Технические науки 3. Отраслевое машиностроение
Дудников В.С.
КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНЫЕ СХЕМЫ ТРАНСМИССИЙ
ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Ветроэлектрические установки (ВЭУ) по принципу ориентации
вращения ветроколеса делятся на горизонтально-осевые и вертикально-осевые [1].
Современные ВЭУ горизонтально-осевого типа оснащены
пропеллерным ветроколесом с небольшим количеством лопастей и имеют хорошо
обтекаемые формы. Они требуют постоянной ориентации на ветер. Для этого
используются специальные механизмы, что усложняет конструкцию и снижает ее
надежность.
Вертикально-осевые имеют неоспоримое достоинство: для них
не требуется ориентации на ветер.
Частота
вращения ветроколес современных ВЭУ колеблется в пределах от 18 до 200 об/мин,
в то время как частота вращения электрических генераторов чаще всего составляет
1500 об/мин. В связи с этим между ветроколесом и генератором необходимо
устанавливать мультипликатор с передаточным отношением от 7,5 до 8,3
Рассмотрим ряд принципиально возможных и
реализованных на практике трансмиссий, устанавливаемых между ветроколесом и
электрическим генератором.
В козловой
ветряной мельнице вращение ветроколеса передается жорнову через одноступенчатую передачу. Ведущее кулачковое колесо
вала для ветроколеса находится в зацеплении с шестерней, насаженной на короткий
валик, вращающий жорнов [2].
В ветродвигателе
ВИМЭ Д-18 с горизонтальной осью вращения движение от ветроколеса через
пару конических колес передается вертикальному валу, а затем через пару
конических зубчатых колес нижнего редуктора его горизонтальному валу [3]. С
валом нижнего редуктора с помощью муфты соединен электрический генератор
мощностью 50 кВт. Длина вертикального вала около 20 м. Конструктивно он
выполнен в виде нескольких секций, соединенных между собой шарнирными муфтами.
Вертикальный вал по своей длине имеет 4 промежуточные опоры, связанные с
ферменной конструкцией башни.
Аналогичные
решения использованы в конструкциях двигателей
УНДИМ Д-10, ПД-3,5, ВИМЭ Д-12 [3].
Звенья
вертикального вала трансмиссии двигателя УНДИМ Д-10 соединяются болтами через
промежуточные диски, образующие муфты-шарниры. Между дисками и полумуфтами вала
имеется зазор, что дает возможность оси вала изгибаться в месте соединения.
Упрощенные подшипники устанавливаются на необработанные валы, прирабатываются
на месте за 1-2 часа, после чего смазываются графитной смазкой. Такие валы
не только дешевле в изготовлении и монтаже, но допускают перекосы вала до 2°
без повышения потерь на трение, что особенно важно в применении к быстроходным
двигателям, так как это способствует уменьшению скорости ветра, при которой
страгивается машина.
Редуктор для
привода насоса имеет передаточное число u = 7 для того, чтобы число
качаний насоса не превосходило 30 в минуту (частота собственных колебаний
ферменной конструкции башни около 35 в минуту). Длина вертикального вала
12 м.
Промежуточные
подшипники вертикальных валов скользящего трения и набиваются только графитом,
без жидкого масла. Для удержания графита в подшипниках просверлено несколько
небольших отверстий. Подшипники устанавливаются на расстоянии 40-60 мм
выше дисков шарнирных муфт, соединяющих звенья вала. Таким образом, в случае
поломки болтов соединительных муфт верхние звенья вала будут нормально вращаться.
Опыт показал, что даже при перекосе вала на 3º потери на трение вала в
промежуточных подшипниках не превышает 1 Н·м, что вполне достаточно для
страгивания машины при скорости ветра V ≤ 4 м / с.
В двигателе Д-18 ЦАГИ [3] для уменьшения момента реакции вертикального
вала и облегчения его применен двухступенчатый редуктор с передаточным числом u = 9.
Одна пара - цилиндрическая, вторая - коническая. Редуктор имеет надежные подшипники и
такую герметизацию, что масло не сможет течь по вертикальному валу. Деформации вертикального
вала и головки не отражаются на работе редуктора, так как соединительные муфты
допускают некоторое смещение валов. Так как ветроколесо имеет до
40 об/мин, то вертикальный вал получается относительно быстроходным и не
тяжелым.
Особенностью двигателя
является выравнивание его энергии маховиком - инерционным аккумулятором,
располагающимся в специальной яме ниже уровня земли, между опорными ногами
мачты. Промежуточный редуктор на валу имеет назначение пропустить вертикальный
вал вниз, к маховику, и отобрать мощность на горизонтальный вал, к которому
будет присоединяться нагрузка, например, электрогенератор. Над маховиком
установлен планетарный соосный редуктор с передаточным числом u = 6, доводя общее
передаточное число от ветроколеса к маховику до 54.
В
крыльчатом ветродвигателе [4] вращение ветроколеса через пару конических колес
передается вертикальному валу, а затем нижним редуктором с коническими колесами
горизонтальному валу.
Вал ветроколеса
ветродвигателя 1-Д-18 с инерционным аккумулятором [4] вращается в двух
шарикоподшипниках и соединён с двухступенчатым
цилиндро-коническим
редуктором, имеющим передаточное число u = 9. Нормальное число
оборотов ветроколеса равно около 40 в минуту. Внизу вертикальный вал соединён
со вторым коническо-цилиндрическим редуктором и через обгонную муфту передаёт
вращение маховику, соединённому муфтой с электрогенератором.
При работе
ветродвигателя без инерционного аккумулятора мощность ветродвигателя при резком
уменьшении скорости ветра падает до нуля. Если ветродвигатель работает с
инерционным аккумулятором, то при резком уменьшении скорости ветра мощность
ветродвигателя хотя и убывает, но не до нуля, так как в этом случае недостаток
энергии компенсируется инерционным аккумулятором за счет его кинетической энергии.
Регулирование числа оборотов мощности,
развиваемой генератором мощности, развиваемой генератором ВЕУ, возможно также
путем включения бесступенчатой передачи в трансмиссию ВЕУ.
В ветроустановке
с горизонтальной осью вращения ВЕУ-Т5 ”2-15А” крутящий момент передаётся
вертикальным валом на фундамент, где можно установить генератор любого типа вне
зависимости от его веса, габаритов и применить многорежимность простым
переключением механической передачи [5].
В
горизонтально-осевом ветродвигателе головка снабжена двухступенчатым ускоряющим
редуктором (мультипликатором), предназначенным для передачи крутящего момента
от ветроколеса через главный и вертикальный валы нижнему редуктору. В верхнем
ускоряющем редукторе, состоящем из пары конических и пары цилиндрических колёс,
предусмотрено смещение оси главного вала, вследствие чего возникающий
реактивный момент от ускоряющего редуктора во время работы ветродвигателя,
погашается лобовым давлением ветра на ветроколесо [6].
Вращение от
горизонтального ветроколеса с помощью пары конических колес передается
вертикальному валу [7, 8, 9].
В ветроагрегате
[10] с горизонтальной осью вращения ветроколеса связь между ветроколесом и
генератором, расположенном на земле, осуществляется вертикальной силовой
трансмиссией, выполненной в виде канатной передачи. Благодаря этому уменьшилась
металлоемкость конструкции, снизилась масса поворотной головки, уменьшилась
амплитуда колебаний башни, увеличилась ее прочность.
В
ветродвигателях [11-14] используются две пары конических зубчатых колес.
Выше были
рассмотрены конструкции ветродвигателей с горизонтальной осью вращения
ветроколеса, в которых, тем не менее, используется трансмиссия, включающая
вертикальный вал и ускоряющий редуктор (мультипликатор), соединяющая
ветроколесо с электрическим генератором, установленным на земле. Благодаря
этому обеспечивается ряд эксплуатационных преимуществ.
Такое решение
трансмиссии тем более естественно для ветродвигателя с вертикальной осью
вращения ветроколеса [15-28].
В
ветродвигателях [15-18] электрогенераторы располагаются горизонтально, поэтому
для связи с вертикальным валом используются редукторы, в состав которых
обязательно входит пара конических колес.
В
ветродвигателях [19-28] электрогенераторы располагаются вертикально, поэтому в
состав редукторов для связи с вертикальным валом не входит пара конических
колес.
В ветродвигателе
[16] предусмотрена установка двух генераторов, соединенных с редуктором с
помощью управляемых сцепных муфт.
В ветродвигателе
[22] для поддержания постоянной частоты вращения и аккумулирования энергии
установлен механический регулятор частоты вращения и маховик.
В ветродвигателе
[24] между вертикальным валом и вертикально расположенным генератором
установлен соосный планетарный редуктор.
На вертикальном
валу ветроэнергетической установки [25] закреплено червячное колесо
самотормозящейся червячной передачи, соединенной с электродвигателем задающего
устройства, благодаря чему повышается точность регулирования частоты
ветроколеса.
В вертикальной
ВЭУ типа VAWT (Великобритания) [28] генератор располагается на земле
горизонтально, один редуктор с цилиндрическими колесами размещается на верху
вертикального вала, а второй, с коническими колесами, соединяется с
генератором.
Литература
1 Левенко А.С. Энергия
солнца и ветра. Расчеты, проектирование и использование экологически чистых
преобразователей (Академия устойчивого
развития общества и
личности).-Д.: ИМА-пресс.- 2003.
-64 с.
2 Фатеев Е.М. Ветряные
мельницы. – М.: Энергоиздат, 1945.-С.16-17.
3 Перли С.Б. Быстроходные ветряные двигатели.-М.-Л.: Энергоиздат,
1951.-215 с.
4 Фатеев Е.М. Ветродвигатели и их применение в сельском
хозяйстве.-М.: Машгиз, 1962.-247 с.
5 Тихоходная многолопастная ветроустановка. Проектные расчеты//
Экополис. 1999.-№1.-С.54.
6 А.с. 80764 СССР; 88 с,
2/08. Ветродвигатель для тартания нефти и т.п. жидкоcтей желонками / Л.М. Логов,
М.И. Заферман (СССР).-2 с.: ил.
7 А.с. 79927 СССР; 88 с, 2/02. Быстроходный ветродвигатель с
самоустанавливающимся ветровым колесом, помещенным за башней /С.В. Назаров,
И.Б. Вершинин (СССР).-2 с.: ил.
8 А.с. 183142 СССР; 88 с,
3/16. Ветродвигатель / В.Н. Машков, А.Г. Еременков (СССР).-2 с.: ил.
9 А.с. 1100421 СССР, F03D 5/00.
Ветродвигатель /В.Б. Сердобольский, Д.В. Сердобольский (СССР).-2с.: ил.
10 А.с. 1076617 СССР, F03D 1/00.
Ветроагрегат /В.А. Попов (СССР).-2с.: ил.
11 А.с. 1402707 СССР, F03D 1/06. Ветродвигатель
/К.А.Будревич (СССР).-2с.: ил.
12 А.с. 1453082 СССР, F03D 5/02. Ветродвигатель
/К.А.Будревич (СССР).-2с.: ил.
13 А.с. 1523711 СССР, F03D 7/02. Ветродвигатель
/К.А.Будревич (СССР).-3с.: ил.
14 А.с. 1721288 СССР, F03D 7/06. Ветродвигатель
/К.А.Будревич (СССР).-2с.: ил.
15 А.с. 969949 СССР, F03D 1/02. Ветродвигатель
Федчишина В.Г. /В.Г. Федчишин (СССР).-3 с.: ил.
16 А.с. 1820024 СССР, F03D 3/00. Ветроустановка
/Н.Н.Харченко, Г.К. Волков, Ю.А. Арышев (СССР).-8 с.: ил.
17 Патент 15247 УкраЇна, F03D 3/00. Вітродвигун з вертикальною віссю обертання /І.Г. Костюков, В.О. Михайлов,
П.Г. Капля (Україна).-4 с.: іл.
18 Патент 20371 УкраЇна, F03D 5/00.
Вітрильний двигун Білоуса /Е.Ф. Білоус (Україна).-4 с.: іл.
19
А.с. 167784 СССР, F03d. Центробежный,
тормозного типа регулятор числа оборотов роторного ветродвигателя /В.С. Блинов
(СССР).-2 с.: ил.
20 А.с. 842215 СССР, F03D 5/00. Ветроэлектрический
агрегат /А.И. Борисенко, С.Н. Бочкарев, И.П. Копылов и др. (СССР).-3 с.:
ил.
21 А.с. 1188365 СССР, F03D 3/02. Ветроэлектрический
агрегат /С.Н. Бочкарев, А.И. Яковлев (СССР).-2 с.: ил.
22 А.с. 1307082 СССР, F03D 3/06. Ветродвигатель /Н.Ф.
Полуэктов (СССР).-3 с.: ил.
23 А.с. 1377448
СССР; F03D 3/02. Ветроагрегат /А.А. Лобанов (СССР). -3с.: ил.
24 А.с. 1451330 СССР; F03D 7/06. Ветродвигатель
/И.И.Селедков (СССР).-3с.: ил.
25 А.с. 1511457 СССР; F03D 7/04.
Ветроэнергетическая установка /Ю.В. Шевченко, Ю.Л. Халай (СССР).-3 с.: ил.
26 А.с.1657724 СССР; F03D 3/06.
Ветроустановка / Н.Н. Харченко, Г.К. Волков, Ю.А. Арышев (СССР).-3 с.: ил.
27 Патент 2039309 Россия, F03D 7/06.
Ветродвигатель /Б.Л. Историк, Ю.Б. Шполянский (Россия). 6с.: ил.
28 Васильев
Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляемых энергоисточников.-Л.:
ЛГУ, 1991.-С. 222.