УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ УГЛА УСТАНОВКИ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1994 года по МПК F03D7/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для регулирования угла установки лопастей ветродвигателя.

Известен ветродвигатель [1] , содержащий расположенный на поворотной головке преобразователь энергии, кинематически соединенный с ним полый вал, на котором установлены поворотные лопасти. Вал снабжен расположенным в его полости штоком, связанным с валом при помощи шариковой шлицевой муфты с одной стороны и с лопастями ветродвигателя с другой. Через подшипниковый узел, закрепленный на полом валу, связанный с плечом двуплечего рычага, шарнирно связанного с гидроцилиндром, смонтированным на поворотной головке вне полого вала, лопасти могут быть повернуты вследствие хода поршня гидроцилиндра, связанного с регулятором давления. Это происходит при изменении давления в нем. При этом происходит перемещение вала относительно штока в ту или в другую сторону, что вызывает поворот лопастей. Регулирование происходит при изменении постоянной частоты вращения ветродвигателя, вызванном изменением силы ветра. Совместное воздействие на поворотные лопасти лобового давления ветра и регулятора давления по цепи гидроцилиндр - рычаг - подшипниковый узел - вал обеспечивает чувствительность системы регулирования и поддержание постоянной рабочей частоты вращения.

Устройство характеризуется сложностью, крупными габаритами и некомпактностью.

Известен ветродвигатель [2] с моментно-центробежной системой регулирования. Моментный регулятор вмонтирован во втулку трехлопастного ветроколеса, при помощи которой оно смонтировано на главном валу. Моментный регулятор представляет собой систему реек, взаимодействующих с колесом, посаженным на главном валу, ступица которого может повернуться относительно вала, однако связана жесткой угловой кинематической связью сразу со всеми тремя лопастями посредством зацепления конической шестерни, посаженной на ступице упомянутого колеса с коническими шестернями, смонтированными на махах лопастей. Рейки взаимодействуют также с пружинами, имеющими предварительную затяжку, соответствующую номинальному моменту. При превышении его моментом сопротивления нагрузки ступица колеса, преодолевая усилие пружин, повернется относительно вала и шестерни махов, обкатываясь по шестерне вала, повернут лопасти так, что развиваемый момент уменьшится. При моменте сопротивления, меньшем номинальному моменту, частота вращения ветроколеса начинает возрастать и вступает в действие центробежный регулятор, тягой, проходящей внутри главного вала, связанный с муфтой центробежного регулятора, связанной с втулкой ветроколеса через ролики и другую муфту с наклонными пазами, по которым, перемещаясь, она, будучи связанной с шестерней, поворачивает лопасти так, чтобы восстановить первоначальную частоту вращения, преодолевая при этом предварительно отрегулированную на номинальный момент пружину, размещенную в полом главном валу.

Это устройство характеризуется сложностью конструкции и трудностью регулировки точного взаимодействия множества звеньев.

Наиболее близким к заявляемому является устройство [3], содержащее привод от подпружиненного плунжера, расположенного во внутренней полости полого приводного вала и кинематически связанного с одной стороны с лопастями, а с другой с центробежным регулятором. Кинематическая связь между плунжером и лопастями выполнена в виде кривошипно-кулисного механизма, взаимодействующего с плунжером через штангу, связанную с ним, а с центробежным регулятором через другую штангу по другой стороне плунжера, непосредственно контактирующую с последним вследствие подпружинивания его центробежным регулятором.

Такое устройство, хотя и проще по сравнению с описанными, все же является достаточно сложным и материалоемким, так как необходимы большие габариты внутренней полости полого вала из-за того, что каждая лопасть поворачивается от отдельного кривошипно-шатунного механизма. Обеспечение идентичности всех звеньев этих отдельных для каждой лопасти механизмов усложняет регулировку ввиду неодинаковых изначальных зазоров между взаимодействующими деталями, а затем и из-за разного их износа.

Целью изобретения является упрощение конструкции и снижение материалоемкости.

Цель достигается тем, что в устройстве для изменения угла установки лопастей ветродвигателя, содержащем расположенный в полом валу ветродвигателя плунжер, кинематически связанный с махами лопастей, и силовой элемент, взаимодействующий с плунжером, кинематическая связь плунжера с махами выполнена в виде жестко связанных с плунжером зубчатых реек и шестерен, установленных на махах и контактирующих с соответствующими рейками, количество которых равно количеству лопастей.

Простота конструкции и компактность может быть особенно наглядной, если количество реек равно двум, они расположены противоположно друг другу и смещены в разные стороны от диаметральной плоскости вала, а шестерни связаны при помощи оси, установленной в них с возможностью вращения и расположенной перпендикулярно валу.

Выполнение закрепления шестерен на махах, расположенных наклонно к валу, а самих реек либо зацепляющихся с ними шестерен, либо и тех, и других косозубыми позволяет осуществить монтаж продольных осей лопастей и махов под углом к оси главного вала.

На фиг.1 схематически показано устройство для изменения угла установки лопастей трехлопастного ветродвигателя; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 - вариант устройства, где в качестве силового элемента, взаимодействующего с плунжером, для регулирования углового положения лопастей используется центробежный регулятор; на фиг.4 - устройство регулирования двухлопастного ветродвигателя; на фиг.5 - разрез Б-Б на фиг.4; на фиг.6 - трехлопастное устройство, где шестерни посажены непосредственно на махах лопастей; на фиг.7 - рейки с прямыми зубьями в зацеплении с косозубыми шестернями (оси махов и лопастей наклонены относительно оси главного вала).

Устройство для изменения угла установки лопастей ветродвигателя содержит (фиг.1) в качестве привода подпружиненный пружиной 1 плунжер 2, при флюгерном (исходном) положении лопастей находящийся под действием пружины 1 в крайнем правом (по схеме) положении до упора в торец главного вала 3, смонтированного в подшипниках 4 в корпусе 5 головки ветродвигателя. Плунжер 2 оканчивается тремя рейками 6, выполненными непосредственно (долблением) в плунжере (как показано на фиг.2) либо изготовленными отдельно и прикрепленными к плунжеру. Рейки 6 находятся в зацеплении с шестернями 7, смонтированными соосно продольным осям лопастей 8 (на фиг.1 показано условно). Плунжер через отверстие 9, выполненное в главном валу 3, сообщается с силовым элементом, регулирующим угловое положение лопастей относительно их продольных осей, в качестве которого согласно фиг.1 может использоваться пневмонапорная или гидронапорная среда, подводимая в полость главного вала 3 через неподвижный приемник 10 и подпружиненный поршень 11, образующие торцевое уплотнение от пневмо- или гидронапорной магистрали 12. Шестерни 7 смонтированы в подшипниках скольжения 13 (фиг.2), смонтированных в окнах 14 корпуса главного вала 3, являющихся заодно и монтажными.

Ввиду больших габаритов лопастей, их махов и их монтажных узлов шестерни 7 посажены не непосредственно на махах лопастей, а на собственных осях, оканчивающихся поводками 15, находящимися в жесткой угловой кинематической связи с махами лопастей (на фиг.2 не показаны).

В качестве силового элемента регулирования могут быть использованы и другие средства, например штанга 16, замкнутая между плунжером 2 и центробежным регулятором 17 (фиг. 3), связанным с главным валом 3 посредством шестерен 18, 19, 20, 21.

Наиболее компактным и прочным вариантом исполнения предлагаемого устройства является устройство для регулирования угла положения лопастей двухлопастного ветродвигателя (фиг.4). Оно содержит те же основные элементы, что и устройство для трехлопастного ветродвигателя, однако может быть дополнено тем, что одна из шестерен 7 свободным концом посажена на подшипниках 23 на оси 22 (фиг.5), а жесткая угловая кинематическая связь с махами 24 лопастей (на фиг. 5 не показаны) осуществлена через поводки 25 так же, как и через поводки 15 согласно фиг.2. Шестерни 7 зацепляются каждая с одной из двух противорасположенных реек 6, которыми оканчивается плунжер 2. Рейки 6 смещены в противоположные стороны от оси I-I. Шестерни 7 могут быть посажены и непосредственно на осях махов 26 лопастей 27, если эти оси специально для этого приспособлены (фиг.6). Махи 26 могут быть как одно целое с лопастями 27 либо могут быть скрепленными с последними известными способами, например при помощи фланцев. Подшипниковые узлы 28, как и в рассмотренных выше случаях (фиг.2, 5) с подшипниками скольжения, монтируются в окнах корпуса главного вала 3.

Сущность изобретения сводится и к такому варианту использования, где рейки 6 и шестерни 7 в общем случае выполнены косозубыми (фиг.7), а продольные оси махов и лопастей (на фиг.7 не показаны) наклонены к оси главного вала 3 под углом.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Пневмо- или гидронапорная магистраль 12 сообщается с подсистемами регулирования усилия силового элемента в виде пневмо- или гидронапорной среды поворотом лопастей от разного количества параметров, предусмотренных пневматической или гидравлической системой управления, например с запуском от напора, создаваемого насосом и дальнейшей работой от пневмо- или гидросистемы с автоматическим регулированием, реагирующим на многие параметры работы ветродвигателя, например на изменение частоты вращения главного вала, на изменение величины нагрузки на ветродвигатель, на изменение скорости ветра.

Количество параметров, на которые реагирует пневмо- или гидронапорная среда, практически не ограничено, а вся пневмо- или гидроаппаратура может быть устроена как у основания башни ветроагрегата (на чертежах не показана), так и на поворотной головке, смонтированной на башне агрегата.

При перемещении плунжера 2 влево (по схеме на фиг.1) вследствие пневмо- или гидронапора, преодолевающего усилие предварительно отрегулированной пружины 1 сжатия, рейки 6 поворачивают шестерни 7 синхронно на одинаковые углы. Шестерни 7, будучи в жесткой угловой кинематической связи с продольной осью соответствующих лопастей посредством поводков 15, соответственно поворачивают лопасти, выводя их из флюгерного (исходного) положения в рабочее. Поворот лопастей всегда происходит синхронно и на одинаковый угол при условии соблюдения идентичности всех реек 6 и шестерен 7.

Таким образом, кинематическая связь плунжера 2 с пневмо- или гидронапорной средой, подаваемой в отверстие 9 главного вала 3, обеспечивает многорежимное регулирование угла поворота лопастей вокруг их продольных осей и работу ветродвигателя как в автоматическом, так и в комбинированном режиме работы ветроагрегата.

В качестве силового элемента, взаимодействующего с плунжером, рассматривается вариант устройства для того же ветродвигателя (фиг.2), обеспечивающего усилие для изменения углового положения лопастей и, следовательно, работу ветродвигателя, может использоваться механическое усилие, передаваемое штангой 16 (фиг.3), замкнутой между плунжером 2 и центробежным регулятором 17. Главный вал 3 посредством жестко посаженной на нем шестерни 18 передает вращение через шестерни 19, 20, 21 центробежному регулятору 17, который, срабатывая, перемещает штангу 16 и плунжер 2, который через рейки 6 вращает шестерни 7, связанные с лопастями ветродвигателя жесткой угловой кинематической связью.

Возможно исполнение устройства и с комбинированием регулирующего угловое положение лопастей усилия как от пневмо- или гидронапорной среды, так и от механической кинематической связи, например от центробежного регулятора (этот вариант на чертежах не показан).

Оптимальным вариантом исполнения является устройство, показанное на фиг.4 и 5.

Рейки 6 взаимодействуют с шестернями 7 и далее через поводки 25 либо непосредственно с махами 26 лопастей (как на фиг.6), однако количество их (реек 6 и шестерен 7) ограничено двумя. В таком случае шестерни 7 смонтированы на общей оси 22 на подшипниках 23. Такое выполнение при наименьших габаритах обеспечивает наибольшую прочность и простоту конструкции.

Оптимальной по прочности является конструкция трехлопастного устройства согласно предлагаемому техническому решению, показанная на фиг.6. Шестерни 7 посажены непосредственно на махах 26 лопастей 27. Махи поворачиваются в подшипниковых узлах, закрепляемых в монтажных окнах корпуса главного вала, несущего всю конструкцию ветродвигателя.

Для улучшения условий работы ветродвигателя с точки зрения аэродинамики лопасти могут устанавливаться наклонно к оси главного вала (фиг.7).

Таким образом, при всех рассмотренных вариантах исполнения предлагаемого устройства достигаются упрощение конструкции, компактизация, а также повышение надежности регулировки из-за уменьшения количества кинематических звеньев, предназначенных для поворота лопастей вокруг их продольных осей, по сравнению с известными техническими решениями (прототипом).

Это достигается за счет возможности воспринимать суммарное от многих параметров усилие одним кинематическим звеном - плунжером и обеспечить нужный поворот лопасти в ту или другую сторону посредством одной кинематической пары.

Использование: в ветроэнергетике, для эффективного регулирования угла установки лопастей ветродвигателя. Сущность изобретения: используется привод от подпружиненного плунжера, который кинематически связан с одной стороны с лопастями, а с другой с носителем усилия, регулирующего угловое положение лопастей относительно их продольных осей. Плунжер размещен во внутренней полости полого приводного (главного) вала ветродвигателя и снабжен рейками, количество которых соответствует числу лопастей. Каждая рейка находится в зацеплении с шестерней, смонтированной на оси соосно продольной оси соответствующей лопасти, находящейся в жесткой кинематической связи с ней, т.е. вращение лопасти может передаваться через поводковое соединение либо шестерней, посаженной непосредственно на оси маха лопасти. Для обеспечения наибольшей компактности устройства число лопастей может быть ограничено двумя. В этом случае шестерни могут быть посажены на общей оси, а жесткая угловая кинематическая связь с лопастями осуществляется через поводковое соединение. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ УГЛА УСТАНОВКИ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ, содержащее расположенный в полом валу ветродвигателя плунжер, кинематически связанный с махами лопастей, и силовой элемент, взаимодействующий с плунжером, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции и снижения материалоемкости, кинематическая связь плунжера с махами выполнена в виде жестко связанных с плунжером зубчатых реек и шестерен, установленных на махах и контактирующих с соответствующими рейками. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения компактности, количество реек равно двум, они расположены противоположно одна другой и смещены в разные стороны от диаметральной плоскости вала, а шестерни связаны при помощи оси, установленной в них с возможностью вращения и расположенной перпендикулярно валу. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что шестерни закреплены на махах, расположенных наклонно к валу, рейки или шестерни, либо те и другие выполнены косозубыми.