Ветряная турбина

 

Полезная модель относится к области ветроэнергетики, в частности к составным частям лопастных ветродвигателей и может быть использована при конструировании и промышленном производстве ветроэнергетических установок горизонтально-осевого типа. Ветряная турбина, содержащая несущий вал с установленным на нем рабочим колесом со ступицей, с неподвижным креплением лопастей на главном валу турбины, отличается тем, что ступица установлена с зазором на главном валу турбины с возможностью осевого перемещения (качения) на расстояние хода b по поверхности шариков, помещенных в продольные пазы между втулкой ступицы и валом, и передачи через шарики вращающего момента, при этом одним торцем своей втулки ступица упирается в ограничитель осевого перемещения, а другим торцем упирается в пружину сжатия, установленную на валу между ступицей и статором генератора с возможностью обеспечения, при отсутствии ветра (в нерабочем состоянии), расстояния, равном сумме хода ступицы b и эффективного осевого зазора между катушками статора и магнитами ротора генератора. 2 завис, пункта ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована при производстве ветроэнергетических установок горизонтально-осевого типа.

Известна ветряная турбина ветроэнергетических установок горизонтально-осевого типа, например, BWC EXCEL-S [1], Alize 10kW [2], а также ряд других подобных установок с генератором переменного тока на постоянных магнитах с неподвижным креплением лопастей к корпусу ротора генератора, играющему роль ступицы.

Недостаток известной ветряной турбины заключается в высоком сопротивлении страгивания при пуске в работу вследствие действия сил магнитного взаимодействия статора и магнитов ротора генератора, что определяет высокую скорость пуска ветряной турбины в работу, следовательно, и пониженную выработку электроэнергии ветроэнергетической установкой.

Известна ветряная турбина [3] с регулятором частоты вращения для пуска ветроколеса в работу и ограничения числа оборотов в заданных пределах в диапазоне рабочих скоростей ветра. Регулятор состоит из двух втулок, ограничителя, коромысла, двух скоб, рабочей и пусковой пружины. При отсутствии ветра пусковая пружина выводит лопасти на пусковые углы. Таким образом, наличие регулятора в составе ступицы ветроколеса с полноповоротными лопастями направлено на увеличение пускового момента для преодоления момента сопротивления страгиванию.

Недостаток известной ветряной турбины заключается в сложности изготовления и в сложных расчетных условиях работы по перестановке положения лопастей под действием ветровой нагрузки.

Известна ветряная турбина [4 - прототип], содержащая несущий вал с установленным на нем рабочим колесом со ступицей, с закрепленными на ступице поворотными лопастями, с сопряжением несущего вала со ступицей в виде подвижного зацепления, при этом валики поворотных лопастей кинематически связаны между собой и с несущим валом при помощи тяговой тарелки, закрепленной на торце несущего вала, и шарнирных двухзвенных рычагов, а регулятор мощности выполнен в виде пружины, надетой на вал между упором и подвижной ступицей, на которой закреплен регулируемый трубчатый упор.

Недостатком известной ветряной турбины является низкая надежность и сложные расчетные условия работы по перестановке положения лопастей под действием ветровой нагрузки.

Предлагаемой полезной моделью решается задача снижения момента сопротивления страгиванию при пуске в работу ветряной турбины путем применения подвижной ступицы с неподвижным креплением лопастей.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в ветряной турбине, содержащей несущий вал с установленным на нем рабочим колесом со ступицей с неподвижным креплением лопастей на валу, ступица установлена с зазором на главном валу турбины с возможностью осевого перемещения (качения) на расстояние хода b, по поверхности шариков, помещенных в продольные пазы между втулкой ступицы и валом, и передачи через шарики вращающего момента, при этом одним торцем своей втулки ступица упирается в ограничитель осевого перемещения, а другим торцем упирается в пружину сжатия, установленную на валу между ступицей и статором генератора с возможностью обеспечения, при отсутствии ветра (в нерабочем состоянии), расстояния, равном сумме хода ступицы b и эффективного осевого зазора между катушками статора и магнитами ротора генератора.

На фигуре 1 показан продольный совмещенный разрез ветряной турбины с подвижной ступицей.

На фигуре 2 показан поперечный разрез подвижной ступицы ротора ветряной турбины.

Согласно фигурам 1 и 2 в ветряной турбине с неподвижным креплением лопастей 1 ступица 2 установлена с зазором на главном валу 3 турбины с возможностью осевого перемещения (качения) на расстояние хода b по поверхности шариков 4, помещенных в прадольные пазы между втулкой ступицы и валом, и передачи через шарики вращающего момента, при этом одним торцем своей втулки ступица упирается в ограничитель 5 осевого перемещения, а другим торцем упирается в пружину сжатия 6, установленную на валу между ступицей и статором генератора 7 содержащего катушки 8. Ротор генератора, содержащий высокоэффективные магниты 9 является составной частью подвижной ступицы ветряной турбины.

Для обеспечения плавности и равномерности осевого перемещения (качения) и для снижения контактных напряжений при передаче вращающего момента длина втулки подвижной ступицы 2 больше диаметра главного вала 3, а количество пазов для размещения шариков 4, два или более.

Продольные пазы ступицы 2 заполнены шариками 4 определенного диаметра, имеющими между собой и торцевыми ограничителями 5 и 10 необходимый для плавного качения зазор, покрыты смазкой.

Пружина сжатия 6 установлена на валу между ступицей 2 и статором генератора 7 с возможностью обеспечения, при отсутствии ветра (в нерабочем состоянии), расстояния, равном сумме хода ступицы b и эффективного осевого зазора между катушками 8 статора и магнитами 9 ротора генератора.

Работает ветряная турбина следующим образом.

При отсутствии достаточного ветрового потока пружина 6 перемещает ступицу 2 в крайнее положение до упора в ограничитель 5. Между катушками 8 статора и магнитами 9 ротора генератора образуется свободное пространство с расстоянием b+ таким, что магнитное взаимодействие и момент сопротивления страгиванию практически отсутствуют.

При возникновении ветрового потока со скоростью, близкой к скорости страгивания, на спинке лопасти 1 возникает разряжение. Аэродинамические силы преодолевают силы трения в подшипниках, и ветряная турбина приходит в движение. Создаваемый лопастью 1 вращающий момент Мвр передается через подвижную ступицу 2 и шарики 4 на главный вал 3. В отсутствии дополнительных сил сопротивления, кроме сил трения в подшипниках, страгивание главного вала 3 происходит при меньших скоростях ветра.

Аэродинамические силы на лопастях 1 кроме проекции на плоскость вращения с образованием движущих сил дают проекцию на ось вращения ветряной турбины с образованием осевой силы, направленной от ступицы 2 к генератору 7. Осевая сила, преодолевая сопротивление пружины 6, перемещает подвижную ступицу 2 по шарикам 4 на расстояние b, тем самым, уменьшая расстояние между катушками 8 статора и магнитами 9 ротора генератора до расстояния наперед заданной величины, обеспечивающей их наиболее эффективное взаимодействие для выработки электрического тока. При этом ступица 2 через шарики 4 становится на упор продольного паза главного вала 3. Дальнейшее увеличение скорости ветра и возрастающая осевая сила уравновешиваются реакцией в упоре продольного паза главного вала 3.

Снижение скорости ветра уменьшает осевую силу и реакцию в упоре продольного паза вала 3, но не изменяет расстояния во всем рабочем диапазоне скоростей ветра, вплоть до скорости страгивания. При уменьшении скорости ветра до скорости, ниже скорости страгивания, пружина 6, преодолевая осевое усилие подвижной ступицы 2, перемещает ступицу в направлении от генератора 7 до постановки на упор ограничителя 5.

Предлагаемая ветряная турбина с подвижной ступицей состоит из типовых и освоенных промышленностью элементов и имеет более простую и надежную конструкцию с меньшим, по сравнению с прототипом, количеством узлов и агрегатов. Ветряная турбина с подвижной ступицей и неподвижными лопастями близкой конструкции была испытана в составе экспериментальной ветроэлектрической установки 018.00.000.

Библиографические данные

1. http://www.bergey.com/technical (сайт компании «Bergey Windpower Со»)

2. http://www.fortiswindenergy.com/products/wind-turbines/alize (сайт компании «Fortis Wind Energy»)

3. Агрегат ветроэлектрический унифицированный модернизированный типа АВЭУ6-4М. 133ГА.636.008 ТО Техническое описание.

4. Патент RU 2165544 C1. Ветродвигатель, F03D 1/00 14/09/1999

1. Ветряная турбина, содержащая несущий вал с установленным на нем рабочим колесом со ступицей, с неподвижным креплением лопастей на главном валу турбины, отличающаяся тем, что ступица установлена с зазором на главном валу турбины с возможностью осевого перемещения (качения) на расстояние хода b, по поверхности шариков, помещенных в продольные пазы между втулкой ступицы и валом, и передачи через шарики вращающего момента, при этом одним торцем своей втулки ступица упирается в ограничитель осевого перемещения, а другим торцем упирается в пружину сжатия, установленную на валу между ступицей и статором генератора с возможностью обеспечения при отсутствии ветра (в нерабочем состоянии) расстояния, равного сумме хода ступицы b и эффективного осевого зазора между катушками статора и магнитами ротора генератора.

2. Ветряная турбина по п.1, отличающаяся тем, что длина втулки подвижной ступицы больше диаметра главного вала, а количество пазов для размещения шариков два или более.

3. Ветряная турбина по п.1, отличающаяся тем, что продольные пазы ступицы покрыты смазкой.

РИСУНКИ



 

Похожие патенты:

Полезная модель относится к области электрохимической обработки материалов, в частности к устройствам для обработки турбинных лопаток

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано на автономных децентрализованных энергетических установках малой мощности, от 5 до 30 кВт электрической и от 20 до 200 кВт тепловой мощности
Наверх