Ветроэлектрическая станция

Ветроэлектрическая станция

Реферат

 

Использование: в ветроэнегетике. Сущность изобретения: изобретение позволяет повысить стабильность выработки электроэнергии станцией, прямозубые цилиндрические колеса 1 которой обладают плавучестью, встроены между понтоном 3 и полой кольцеподобной платформой 4. При этом колеса 1 внешними боковинами выступают за обтекатель 5 и снаружи вместе с лопастями образуют проточные коридоры, причем каждая лопасть закреплена вдоль своего несущего вала, который вертикален и посредством подшипников вмонтирован в платформу 4 снизу, при этом последняя и понтон 3 содержат подшипники скольжения 14 и 15, которые ( как и цилиндрическая шестерня 8 с полым валом 9 и маховиком "м") охватывают колонну 6, закрепленную за дно водоема, имеющую у себя на вершине электрогенератор 7, а понтон 3 состоит из расширенной линзоподобной части внизу, содержащей электроаккумуляторы и систему водобалласта, несущую концентричный к колонне ледозащитный пояс "б", и из вогнутой гиперболоидной части "г" вверху, срез который закрыт дисковым волнорезом. Работает станция на ледовитом мелководном шельфе, причем при открытой акватории - под воздействием ветра, набегающих волн или сильных водных течений, пребывая то в позиции H₁, то в позиции H₂, а в окружении сплоченных льдов - за счет только ветровых сил и в положении всплытия до отметки H₃. 3 з. п. ф-лы, 3 ил.

Разработка относится к ветроиспользованию, а также касается комбинированного потребления сил ветра и перемещения водных масс.

Известна ветроэлектрическая станция, содержащая некий ротор и электрогенератор. Причем ротор расположен на несущей конструкции, укрепленной на поплавке, что установлен на колонне. Та же в свою очередь закреплена на дне водоема. Генератор при этом размещен на колонне и кинематически связан с ротором.

Ротор вращается под воздействием свободного воздушного потока, а вращение это, ускоряясь кинематически, заставляет работать станционный электрогенератор (см. заявку Франции N 2345600, кл. F 03 D 3/00, 1977).

Горизонтальное перемещение водных масс (волновой накат на мелководье, течение реки или прилив-отлив на море) в данном проекте не обращается в электрическую энергию. Конструкция аналога не отличается высокой надежностью в штормовую погоду. Выработка электроэнергии, стабильность действия станции здесь не так значительны.

Эти недостатки несколько сокращается при ветроэлектрической станции "Валестена". Тут ротор представлен в виде двух контактирующих прямозубых и цилиндрических колес, что смонтированы на вертикальных осях. Последние закреплены на полом понтоне, который вверху снабжен обтекателем, жестко связанным с колесными осями. Как? Конструкцией упомянутого поплавка внизу и кольцеподобной платформой, находящейся над ротором. При этом предусмотрена возможность перемещения описанного узла как вдоль центральной колонны, закрепленной за дно водоема, так и по углу разворота узла вокруг колонны.

В состав станции также входит электрогенератор, расположенный на колонной вершине и кинематически связанный с одним из колес при помощи мультипликатора. Этот ускоритель включает в себя цилиндрическую шестерню, экранированную указанным обтекателем, размещенную на колонне коаксиально и так, что сама шестерня и ее подшипники расположены над акваторией (авт. св. СССР N 1645599, 1991г).

Особенность проекта "Валестена" та, что рассчитан он на безотказность действия при сильнейшем тропическом урагане и когда ветер стихает, а поднятые последним поверхностные волны с помощью плоского диска поплавка создают поступательно движущиеся буруны. Этот накат, периодически наваливается на нижний ярус колес и тем самым вращают ротор. Очевидно, что волнорез в таком случае должен находится на уровне акватории в спокойном состоянии.

Так расширяется время срабатывания электростанции, так повышается энерговыработка последней и ее стабильность действия, причем в данном случае без снижения надежности конструкции. Правда, это комбинированное использование мощи разных потоков не так уж полно и достигается лишь при сильных ветрах и значительной волне. В сложных же ледовых условиях утрачивается сразу все. Почему? Во-первых, из-за частых и весьма энергоемких вертикальных перемещений подвижного узла станции. Тех перемещения, которые являются единственным видом принудительной регулировки. Чтобы дать указанному узлу возможность повернуться на новый румб во льдах, надо всякий раз вводить в действие систему водобалласта. Понтон быстро притапливается до уровня максимальной вогнутости борта, до поплавковой "талии". Кратковременно освободившись от ледяных объятий, понтон силами воздушного потока поворачивается вокруг колонны, но: при слабых дуновениях этот поворот будет весьма медлительным. Дрейфующий лед может досрочно возобновить силовой контакт с бортом, воспрепятствовать завершению маневра. Тогда поплавку предстоит всплыть в исходную позицию и начать все сначала. Операция может повторяться многократно до тех пор, пока подвижный узел займет нужное азимутальное направление; отсюда энергозатраты на привод водобалластной системы превысят электровыработку генератора. А опасность повреждения обшивки поплавка напирающими торосами велика. Ведь выпуклый бортовой пояс, если он круто наполнен к горизонту, не будет гарантирован от продавливания. Броня же в таком случае окажется слишком тяжела.

Во-вторых, даже без льда имеются серьезные недостатки. Малая чувствительность подвижного узла, его рабочих колес к слабым потокам вообще. Связано это с небольшим выступанием колесных зубьев. Словом, то, что придает механизму "Валестины" надежность, отодвигает порог восприятия и оборачивается минусом. Также имеет место заныривание понтона при накате крупных волн.

К тому же, чем хуже концентричность выпуклого борта к колонне, чем больше перекос подвижного узла в вертикальной плоскости, проходящей через колонную ось, тем вероятней клинение понтона окружающим ледовым покровом. В этой связи концентричность палубного ледореза как бы отступает на второй план (т. е. ледорез имеет право быть выполненным не совсем круглым и концентричным). Выпуклая же часть понтона совсем лишена этой возможности.

Целью предлагаемой разработки является следующее: предельно поднять стабильность выработки электроэнергии станции типа "Валестена", заставить беспрерывно действовать аналогичную станцию на русском шельфе круглый год, причем включая места с повышенной ледовитостью. Пути к достижению цели: увеличение чувствительности узла к разным потокам, к ветровым и водяным течениям, сокращение затрат электроэнергии на обслуживание борта, улучшение ледозащиты.

Цель достигается при ветроэлектрической станции, содержащей ротор в виде двух контактирующих прямозубых цилиндрических колес, что на вертикальных осях, закрепленных на полом понтоне, снабженном обтекателем, жестко связанным с осями конструкцией понтона внизу и кольцеподобной платформой, находящейся над ротором, причем с возможностью перемещений описанного узла как вдоль центральной колонны, закрепленной за дно водоема, так и по углу разворота вокруг колонны, а также электрогенератор. Последний при этом расположен на вершине колонны и кинематически связан с одним из колес при помощи мультипликатора, включающего цилиндрическую шестерню с полым валом вверху, которые экранированы обтекателем, размещены на колонне коаксиально так, что сама шестерня, ее вал и несущие их подшипники расположены над акваторией. Наружная же боковая поверхность понтона выполнена выпукло-вогнутой. Причем верхний ярус понтонного борта по форме напоминает однополостный гиперболоид. Его срез закрыт дисковым волнорезом, поверхность которого с нижними торцами обоих колес образует горизонтальную щель.

Первое отличие новой станции состоит в том, что кольцеподобная платформа выполнена полой и над тем полукругом волнореза, где находится ротор, имеет с каждого бока по вертикальному валу в подшипниках, который под платформой несет направляющую лопасть. Она простерта вдоль несущего вала, выполнена с профилем авиакрыла и с комлевым срезом на уровне верхнего торца колеса. Причем профиль этот сбалансирован относительно несущего вала, обращен плоской стороной к ротору, а сама лопасть образует с соответствующей боковиной обтекателя и ближайшими зубьями колеса прямоточный суживающийся по потоку коридор П-образного сечения, регулируемый по ширине прохода.

Каждый из несущих валов посредством зубчатого редуктора связан со своим приводом, помещенным в полость платформы и дающим лопасти возможность замедленного азимутального разворота. Оба колеса выполнены с положительной плавучестью и так, что их нижние подшипники подняты на уровень нижнего подшипника шестерни, контактирующей с ротором. Причем указанное поднятие осуществлено посредством гермовтулки, что коаксиально установлена на нижнем торце каждого колеса.

Станция примечательна еще тем, что лопасть по высотному размеру короче колеса, причем так, что на смачиваемую часть последнего приходится утоненная и скругленная снизу лопастная оконечность. Длина же лопастной хорды вверху равна, например, диаметру колеса, а расстояние между хордами обеих лопастей при параллельном положении этих хорд равно, к примеру, диаметру понтона на уровне вогнутости борта.

Станция отличается так же и тем, что кольцеподобная платформа и понтон содержат опорные подшипники скольжения, охватывающие, соответственно, часть полого вала цилиндрической шестерни и понтонный участок смачивающейся части колонны. Причем полый вал над платформой имеет маховик, а нижняя часть понтона расширена, выполнена в виде выпуклой линзы, концентричной к вертикальной оси колонны и содержит электроаккумуляторы периодической подзарядки. При этом верхний пояс линзоподобной части понтона несет гладкое с наружной поверхности ледозащитное бронирование.

Данная станция предусматривает электровыработку как от ветра и волн акватории, так и от водных поверхностных течений. При этом воздушные и беспрерывные водяные токи направляются на бортовые зубья рабочих колес упомянутыми лопастями, обтекателем и ускоряются в П-образных коридорах подвижного узла. При действии станции от волн лопасти выводятся из работы.

В случае урагана указанные коридоры расширяют посредством одновременного поворота обоих несущих валов. Передние кромки лопастей при этом склонены к обтекателю (не очень сильно). Когда же имеет место слабое дуновение, оба коридора заужают. Задние кромки лопастей в таком случае сближены с колесными зубьями. Тем самым поддерживается нужная стабильность в работе электрогенератора. А при волновом накате в безветренную погоду водяной гребень обрушивается на волнорез. Палуба последнего слегка притоплена и волна преобразуется в поступательно движущийся бурун. Эти буруны циклически наваливаются на бортовые зубья обоих колес. Маховик сглаживает ударные нагрузки в трансмиссии. А лопастные консоли не подвергаются опасным колебаниям. Отсюда надежность конструкции. Но для чего колесам придана плавучесть? Общеизвестно, что подлодки и полупогруженные суда из-за малой площади ватерлинии не характеризуются большим запасом устойчивости и плавучести. При накате крупной волны такое плавсредство самопроизвольно проваливается на глубину. Это циклическое заныривание в условиях мелководья угрожает ударом о дно.

Почти нулевая плавучесть подвижного узла "Валестины" в режиме волновой работы ведет к опасной вертикальной качке. В такт волне будет меняться и электромощность. Плавучие же цилиндры колес вместе с волнорезом устраняет указанную пульсацию. А как поведет себя новая станция во льдах на Крайнем Севере, где ветры весьма часты, особенно зимой? Будучи регулярно в позиции полного всплытия, станция станет только ветровой. Электрогенератор здесь сработает в паре с аккумуляторами. Неустойчивость ветра по силе устраняется при помощи регулирования сечений обоих П-образных каналов.

Льды не страшны понтону с линзоподобной сильно расширенной нижней частью. Напирая на выпуклый полого наклоненный к акватории и гладкий верхний пояс "линзы", они будут саморазрушаться. Сократится нагрузка на броню, на подшипники скольжения.

В случае смены ветром направления учтены два варианта. Ветер достаточно силен, а подвижность ледяных полей мала. Понтон при этом быстро погружается так, что зеркало воды оказывается на уровне "талии" гиперболоида. Подвижный узел повертывается на новый рабочий румб воздушными потоками автоматически. Следом поплавок поднимается в исходную позицию.

Второй вариант касается ситуации, когда дуновения слабы, лед же интенсивно торосится. В этом случае вместе с притапливанием понтона лопасть, которая оказалась "на ветру", становится поперек к набегающим воздушным токам. Возникает вращающий момент, достаточный для маневра. В пользу расширения поплавка, его гиперболоидной части, говорит и то, что лопасти должны находиться над палубой волнореза. На фиг. 1 изображена станция в виде маяка "Русский шельф"; на фиг. 2 разрез B-B с видом на волнорез сверху; на фиг. 3 направляющая лопасть с рабочим колесом по стрелке C. Геометрические соотношения тут приближены к реальным.

Станция содержит ротор в виде двух прямозубых цилиндрических колес 1 (фиг. 1), что находятся в подшипниках "о" на осях 2, закрепленных на понтоне 3. Расстояние между указанными осями обеспечивает колесам взаимное зубчатое зацепление (фиг. 2). Жесткая взаимосвязь осей над колесами достигается посредством полой кольцеподобной платформы 4 (см. фиг. 1), которая в свою очередь скреплена с понтоном при помощи обтекателя 5.

Описанный узел имеет возможность поворачиваться вокруг и перемещаться вдоль колонны 6. На вершине этой колонны закреплен электрогенератор 7, который кинематически связан с одним из колес посредством мультипликатора, который включает в себя шестерню 8 с полым валом 9. Они сочленены с надводной частью колонны с помощью подшипников 10. Полый вал над платформой имеет маховик "м".

При этом колеса выполнены полыми, облегченными, с высотой цилиндра, равной "h" (фиг. 3). Причем нижние подшипники колес приподняты над водой посредством гермовтулок "t". В внешних же боковин обоих зубчатых колес предусмотрены поворотные направляющие лопасти 11 (см. фиг. 2 и 3). Эти лопасти обладают высотным размером h', который меньше высотного размера рабочего колеса, и вместе с колесными внешними боковинами образуют прямоточные коридоры "П".

Вал, разворачивающий лопасть по азимуту, опирается на подшипники 12. Последние встроены в конструкцию платформы. Поворот каждой лопасти обеспечивается с помощью своего редуктора 13, помещенного в полость платформы.

Торообразный понтон и платформа по местам сочленения с колонной и полым валом 9 содержат подшипники скольжения 14 и 15 соответственно (фиг. 1). Причем внизу понтон имеет обширную емкость диаметром Д, по форме напоминающую двояковыпуклую линзу. Она своими бортами коаксиальна вертикальной оси колонны, а ее верхний пояс "б" несет гладкую с поверхности броневую обшивку.

Расположенный выше ярус "г" понтона заужен до диаметра Д_г в своей серединной части и походит на однополостный гиперболоид. Горизонтальный срез этого гиперболоида закрыт дисковым волнорезом, диаметр которого o Д_р. При этом o Д_г L, где L расстояние между хордами обеих лопастей, расположенных по ветру, как показано на фиг. 2.

А отношение o Д_г/Д 0,25.

Если при этом высотный размер "линзы" h_г 0,2 Д, то наклон броневой обшивки к горизонту будет в пределах, необходимых обтекания понтона дрейфующими льдами при не очень больших удельных нагрузках со стороны последних.

Для сокращения усилий, перекашивающих подвижный узел в вертикальной плоскости, водооткачивающий агрегат системы балластировки и отсек с электроаккумуляторами "У" расположены в секторе, противоположном тому, где находятся основания колесных осей 2. Главный генератор и заключен в рубке 16. Словом, электропотери в линии тут сведены к минимуму.

Энергообеспечение маяка "Русский шельф" осуществляется по сути в четырех режимах. Из них три связаны с действием электростанции в периоды, когда акватория свободна ото льда. Именно при этих трех режимах понтон 3 (фиг. 1) полностью погружен в воду, а обе лопасти 11 (фиг. 2) пребывают на углах поворота _ 0 или в положении, обозначенном на чертеже углом .

1. Водоотметка H₁. Ветер заметно сильней поверхностных волн, которые еще не успели подняться. Потоки воздуха, действуя на ротор и лопасти 11 автоматически склоняют подвижный узел по азимуту в рабочее положение. Концы лопастей при этом почти не касаются воды, а колеса нижними торцами беспрестанно затрагивают акваторию. В результате ветровые токи ускоряются в обоих коридорах "П" и вращают колеса, осуществляя давление на их зубья, что выходят на бока ротора. При шквалистых порывах излишней раскрутке трансмиссии препятствует эффект торможения колес о верхний слой воды и маховиком "м". Отметим, что регулировка лопастями не очень энергоемка.

2. С возникновением крупных волн и спаде ветра в работу вступает волнорез (отметка тут та же, что при первом режиме). Перед обтекателем 5 на палубе волнореза генерируются поступательно катящиеся буруны. Они поочередно рассекаются обтекателем и, не затрагивая лопастей, циклически бьют в зубья колес. Периодические рывки вращающегося момента здесь сглаживаются мультипликатором, в частности его маховиком.

3. В том случае, когда на море полный штиль, но имеет место сильное течение поверхностных вод, подвижный узел погружают до максимальной отметки H₂. При этом нижние подшипники (те, что составляют пару, обозначенную на фиг. 1 буквой "о" и цифрой 10) остаются над акваторией. Колеса с погружением обретают плавучесть. Мертвая зыбь уже не сможет циклически притапливать подвижный узел сверх нормы. Скругленная часть лопастных консолей, оказавшись в воде, позволяет направить и ускорить поверхностное течение в коридорах "П" (см. фиг. 2 и 3). Отсюда ротор сможет срабатывать и в беспрерывном гидродинамическом режиме.

4. Акватория почти сплошь покрыта льдом. Понтон пребывает в позиции, соответствующей водоотметке H₃, что и зафиксировано на фиг. 1. Станция тут использует только ветровую мощь. Посему электрогенератор 7 работает поочередно с аккумуляторами "У". Окружающие же ледяные поля "л" либо беспрестанно дрейфуют на понтон, либо свершают подвижки эпизодически. За счет течений и ветра. Как в этих условиях ведет себя подвижной узел? Фронтальный край атакующего поля, встречая наклонную, гладкую и выпуклую поверхность броневого пояса "б", частично выпирает из воды, вспучивается и автоматически разрушается под воздействием сил гравитации. Поэтому указанный пояс понтона не будет слишком толст и массивен. Удельные нагрузки на подшипники 10, 14 и 15 при такой организации процесса тоже не очень велики.

Стабилизация частоты вращения генератора, когда ветер меняет силу, достигается путем регулировки ширины обоих коридоров "П". Энергоемкость этой операции не так значительна. Лопасти 11 здесь повертываются эпизодически, причем согласованно и в пределах угла a. Если ветер существенно изменит направление, понтон быстро и немного притопят. Зеркало воды приходится при этом на "талию" гиперболоида "г". Одна же полость, что ближе к новому ветровому румбу, устанавливается на угол b, поперек воздушного потока.

Благодаря возникновению этой добавочной асимметрии в обтекании подвижного узла, последний легко становится в рабочее положение. Понтон же всплывает в исходную позицию H₃.

Энергоемкие вертикальные перемещения подвижного узла будут свершаться уже не так часто и совсем редко на большую величину. Подвоз нефтетоплива к маяку не потребуется круглый год.

Формула изобретения

1. Ветроэлектрическая станция, содержащая ротор в виде двух контактирующих прямозубых цилиндрических колес на вертикальных осях, закрепленных на полом понтоне, снабженном обтекателем, жестко связанным с осями конструкцией понтона внизу и кольцеподобной платформой, находящейся над ротором, причем с возможностью перемещения описанного узла как вдоль центральной колонны, закрепленной за дно водоема, так и по углу разворота вокруг колонны, а также электрогенератор, расположенный на вершине колонны и кинематически связанный с одним из колес при помощи мультипликатора, включающего цилиндрическую шестерню с полым валом вверху, которые экранированы обтекателем, размещены на колонне коаксиально так, что сама шестерня, ее вал и несущие их подшипники расположены над акваторией, отличающаяся тем, что наружная боковая поверхность понтона выполнена выпукло-вогнутой, а верхний ярус понтонного борта по форме уподоблен однополостному гиперболоиду, срез которого закрыт дисковым волнорезом, образующим горизонтальную щель с нижними торцами обоих колес, при этом кольцеподобная платформа выполнена полой и над тем полукругом волнореза, где находится ротор, имеет с каждого бока по вертикальному валу в подшипниках, который под платформой несет направляющую лопасть, простертую вдоль несущего вала, выполненную с профилем авиакрыла и с комлевым срезом на уровне верхнего торца колеса, причем профиль этот сбалансирован относительно несущего вала, обращен плоской стороной к ротору, а сама лопасть образует с соответствующей боковиной обтекателя и ближайшими зубьями колеса прямоточный суживающийся по потоку коридор П-образного сечения, регулируемый по широте прохода.

2. Станция по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из несущих валов посредством зубчатого редуктора связан со своим приводом, помещенным в полость платформы и дающим донести возможность замедленного азимутального разворота, при этом оба колеса выполнены с положительной плавучестью и так, что их нижние подшипники подняты на уровень нижнего подшипника шестерни, контактирующей с ротором, причем указанное поднятие осуществлено с помощью гермовтулки, коаксиально установленной на нижнем торце каждого колеса.

3. Станция по пп.1,2, отличающаяся тем, что лопасть по высотному размеру короче колеса, причем так, что на смачиваемую часть последнего приходится утоненная и скругленная снизу лопастная оконечность, при этом длина лопастной хорды вверху равна, например, диаметру колеса, а расстояние между хордами обеих лопастей при параллельном положении этих хорд равно, например, диаметру понтона на уровне вогнутости борта.

4. Станция по пп.1-3, отличающаяся тем, что кольцеподобная платформа и понтон содержат опорные подшипники скольжения, охватывающие соответственно часть полого вала цилиндрической шестерни и понтонный участок смачиваемой части колонны, причем полый вал над платформой имеет маховик, а нижняя часть понтона расширена, выполнена в виде выпуклой линзы, концентричной к вертикальной оси колонны, и содержит электроаккумуляторы, при этом верхний пояс линзоподобной части понтона несет гладкое с наружной поверхности ледозащитное бронирование.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3