ВТУЛКА РОТОРА ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК B64C27/32 

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам, т.е. установкам, использующим возобновляющиеся энергоресурсы.

Известна втулка ротора ветряного двигателя, содержащая ступицу, в которой на подшипниках установлены цапфы осевых шарниров с шестернями, входящими в зацепление с шестерней непрерывного управления углами установки лопастей. Ниже ступицы установлена цилиндрическая шестерня, взаимодействующая с пружинами, для непрерывного управления углами установки лопастей при возрастании нагрузки выше М_ном. Сверху ступицы установлена муфта с наклонными пазами, в которых расположены ролики, соединенные с тягой непрерывного управления углами установки лопастей при уменьшении момента сопротивления нагрузки ниже М_ном. Тяга соединена с центробежным регулятором (Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 106, рис. 5.25).

Однако такая втулка имеет низкие эксплуатационную возможность и техническую эффективность, обусловленную наличием двух систем управления углами установки лопастей для регулирования частоты вращения при изменении нагрузки. Отказ одной из систем ведет к аварии всей ветросиловой установки.

Известна втулка ротора ветряного двигателя, состоящая из ступицы, в которой на подшипниках установлены цапфы осевых шарниров с узлами навески лопастей, рычагов управления шагом лопастей и Т-образной штанги, соединенной с механизмом непрерывного управления углами установки лопастей с быстрой реакцией при регулировании частоты вращения и выходной мощности. Рычаги управления шагом лопастей соединены со штангой. Снизу ступицы расположен механизм аварийной установки лопастей во флюгерное положение, включающий тягу с винтовым лазом и сухарь. (Ветроэнергетика./Под ред. Д.де Рензо, перевод с анг. под ред. Я.И. Шефтера. М.: Энергоатомиздат, 1982, с. 246, рис. 5.32).

Указанная втулка имеет пониженную эксплуатационную возможность. При наличии двух независимых систем управления углами установки лопастей одна система не может дублировать, заменить другую. Так, при отказе управления с быстрой реакцией дискретная система производит аварийную установку лопастей во флюгерное положение, т. е. выключает установку, хотя внешние условия совершенно не изменились.

Обе указанные втулки имеют весьма большой вес. Этот вес обусловлен тем, что на втулки действуют большие изгибающие моменты от лопастей. В результате требуются большие подшипники, достаточно тяжелые, а также необходимо обеспечить требуемые моменты сопротивления сечений втулки, что и влечет за собой большой вес втулки.

Известна втулка ротора ветродвигателя, состоящая из ступицы с отверстием под вал, поперечных шарниров, образованных ступицей и комлями лопастей. Для каждой лопасти поперечный шарнир, т.е. шарнир с осью, перпендикулярной оси вала и оси лопасти, расположен между осью вала и комлем лопасти, т.е. вынос поперечных шарниров прямой. Лопасти снабжены шестернями, находящимися в зацеплении друг с другом. Кроме того, лопасти соединены друг с другом пружиной (патент ФРГ N 2546884, кл. F 03 D 1/06).

Эта втулка имеет большой вес. Кроме того, на роторе с такой втулкой имеется всегда большой уровень моментов, действующих на него относительно поперечных шарниров. Этот уровень моментов можно уменьшить, применив во втулке поперечные шарниры с обратным выносом, т.е. расположением их относительно оси вала оппозитно узлу навески (крепления) лопасти, комлю лопасти. Моменты имеют место при наличии боковой обдувки ротора. В силу большого расстояния между поперечным шарниром, в несколько раз больше, чем у втулки по патенту ФРГ, и началом осевых шарниров или комлей лопастей при прежнем выносе рычага управления шагом лопасти относительно начала осевого шарнира имеет место сильное влияние на шаг лопастей движения осевого шарнира относительно поперечного шарнира. Таким образом, указанная втулка не может быть преобразована во втулку с обратным выносом поперечных шарниров.

Другие известные втулки, например втулка, приведенная в кн. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра, 2-е издание, М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 98, 99, рис. 5.17, состоящая из ступицы, цапф осевых шарниров и рычагов управления шагом лопастей, к которым жестко присоединены грузы, и силовых пружин, имеют пониженную надежность. При регулировании лопасти поворачиваются под действием центробежных сил грузов, массы лопастей и силовых пружин. Отказ системы регулирования неизбежно ведет к аварии ветросиловой установки. Кроме того, такая конструкция пригодна для роторов ветродвигателей имеющих небольшие размеры, порядка 4-6 м, и не пригодна для роторов больших диаметров (15-20 м и более), т.е. втулке присуща низкая техническая эффективность. Изобретение пригодно для роторов ветродвигателей любых размеров.

Известна втулка ветроколеса, состоящая из ступицы, установленных в ней наконечников лопастей с закрепленными на них шестернями, зубчатого колеса механизма управления лопастями и рычагов регулятора частоты вращения ветроколеса. Втулка снабжена резьбовыми стержнями по числу лопастей, имеющими в резьбовой части кольцевые проточки, и зубчатыми рейками, попарно охватывающими каждый стержень. В ступице выполнены осевые отверстия, и стержни с рейками установлены в них с возможностью перемещения (авт. св. СССР N 1226914, кл. F 03 D 11/04, 1984).

Несмотря на то, что при вращении ветроколеса на рычаг передаются управляющие воздействия непрерывного управления с быстрой реакцией, а при включенном механизме аварийной установки лопастей во флюгерное положение управление лопастями выполняется как отдельно от рычагов и механизма, так и совместно, что обеспечивает эксплуатационную надежность втулки, втулка, как и вышеприведенная, имеет большой вес. Таким образом, все четыре втулки имеют один общий недостаток - не пригодны для выполнения поперечных шарниров с обратным выносом.

Целью изобретения является уменьшение влияния на шаг лопастей их движения относительно поперечных шарниров.

Цель достигается тем, что промежуточные звенья выполнены в виде П-образных скоб, а в каждом промежуточном звене образовано продольное сверление, параллельное оси осевого шарнира, в котором на опорах установлен вал, причем на одном конце вала, расположенном у осевого шарнира, закреплен рычаг, соединенный тягой с рычагом управления шагом лопасти, а между опорами на валу закреплен рычаг, проходящий через вырез в стенке промежуточного звена и взаимодействующий с механизмом управления шагом лопасти, при этом поперечный шарнир расположен относительно оси вала оппозитно узлу навески лопасти.

В связи с тем, что при дополнительном поиске не были обнаружены аналоги с признаками, отличающими предложенное решение от прототипа, делается вывод о соответствии заявленного решения критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена втулка ротора ветродвигателя, общий вид; на фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1.

Втулка ротора ветродвигателя (фиг. 1) содержит ступицу 1 с отверстием 2 под вал, в расточках которой расположены цапфы 3 поперечных шарниров, выполненные за одно целое с промежуточными звеньями 4. Промежуточное звено выполнено П-образным. На части промежуточного звена, противоположной цапфе 3, образован продольный шарнир 5, т.е. шарнир с осью, параллельной оси отверстия 2. Продольный шарнир 5 образован двумя взаимодействующими звеньями - промежуточным звеном 4 и цапфой осевого шарнира 6. Осевой шарнир 6 снабжен узлом 7 навески лопастей. В промежуточном звене 4, в его ригеле, выполнено продольное сверление 8 с осью, параллельной оси осевого шарнира 6. В расточке 8 на опорах, одна из которых выполнена в промежуточном звене 4, а другая образована втулкой 9, расположен вал 10. На валу 10 закреплен рычаг 11 управления шагом лопасти, который пропущен через вырез в стенке промежуточного звена. На конце вала 10, расположенном у осевого шарнира 6, размещена тяга 12, взаимодействующая с осевым шарниром 6. Точка 13 подсоединения тяги 12 к осевому шарниру 6 расположена в плоскости, проходящей через ось 14 шарнира 5 и ось шарнира 6. Поперечный шарнир с цапфой 3 каждой лопасти расположен относительно оси отверстия 2 оппозитно продольному шарниру 5 и осевому шарниру 6. На валу 10 (фиг. 2) закреплен рычаг 15, а осевой шарнир 6 снабжен кронштейном 16, которые соединены между собой шарнирной тягой 12.

Работа втулки ротора ветродвигателя заключается в следующем.

При вращении центробежные силы, действующие на лопасть, через узел 7 навески лопасти передаются на осевой шарнир 6, а с него через продольный шарнир 5 эти усилия передаются на промежуточное звено 4. С промежуточного звена усилия передаются через цапфу 3 поперечного шарнира на ступицу 1 втулки. Аналогично передаются и перерезывающие силы в плоскости вращения втулки и в плоскости тяги. Моменты от сил на лопасти поворачивают ее в плоскости тяги и в плоскости вращения. При повороте лопасти в плоскости тяги осевой шарнир 6 втулки вместе с продольным шарниром 5 и промежуточным звеном 4 поворачивается относительно ступицы 1 в поперечном шарнире втулки относительно оси цапфы 3. При повороте лопасти в плоскости вращения осевой шарнир 6 поворачивается в продольном шарнире 5 относительно промежуточного звена 4. Промежуточное звено при этом остается неподвижным. Для изменения шага лопасти механизмом управления воздействуют на рычаг 11 управления шагом лопасти, который приводит во вращение вал 10. Вал 10 через рычаг 15 и тягу 12 передает движение на кронштейн 16 осевого шарнира 6. При перемещении рычага 16 узел 7 навески лопастей поворачивается относительно оси шарнира 6, изменяя углы установки лопасти. Таким образом, втулка позволяет лопасти вращаться относительно трех осей: относительно оси осевого шарнира 6 для изменения шага лопасти при управлении им, а также относительно оси, параллельной оси вращения вала втулки, и относительно оси, перпендикулярной первым двум, т.е. втулка снабжена, по - существу, тремя шарнирами: осевым - расположенным по оси лопасти, продольным - параллельным оси вращения втулки и всего ротора, поперечным - перпендикулярным осевому и продольному шарнирам. Только осевой, т.е. шарнирный момент лопасти, воспринимается втулкой. Остальные два момента - продольный и поперечный ею не воспринимаются, так как их практически на лопастях ротора, на роторе не существует. В силу того, что направление ветра практически никогда не совпадает с осью вращения втулки, с осью ротора, на втулке существуют и моменты, в частности, относительно оси, параллельной осям поперечных шарниров и проходящей через ось отверстия 2, т.е. моменты относительно поперечных шарниров. Так как вынос поперечных шарниров выполнен обратным, то величина этих моментов, действующих через втулку на ротор ветродвигателя, будет незначительной. Ось рычага 11 может проходить по оси, параллельной оси цапфы 3 и проходящей через ось отверстия 2 или расположенной между осью отверстия 2 и осью 14 продольного шарнира 5. Вместе с тем рычаг 11 может быть расположен между осью отверстия 2 и осью цапфы 3. Предельным случаем является расположение рычага 11 на оси цапфы 3. При движении лопасти, следовательно, и промежуточного звена 4 с шарниром 6 относительно поперечного шарнира углы установки лопасти не изменяются. Во всех остальных случаях при взмахе лопасти по ветру имеют уменьшение углов установки лопасти, а при взмахе лопасти на ветер - увеличение углов установки лопасти. Таким образом, колебания лопасти демпфируются аэродинамическим способом и отсутствует увеличение углов взмаха, т.е. лопасть не может войти в резонанс и разрушиться. Направление вращения втулки происходит при этом рычагами 11 впереди шарниров 6. При колебаниях лопасти относительно продольного шарнира 5 при движении лопасти по направлению вращения углы установки лопасти увеличиваются. При движении лопасти против направления вращения углы установки лопасти уменьшаются. В результате этого изменяется сопротивление лопасти, т.е. снова имеют аэродинамическое демпфирование колебаний лопасти.

Как следует из описания конструкции втулки ротора ветродвигателя и ее работы, имеется возможность уменьшить влияние на шаг лопастей движения их относительно поперечных и продольных шарниров, что позволяет обеспечить аэродинамическое демпфирование относительно этих шарниров движения лопастей. Наличие во втулке трех шарниров для каждой лопасти позволяет снизить вес втулки, т.е. повысить ее весовую отдачу в системе ротора ветродвигателя и всей ветроэнергетической установки. Все это позволяет повысить надежность втулки в работе.

Изобретение перспективно. Втулка пригодна для роторов от 250-300 Вт и более.

Использование: в ветросиловых установках. Сущность изобретения: втулка ротора ветродвигателя содержит ступицу 1 с отверстием 2 для вала, узлы крепления лопастей, соединенные посредством промежуточных звеньев 4 со ступицей. В каждом промежуточном звене выполнено продольное сквозное отверстие 8. В нем установлен вал 10 с возможностью поворота вокруг оси. Вал 10 соединен с узлом 7 крепления лопасти посредством рычага и тяги 12. 2 ил.

ВТУЛКА РОТОРА ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ, содержащая ступицу с отверстием для вала, узлы крепления лопастей, рычаги и промежуточные звенья, каждое из которых соединено одним концом со ступицей, а другим концом - с узлом крепления лопасти посредством осевого шарнира, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, она снабжена валиком и тягой, при этом в каждом промежуточном звене выполнено продольное сквозное отверстие, соосное с осевым шарниром, в котором установлен валик с возможностью его поворота вокруг его оси, соединенный с рычагом, который соединен с узлом крепления лопасти посредством тяги.