.

Турбіна 3 встановлена ​​в конфузорі 1 на порожніх аеродинамічного профілю стійках 11, орієнтованих в конфузорі 1 у напрямку повітряного потоку, лопаті 12 турбіни 3 виконані з пружного стрічкового матеріалу з високою межею пружності у вигляді увігнутих з боку повітряного потоку і гофрованих в напрямку потоку пластин, закріплених консольно з боку виходу повітряного потоку на порожніх аеродинамічного профілю стійках 13 на ступиці 14 турбіни 3, висота гофр 15 на лопатях 12 обрана зростаючої в напрямку до стійок 13, кут установки кінцевого перетину лопаті 12 по відношенню до осі турбіни обраний рівним 85-100 ^o.

На зовнішній поверхні конфузора 1 по конічної гвинтової спіралі з кроком 300-600 мм і напрямком закручування, протилежним напрямку обертання турбіни 3, закріплене тонкостінне ребро жорсткості 16, висота якого обрано зменшується в 3-5 разів в напрямку від входу до виходу конфузора 1, причому товщина внутрішніх ребер жорсткості 8 і 9 та зовнішнього 16 дорівнює товщині конфузора 1. З збільшенням вхідного діаметра конфузора 1 товщина оболонки конфузора 1 і ребер жорсткості 8, 9 і 16, а й крок гвинтової спіралі ребра жорсткості 16 збільшуються.

Підвіска конфузора 1 на вертикальній поворотній опорі 5 з можливістю обертання навколо горизонтальної осі, перпендикулярній осі конфузора, виконана у вигляді рами 17 з тонкостінного профілю, наприклад, куточка, з'єднаної з ребром жорсткості 16, встановленої на верхньому підставі 4 вертикальної поворотної опори 5 на осях 18 , причому з боку входу повітряного потоку конфузор 1 і верхнє підставу 4, на якому закріплений кронштейн 19, з'єднані між собою циліндричної гвинтовою пружиною розтягування 20, врівноважує перекидаючий момент від дії маси електричного генератора 2 з турбіною 3 і аеродинамічний момент від дії повітряного потоку на конфузор 1, який є функцією швидкості вітру.

Вертикальна поворотна опора 5 і вертикальна опора 6 виконані з труб, між якими встановлені підшипники 21 і 22. На рамі 17 встановлений упор 23, що обмежує перекидання конфузора 1 при великих швидкостях вітру кутом в 65-70 ^o. На виході конфузора 1 може бути встановлений дифузор, а вхідний отвір конфузора 1 може бути закрито огороджувальної сіткою, що перешкоджає попаданню сторонніх предметів на горловину конфузора 1 і в турбіну 3 (на кресленнях не показані).

Електричний генератор 2 виконаний в циліндричному корпусі з обтічником трифазним безколекторним з магнітоелектромагнітним збудженням з обмоткою збудження на статорі і постійними магнітами на роторі і з вбудованим регулятором напруги (безконтактним). З'єднувальні дроти можуть бути виведені через порожнисту стійку 11, порожнисту вертикальну поворотну опору 5 і через отвір в нижній частині вертикальної опори 6 (на кресленнях не показані).

При відношенні діаметрів вхідного і вихідного отворів конфузора 8-10 і щодо діаметрів вихідного отвору конфузора і маточини турбіни 1,4-1,6 коефіцієнт посилення конфузора по швидкості повітряного потоку складе 5,0-5,5 при коефіцієнті корисної дії конфузора з напрямних апаратом 85-90%.

Конфузор вітроелектростанцій великої потужності з метою спрощення транспортування можуть виконуватися у вигляді окремих оребрених секторів з відбортовкою, а збірка конфузора і вітроелектростанції може проводитися на місці установки.

Конфузор доцільно виготовляти з листа з алюмінієвого сплаву типу АМг5 товщиною 0,5-2,0 мм, а пружні пластини 10 і лопаті 12 зі стійками 13 - зі стрічки зі сталі типу 18 ХНАГС товщиною 0,1-0,25 мм з межею плинності _т = 1450 МПа ..

При номінальній частоті обертання трифазного генератора змінного струму n = 1000 об / хв число пар полюсів обертового магнітного поля машини, відповідне частоті напруги мережі F = 50 Гц, має дорівнювати 3. Установка редуктора між турбіною 3 і електричним генератором 2 з передавальним відношенням i = 3-4 дозволить зменшити число пар полюсів до 1 і істотно знизити масу і габарити бесколлекторного генератора змінного струму, проте надійність роботи вітроелектростанції при цьому зменшується.

Вітроелектростанція працює наступним чином

Під дією тиску вітру бічну поверхню конфузора 1, що створює флюгерний момент навколо вертикальної осі поворотної опори 5, конфузор 1 разом з маятникової підвіскою і опорою 5 автоматично встановлюється в положення, при якому вхідний отвір конфузора 1 направлено назустріч повітряному потоку.

Повітряний потік, проходячи конфузор 1 з напрямних апаратом у вигляді закручених ребер 8 і 9, концентрується і закручується і проходить через турбіну 3, створюючи крутний момент, який приводить в обертання ротор електричного генератора 2. При цьому в вихідних обмотках генератора 2 знаходиться ЕРС, що діє значення яких не залежить від частоти обертання ротора генератора 2, які і створюють струм в навантаженні.

При малих швидкостях вітру тиск вітру на конфузор і аеродинамічний момент щодо осі 18 підвісу конфузора 1 малі, пружина 20 врівноважує цей момент при малому куті повороту конфузора 1 в напрямку дії повітряного потоку, вхідний отвір конфузора 1 практично залишається вертикальним, забезпечуючи максимальний захоплення повітряного потоку конфузорів 1. При цьому изгибная деформація пружних пластин 10, закріплених на кінцях ребер жорсткості 8 і пружних лопатей 12 турбіни 3 мінімальні, тангенціальна складова швидкості повітряного потоку перед турбіною 3, коефіцієнт перетворення кінетичної енергії повітряного потоку турбіною 3 і коефіцієнт корисної дії вітроелектростанції максимальні, а частота обертання ротора генератора 2 при заданій величині споживаної електричної потужності буде меншою за номінальну.

При середніх швидкостях вітру тиск вітру на конфузор 1 і аеродинамічний момент щодо осі 18 підвісу конфузора зростають, зростає і кут повороту конфузора 1 в напрямку дії повітряного потоку, ефективна площа захоплення конфузорів 1 повітряного потоку незначно зменшується, швидкість повітряного потоку _V T на виході конфузора 1 і тиск на пружні пластини 10 на кінцях ребер жорсткості 8 і на пружні лопаті 12 турбіни 3 зростають, зростає і изгибная деформація пластин 10 і лопатей 12, що призводить до зменшення коефіцієнта перетворення кінетичної енергії повітряного потоку турбіною 3, частота обертання ротора генератора 2 при цьому зростає, збільшується і електрична потужність, що віддається генератором споживачам при меншій коефіцієнті корисної дії вітроелектростанції.

При великих швидкостях вітру тиск вітру на конфузор 1 і аеродинамічний момент щодо осі 18 підвісу конфузора максимальні, максимальний і кут повороту конфузора 1 в напрямку дії повітряного потоку, ефективна площа захоплення конфузорів 1 повітряного потоку зменшується в 1,5-2,0 рази, швидкість повітряного потоку _V T на виході конфузора 1, тиск на пружні пластини 10 на кінцях ребер жорсткості 8 і на пружні лопаті 12 турбіни 3 і изгибная деформація пластини 10 і лопатей 12 наближаються до максимальних значень, що призводить до зменшення коефіцієнта перетворення кінетичної енергії повітряного потоку турбіною 3 в 2-3 рази, зменшення коефіцієнта корисної дії вітроелектростанції в 3-4 рази при більшому значенні електричної потужності, що віддається генератором 2 споживачеві, збільшення частоти обертання ротора генератора 2 і частоти змінної напруги.

При дуже великих швидкостях вітру 30-54 м / с конфузор 1 під дією аеродинамічного моменту повертається навколо осей 18 підвісу на максимальний кут, упор 23 на рамі підвісу 17 впирається в вертикальну опору 6. При цьому вітроелектростанція виробляє енергію при малій ефективної площі захоплення повітряного потоку конфузорів 1 і великі втрати кінетичної енергії в самому конфузорі, малому коефіцієнті перетворення кінетичної енергії повітряного потоку турбіною 3. При зменшенні швидкості вітру конфузор 1 автоматично встановлюється під дією моменту пружини 20 в положення, відповідне новому значенню швидкості вітру.

Пропонована конструкція вітроелектростанції забезпечує автономність її роботи, не вимагає обслуговуючого персоналу, спрощує профілактичні роботи, які проводяться в перекинутому положенні конфузора 1, дозволяє наблизити залежність вихідної потужності вітроелектростанції від швидкості вітру до лінійної (замість кубічної при відсутності механізмів регулювання потужності).

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Ветроелектростанция, що містить конфузор, встановлений на вершині вертикальної поворотної опори, закріплений в зоні горловини конфузора електричний генератор з турбіною на його осі, направляючий апарат, встановлений перед турбіною, яка відрізняється тим, що направляючий апарат виконаний у вигляді тонкостінних ребер жорсткості, закріплених на внутрішній поверхні конфузора на ділянці його довжини від входу в конфузор до турбіни, закручених по гвинтовий лінії в напрямку обертання турбіни, на кінцях яких в зазорі між горловиною конфузора і циліндричним корпусом генератора консольно закріплені пружні пластини з кутом закручування на кінцях пластин, що перевищує на 10 - 15 ^o кут закручування ребер жорсткості, лопаті турбіни виконані з пружного стрічкового матеріалу у вигляді увігнутих з боку повітряного потоку і гофрованих в напрямку потоку пластин, закріплених консольно з боку виходу повітряного потоку на порожніх аеродинамічного профілю стійках на ступиці турбіни, конфузор на поворотній опорі встановлений шарнірно з горизонтальною віссю обертання, перпендикулярній осі конфузора, і з'єднаний з боку входу повітряного потоку пружиною розтягування з поворотною опорою, на зовнішній поверхні конфузора по конічної гвинтової спіралі з напрямком закручування, протилежним напрямку обертання турбіни, закріплене тонкостінне ребро жорсткості, конфузор на поворотній опорі встановлений в місці , відповідному перетину осі поворотної опори з центром тяжкості оболонки конфузора.

2. Ветроелектростанция по п. 1, яка відрізняється тим, що кут конусності конфузора обраний рівним 60 - 80 ^o, кут закручування ребер жорсткості на внутрішній поверхні конфузора обраний рівним 30 - 40 ^o, кут установки кінцевого перетину лопаті турбіни по відношенню до осі турбіни обраний рівним 85 - 100 ^o, крок конічної гвинтової спіралі зовнішнього ребра жорсткості на конфузорі обраний рівним 300 - 600 мм, висота зовнішніх і внутрішніх ребер жорсткості обрана зменшується в напрямку від входу до виходу конфузора в 3 - 5 разів, товщина ребер жорсткості обрано рівної товщині конфузора, висота гофр на лопатях турбіни обрана зростаючої в напрямку до стійок.

3. Ветроелектростанция по п.1, що відрізняється тим, що електричний генератор виконаний безколекторним трифазним з магнітоелектромагнітним збудженням і з вбудованим безконтактним регулятором напруги.

Версія для друку
Дата публікації 11.01.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів