RU2777427C2

RU2777427C2 - Мультироторный ветродвигатель

Info

Publication number: RU2777427C2
Application number: RU2020127114A
Authority: RU
Inventors: Юлий Борисович Соколовский; Илья Андреевич Иванов; Владимир Михайлович Роткин
Original assignee: Юлий Борисович Соколовский; Илья Андреевич Иванов; Владимир Михайлович Роткин
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2022-08-03

Abstract

Изобретение относится к возобновляемой энергетике. Мультироторный ветродвигатель содержит горизонтальный вал, конусный направитель воздушного потока и ступицы разного уровня, на которых равномерно размещены лопасти, лопасти первого уровня – на ступице первого уровня, часть лопастей второго уровня – на ступице второго уровня. Горизонтальный вал неподвижен и через муфты связан с валами обращенных генераторов. Ступицы первого и второго уровней закреплены на корпусах обращенных генераторов, причем аэродинамические лопасти ветроротора с наладочными винтами первого уровня крепятся к ступицам первого уровня с помощью радиальных стержней первого уровня. Часть аэродинамических лопастей второго ветроротора с наладочными винтами второго уровня крепится к ступице второго уровня с помощью радиальных стержней второго уровня, часть – на соединительных стержнях второго уровня тоже с наладочными винтами. Между ветророторами расположена поворотная головка и механизм ориентации, через которую проходят и жестко подсоединяются неподвижные валы обращенных генераторов первого и второго уровней с соединительными муфтами. Выходные напряжения генераторов через электронные редукторы подключены к соответствующим регуляторам зарядного нагрузочного тока для блока аккумуляторов. Уровень зарядного нагрузочного тока для каждого из ветророторов и постоянство заданного коэффициента скорости кромок их лопастей λ₁, λ₂ обеспечивает подстанция управления, а к блоку аккумуляторов подключен сетевой инвертор. Техническим результатом является повышение эффективности и надежности. 3 ил.

Description

В мировом эксплуатируемом парке ветровые энергетические установки (ВЭУ) с горизонтальной осью (ВЭУГО) составляет более 90%, их серийным выпуском занимаются тысячи предприятий. Эффективность ВЭУГО достижима только при условии обеспечения постоянной коллинеарности оси ветроротора и направления воздушного потока (ВП). Недостатком традиционной конструкции ВЭУГО является малая поверхность лопасти, а как следствие этого -начальный крутящий момент близок к нулю, и поэтому запуск таких ветродвигателей затруднен. Крупные установки вообще приходится раскручивать от постороннего источника. Скорость концов лопастей при сильном ветре может приближаться к скорости звука, создавая шум как у винтомоторного самолета и помехи для электронных устройств, а также лопасти бьют птицу и другую летающую живность. При повороте ветродвигателя с изменением направления ВП на лопасти действует гироскопический момент, стремящийся дважды на каждом обороте изогнуть лопасть (вперед и назад), а это может вызывать большие напряжения, приводящие иной раз и к отрыву лопастей. Чтобы избежать этого, лопасти максимально облегчают и применяют специальные устройства - виндрозы, осуществляющие очень медленный поворот ветродвигателя. Система виндроз и другие дополнительные устройства значительно усложняют и повышают стоимость ВЭУГО. Важным показателем работы ВЭУГО является коэффициент скорости кромки ее лопастей

Ветророторы, у которых коэффициент скорости кромки λ≤3 считают тихоходными. При λ>3 они описываются как быстроходные. Различия между двумя этими формами вызваны поведением при запуске и в процессе работы. Ветророторы могут быть выполнены с различным количеством лопастей; от однолопастных- с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). В ВЭУГО значительной мощности окружная скорость на длине лопасти возрастает по мере удаления ее элементов от оси вращения, относительная скорость W набегания ВП на лопасть также возрастает. Вместе с этим убывает угол атаки α, и при некоторой окружной скорости ωR, где ω - угловая скорость, этот угол станет отрицательным. При отсутствии контроля за линейной скоростью концов лопастей не все элементы крыла будут иметь максимальную подъемную силу.

При разработке конструкции нового Мультироторного_ветродвигателя решалась задача по минимизации ряда недостатков ВЭУГО.

Известен энергопреобразователь, содержащий ветротурбину, выполненную в виде лопастей, установленных на горизонтальном рабочем валу, приводной вал, кинематически связанный с рабочим валом генератора, и направляющий хвостовик (см. патент RU №2253747, кл. F03D 3/00 от 10.06.2005 г.). Рассмотрим его конструкцию в качестве аналога. Рабочий вал и приводной вал установлены с возможностью вращения на одном кронштейне и связаны друг с другом через коническую передачу. В рассматриваемом аналоге применена лопастная ветротурбина, наиболее распространенная для современных ВЭУ. Однако она имеет ряд недостатков, ограничивающих область ее применения.

Ветродвигатель по патенту №2508468 (кл. F03D 1/06 от 28.12.2011 г, Бюлл. №19, 2013 г) принимаем в качестве прототипа к нашему Ветродвигателю. Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветродвигатель содержит горизонтальный вал с установленным на нем колесом с лопастями. Ветродвигатель дополнительно содержит закрепленный на обечайке ступицы колеса конусный направитель ВП и наружную обечайку. На наружной обечайке равномерно размещены лопасти второго уровня, при этом лопасти первого уровня крепятся к обечайке ступицы колеса и конусному направителю, а образующие лопастей первого и второго уровня выполнены криволинейными с возрастающим углом атаки ВП. Технической сущностью настоящего изобретения является значительное повышение суммарной площади лопастей с целью уменьшения диаметра ветроротора, увеличения крутящего момента на его валу и лучшего использования силы ВП центральной, средней и периферийной зонами ветроротора.

Основным недостатком прототипа является отсутствие узла управления задающего обороты ветродвигателя в зависимости от текущей скорости ВП. Неизвестно как подсоединен генератор к рабочему валу, непосредственно или через редуктор. Каков рабочий диапозон оборотов этого вала. Без функционирования этого узла только случайно при некоторой нагрузке и некоторой скорости ВП и оборотов горизонтального рабочего вала возможен эффективный режим работы Ветродвигателя-прототипа при таком количестве лопастей.

Задачей предполагаемого изобретения - Мультироторного ветродвигателя с несколькими ветророторами (BP) является создание его надежной и эффективной конструкции с повышенной мощностью на единицу "ометаемой" площади в широком диапазоне скоростей ВП. В связи с контролем и снижением линейной скорости концов аэродинамических лопастей BP Мультироторного ветродвигателя улучшаются его экологические характеристики.

Технический результат конструкции предлагаемого Мультироторного ветродвигателя достигается за счет поддержания заданного при наладке коэффициента скорости кромки аэродинамических лопастей λ по (1), например, в диапазоне 1,5-3 для каждого из нескольких BP, имеющего свои обращенные генераторы, датчики и общую подстанцию управления. Для примера рассмотрим Мультироторный ветродвигатель с двумя BP. Он содержит горизонтальный вал, конусный направитель воздушного потока и ступицы разного уровня, на которых равномерно размещены лопасти, опасти первого уровня -на ступице первого уровня, часть лопастей второго уровня- на ступице второго уровня. Его горизонтальный вал неподвижен и через муфты связан с валами обращенных генераторов, а ступицы первого и второго уровня закреплены на корпусах обращенных генераторов, причем аэродинамические лопасти ветроротора с наладочными винтами первого уровня крепятся к ступицам первого уровня с помощью радиальных стержней первого уровня, часть аэродинамических лопастей второго ветроротора с наладочными винтами второго уровня крепятся к ступице второго уровня с помощью радиальных стержней второго уровня, часть- на соединительных стержнях второго уровня тоже с наладочными винтами. Между ветророторами расположена поворотная головка и механизм ориентации, через которую проходят и жестко подсоединяются неподвижные валы обращенных генераторов первого и второго уровня с соединительными муфтами. Выходные напряжения этих генераторов через электронные редукторы подключены к соответствующим регуляторам зарядного нагрузочного тока для блока аккумуляторов, причем уровень зарядного нагрузочного тока для каждого из ветророторов и постоянство заданного коэффициента скорости кромок их лопастей λ₁, λ₂ обеспечивает подстанция управления, а к блоку аккумуляторов подключен сетевой инвертор. Поддержание постоянного значения коэффициента λ на каждом отдельном BP обеспечивает постоянное направление результирующего вектора ВП, действующего на его аэродинамические лопасти. Это дает возможность настройки их положения на определенный оптимальный угол атаки а с помощью наладочных винтов. При этом снижаются обороты генераторов и их выходное напряжение. Обычно проблему повышения напряжения генератора решают с помощью ускоряющих редукторов, что существенно усложняет, утяжеляет конструкцию Мультироторного_ветродвигателя. нашем случае применен электронный редуктор [Л1], автоматически повышающий напряжение с выхода генераторов до заданного постоянного напряжения аккумуляторов (U_Aкк+δ). выходу электронного редуктора через регулятор зарядного нагрузочного тока (РЗНТ), подключен аккумулятор и сетевой инвертор.

Подстанция управления обеспечивает задание такого нагрузочного зарядного тока РЗНТ на каждом BP, который поддерживает постоянное заданное значение коэффициента скорости кромки его аэродинамических лопастей λ (в его состав обычно входит ПИ- регулятор тока, датчик обратной связи по нагрузочному току, силовой блок). Чтобы вычислить коэффициент λ по (1) для РЗНТ каждого BP, надо в подстанции управления установить общий для Мультироторного ветродвигателя датчик скорости текущего ВП и индивидуальные датчики угловой скорости BP, а также делительные устройства, сумматоры и т.д.

На Фиг. 1 показан (вид сверху) вариант Мультироторного_ветродвигателя с двумя BP, причем детали первого ВР-первый уровень, детали второго ВР-второй уровень. В его состав входит: 1 - конусный направитель, 2 - аэродинамические лопасти первого уровня, 3 - радиальные стержни первого уровня, 4 - наладочные винты лопастей первого уровня, 5 - обращенные генераторы первого и второго уровня, 6 - валы обращенных генераторов, 7 - соединительные муфты неподвижных валов, 8 - неподвижный соединительный горизонтальный вал, 9 - ступица на корпусе обращенного генератора первого уровня, 10 - поворотная головка Мультироторного ветродвигателя, через который проходит и фиксируется соединительный горизонтальный вал 8, 11 - мачта Мультироторного ветродвигателя, 12 - наладочные винты лопастей второго уровня, 13 - радиальные стержни второго уровня, 14 - аэродинамические лопасти второго уровня, 15 - ступица на корпусе обращенного генератора второго уровня.

На Фиг. 2 показан (вид спереди, со стороны вектора ВП) вариант Мультироторного_ветродвигателя с двумя BP. В его состав входит: 1 - конусный направитель, 2 - аэродинамические лопасти первого уровня, 3 - радиальные стержни первого уровня, 4 - наладочные винты лопастей первого уровня, 14 - аэродинамические лопасти второго уровня, 13 - радиальные стержни второго уровня, 12 - наладочные винты аэродинамических лопастей второго уровня, 15 - дополнительные стержни второго уровня.

На Фиг. 3 дана блок-схема варианта подстанции управления, рассматриваемого Мультироторного ветродвигателя с двумя BP, обеспечивающая λ=constant. В ее состав входит: 16 - выходное напряжение обращенного генератора первого уровня 5(первой ВТ) - U_ВыхГ1, 17 - блок выпрямителей с LC-фильтром первого уровня, 18 - электронный редуктор постоянного напряжения первого уровня U_ЭР, 19 - РЗНТ первого уровня, 20 - сумматор первого уровня, 20-1 задание коэффициента скорости кромки лопастей 2 первого уровня - λ₁=constant, 20-2 - текущее значение коэффициента скорости кромки лопастей 2 первого уровня +λ(t), 20-3 сигнал задания нагрузочного зарядного тока +Δλ, для первого BP, 21-делительное устройство первого уровня, 22 - делимое-сигнал пропорциональный угловой скорости кромки лопастей 2 первого уровня R₁U_ωГ1 - расстояние от горизонтального вала до концов лопастей 2), 23 - делитель-сигнал с датчика скорости ВП-общий для обеих ВТ U_ВП, 24 - выходное напряжение обращенного генератора - 5 второго уровня (второй BP) - U_ВыхГ2, 25 - блок выпрямителей с LC-фильтром второго уровня, 26 - электронный редуктор второго уровня U_ЭР, 27-РЗНТ второго уровня, 28 - сумматор второго уровня, 28-1 задание коэффициента скорости кромки лопастей- 2 второго уровня - λ₂=const, 28-2 - текущее значение коэффициента скорости кромки лопастей 14 второго уровня +λ(t), 28-3 сигнал задания нагрузочного зарядного тока +Δλ, для второго BP, 29 - делительное устройство второго уровня, 30 - делимое-сигнал пропорциональный угловой скорости кромки лопастей 14 второго уровня R₂U_ωГ2 (R₂ - расстояние от горизонтального вала до концов лопастей-14), 31 - нагрузочный зарядный ток первого BP - I_НЗ1, 32 - нагрузочный зарядный ток второго ВР - I_НЗ2, 33 - общая шина зарядки аккумуляторов с рабочим напряжением (U_Aкк+δ), 34 - батарея аккумуляторов, 35 - сетевой инвертор. Работа Мультироторного ветродвигателя. Перед его пуском необходимо с помощью наладочных винтов настроить оптимальное положение углов атаки аэродинамических лопастей обоих BP с учетом принятых коэффициентов скорости кромок их лопастей. Постоянное напряжение с выходов выпрямителей 17, 25 рассматриваемых BP подается на электронные редукторы 18, 26 постоянного выходного напряжения U_ЭР=(U_Aкк+δ). Подстанция управления по Фиг. 3 обеспечивает вычисление текущего значения коэффициента скорости кромки лопастей +λ(t) для первого BP 20-23 и второго BP 23, 28-30. При включении Мультироторного ветродвигателя его BP начинают вращаться на холостом ходу пока угловая скорость по (1) и значение коэффициента скорости кромки лопастей +λ(t) не превысит заданное при наладке значение - λ₁=const, - λ₂=const на +Δλ, на выходе сумматоров 20,28 - РЗНТ BP не работают, пока на их входе сигнал минус -Δλ. Такой режим работы облегчает запуск BP, т.е до определенного уровня угловой скорости обращенных генераторов нагрузочный зарядный ток равен 0 и отсутствует их подтормаживание. В рассматриваемом варианте Мультироторного ветродвигателя из 2-х BP пусть R₂=2R₁, λ₁=λ₂, тогда при одинаковой линейной скорости кромок лопастей и удвоенного радиуса лопастей второго BP их может быть установлено в два раза больше. Так как результирующий вектор ВП, действующий на аэродинамические лопасти 2, 14 BP при постоянных значениях λ₁, λ₂ постоянен [Л2], то удобно с помощью наладочных винтов 4, 12 аэродинамических лопастей 2,14 -выставлять их на оптимальный угол атаки предварительно при наладке. Это существенно подымает эффективность отдельных BP и Мультироторного_ветродвигателя. Лопасти первого и второго BP будут работать примерно одинаково. После получения на выходах сумматоров +Δλ формируются зарядные токи 31- I_НЗ1 и 32- I_НЗ2, которые через - общую шину зарядки аккумуляторов с рабочим напряжением (U_Aкк+δ)-33 поступают на вход батареи аккумуляторов 34. батарее аккумуляторов 34 подключен сетевой инвертор 35. Предлагаемая конструкция Мультироторного ветродвигателя с несколькими BP и контролируемой линейной скоростью кромок лопастей каждой из них обеспечивает его высокую эффективность и экологичность. Рекомендуем применение описанного Мультироторного ветродвигателя на мощности более 1 мгвт из-за его экологичности, механической надежности и энергоэффективности.

Л1. Лимонов Леонид Григорьевич, Соколовский Юлий Борисович. Вiтроэнерггетична установка без редуктора. На корисну модель №142412, от 10.06.2020, Бюлл. №11.

Л2. Ю.Б. Соколовский, В.М. Роткин. Теоретические и технические основы оптимизации ветровых энергетических установок. LuluPress, Inc. 2017. 112 с.

Claims

Мультироторный ветродвигатель, содержащий горизонтальный вал, конусный направитель воздушного потока и ступицы разного уровня, на которых равномерно размещены лопасти, лопасти первого уровня – на ступице первого уровня, часть лопастей второго уровня – на ступице второго уровня, отличающийся тем, что его горизонтальный вал неподвижен и через муфты связан с валами обращенных генераторов, а ступицы первого и второго уровней закреплены на корпусах обращенных генераторов, причем аэродинамические лопасти ветроротора с наладочными винтами первого уровня крепятся к ступицам первого уровня с помощью радиальных стержней первого уровня, часть аэродинамических лопастей второго ветроротора с наладочными винтами второго уровня крепится к ступице второго уровня с помощью радиальных стержней второго уровня, часть – на соединительных стержнях второго уровня тоже с наладочными винтами, а между ветророторами расположена поворотная головка и механизм ориентации, через которую проходят и жестко подсоединяются неподвижные валы обращенных генераторов первого и второго уровней с соединительными муфтами, выходные напряжения этих генераторов через электронные редукторы подключены к соответствующим регуляторам зарядного нагрузочного тока для блока аккумуляторов, причем уровень зарядного нагрузочного тока для каждого из ветророторов и постоянство заданного коэффициента скорости кромок их лопастей λ₁, λ₂ обеспечивает подстанция управления, а к блоку аккумуляторов подключен сетевой инвертор.