ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к установкам, преобразующим кинетическую энергию ветра в электрическую. Известен ветродвигатель [1] в котором использованы полые кронштейны (траверсы). Внутри последних на опорах установлены валы. На одном конце вала жестко закреплена лопасть, на другом механизм поворота вала вместе с лопастью. Благодаря повороту лопасти в вертикальной плоскости она из вертикального положения может принять наклонное к горизонту положение (вплоть до горизонтального). При этом уменьшается поверхность, отметаемая лопастями, и мощность ветродвигателя при одной и той же скорости ветра, чем достигается регулирование мощности ветродвигателя. Недостаток изобретения состоит в наличии отдельного механизма привода, что усложняет конструкцию и снижает ее надежность.

Известно также более простое и наиболее близкое к предлагаемому устройство (ветродвигатель) [2] содержащий вертикальный вал, полые кронштейны и размещенные в полостях кронштейнов торсионы с закрепленными на них лопастями.

Недостаток этого ветродвигателя заключается в том, что при сильном ветре эффективное аэродинамическое торможение ротора, гасящее его избыточную энергию, наблюдается, как показывают натурные эксперименты, при повороте лопастей на достаточно большой угол, достигающий 35-40^о. При этом слишком сильно (на 15-20% ) увеличивается номинальная частота вращения ротора, что ухудшает качество энергии у индивидуальных потребителей и возникают слишком большие касательные напряжения в торсионе при его скручивании, что снижает ресурс его работы и надежность ветродвигателя в целом. Следовательно изобретение не обеспечивает эффективного аэродинамического торможения при сравнительно больших углах поворота лопасти.

Цель изобретения повышение эффективности аэродинамического торможения ротора ветродвигателя при повороте лопастей.

Для этого ветродвигатель, содержащий вертикальный вал, связанные с валом полые кронштейны, торсионы, размещенные в полостях кронштейнов, и лопасти, каждая из которых жестко закреплена на внешнем конце торсиона с возможностью поворота в вертикальной плоскости относительно кронштейна, снабжен ступицей-оголовком, закрепленной на вертикальном валу, и щитками-обтекателями, каждый из которых установлен на кронштейне с возможностью поворота относительно продольной оси последнего и прикреплен к торсиону в месте закрепления его к лопасти. Причем основания кронштейнов жестко соединены со ступицей-оголовком, а свободные концы торсионов укреплены в основаниях соответствующих кронштейнов. Кроме того, каждый кронштейн снабжен шарнирным узлом, установленным в основании кронштейна, и профилированными оттяжками, каждая из которых одним концом соединена с шарнирным узлом, а другим с лопастью. При этом каждый торсион снабжен регулировочным элементом, посредством которого свободный конец торсиона укреплен в основании кронштейна.

Такое конструктивное выполнение позволяет достичь поставленную цель, поскольку при повороте лопасти поворачивается конец торсиона, на котором она установлена, а также соединенный с этим концом щиток-обтекатель. Благодаря повороту щитка-обтекателя увеличивается аэродинамическое торможение ротора ветродвигателя и соответственно уменьшается необходимый для эффективного торможения угол поворота лопасти по сравнению со случаем, когда в равных условиях поворотный щиток-обтекатель отсутствует.

На фиг. 1 и 2 изображен ветродвигатель (разрез) в составе ветроэнергетической установки с генератором (общий вид); на фиг.3 вид лопасти со щитком-обтекателем (разрез) при различных положениях лопасти (вертикальное и наклонное под углом α ); на фиг.4 приведены характерные зависимости моментов упругих М_т и центробежных сил М_ц, действующих на торсион и лопасти при различных значениях углам поворота α и частоте вращения n ротора ветродвигателя.

Ветродвигатель содержит вертикальный вал 1, полые кронштейны 2, например, в виде труб круглого сечения, лопасти 3. Каждая лопасть 3 установлена с возможностью поворота в вертикальной плоскости относительно оси вращения, совпадающей с продольной осевой линией 4 соответствующего кронштейна 2. Для этого в полостях "а" кронштейнов 2 размещены торсионы 5. На одном из концов каждого торсиона 5 закреплена лопасть 3, а опора этого конца торсиона 5 на соответствующий конец кронштейна 2 выполнена, например, в виде подшипника скольжения 6, установленного в полости "а". Ветродвигатель снабжен ступицей-оголовком 7, смонтированной на валу 1. Ветродвигатель снабжен также по меньшей мере одним щитком-обтекателем 8, установленным на кронштейне 2 с возможностью поворота относительно его продольной оси 4, для чего на кронштейне устанавливается подшипник скольжения 9. Оставшаяся часть кронштейна круглого сечения закрывается обтекателем 10. Каждый кронштейн 2 закреплен на ступице-оголовке 7. Свободный конец торсиона 5 закреплен на кронштейне 2 в его основании. Шток-обтекатель 8 жестко связан с торсионом 5 в месте крепления лопасти 3, например, посредством торцевого соединительного элемента 11.

В варианте исполнения ветродвигатель снабжен шарнирными узлами 12, установленными в основании кронштейна 2. В качестве примера показано выполнение шарнирного узла 12 в виде радиально-упорного подшипника, заключенного в обойму. Лопасти 3 связаны с шарнирными узлами 12 (с обоймами подшипников) посредством вантовых оттяжек 13 (профилированных).

В варианте выполнения крепление второго конца торсиона 5 к кронштейну 2 осуществляется с помощью регулировочного элемента 14.

Вал 1 установлен в подшипниковых опорах стойки 15 и соединен, например, с электрическим генератором 16.

Ветродвигатель работает следующим образом.

В исходном положении при отсутствии ветра ветроколесо неподвижно, а лопасти 3 расположены вертикально. В диапазоне рабочих скоростей ветра, начиная с некоторого значения скорости ветра, ветродвигатель при отсутствии нагрузки у потребителя самозапускается. При этом лопасти 3 начинают под действием ветра двигаться по окружности постепенно ускоряя свое движение возможен и принудительный запуск. Лопасти 3 через кронштейны 2 и оголовок 7 приводят во вращение вал 1 и генератор 16. Когда частота n вращения ротора превысит некоторую минимальную величину, включается потребитель, получающий энергию от генератора 16. Возможны различные варианты исполнения электрической части машины, позволяющие ветроагрегату, в зависимости от нагрузки потребителя и скорости ветра, работать либо с переменной, либо с постоянной частотой вращения ротора, не превышающей однако некоторой расчетной величины n_р. Если n <n_р, то лопасти 3 находятся в вертикальном положении, и ветродвигатель работает с максимально возможным для его конструкции коэффициентом использования энергии ветра.

В некоторых случаях, например, при достаточно большой скорости ветра может оказаться, что в рабочем режиме при частоте вращения ротора n=n_р мощность ветродвигателя превышает мощность нагрузки, подключенной к генератору 16. Подобная ситуация может возникнуть не только в рабочем режиме, но и в случае аварийного отключения потребителя, выхода из строя генераторам и т.п. Тогда ротор ветродвигателя начинает увеличивать частоту вращения сверх n_р. При n>n_р срабатывает система аэродинамического торможения ротора. Под действием центробежных сил лопасти 3 начинают отклоняться от вертикального положения на некоторый угол α Поворот лопасти 3 вызывает закручивание конца торсиона 5, на котором она установлена, а вместе с ним и поворот на угол α жестко связанного с этим концом щитка-обтекателя 8.

Аэродинамическое сопротивление лопастей 3, вращающихся в наклонном положении, увеличивается по сравнению с вертикальным положением, а тянущая сила, действующая на лопасть 3 со стороны ветра, соответственно падает. Аэродинамическое торможение ротора дополнительно возрастает за счет щитков-обтекателей 8, которые после поворота устанавливаются к набегающему нам них воздушному потоку под углом α атаки. Рост частоты вращения ротора n>n_р прекращается при достижении некоторого угла α поворота, при котором полезная мощность ротора с учетом всех аэродинамических и прочих потерь, становится равной мощности потребителя (отключение потребителя означает, что его мощность равна нулю). Благодаря наличию дополнительного аэродинамического сопротивления щитков-обтекателей 8 эффективность торможения ротора увеличивается, т. е. максимальный угол поворота α становится существенно меньшим по сравнению с аналогичной ситуацией в отсутствие этих щитков (аэродинамическое торможение только лопастями 3). Соответственно меньшим оказывается превышение оборотов n над расчетными оборотами n_р, поскольку в данной конструкции при n>n_р угол поворота α связан прямой зависимостью с оборотами n. Когда ветер ослабевает или увеличивается нагрузка у потребителя обороты n ротора снижаются и становятся меньшими n_р. В этом случае центробежные силы, действующие на лопасти 3 и вызывающие их поворот на угол α уменьшаются, а упругие силы торсионов 5 возвращают лопасти 3 в их исходное вертикальное положение.

На фиг. 3 представлена характерная зависимость моментов упругих сил М_т торсиона 5 от угла поворота α его конца, на котором закреплена лопасть 3, и зависимость моментов центробежных сил М_ц, действующих на лопасть 3 также от угла α наклона лопасти и при различной частоте n вращения ротора.

Как видно из фиг.3 при α0 (вертикальное положение лопасти) при любых n М_ц= М_т= 0, т.е. торсион не нагружен, а на лопасть не действуют никакие центробежные силы, способные ее повернуть вокруг оси торсиона 5. Однако в вертикальном положении лопасть 3 находится в состоянии неустойчивого равновесия отклонение (поворот) лопасти на любой небольшой угол α ≠0, что всегда имеет место в действительности, приводит к появлению момента центробежных сил, стремящегося повернуть лопасть на еще больший угол α Этому, однако, препятствуют упругие силы торсиона 5. Максимальный момент от центробежных сил имеет место при α45^о. При α90^о (горизонтальное положение лопасти) М_ц=0, и лопасть под действием только центробежных сил находится в состоянии устойчивого равновесия (при α <90 ^о появляется момент центробежных сил, возвращающих лопасть 3 в горизонтальное положение). Для того, чтобы с ростом n поворот лопасти из вертикального положения в наклонное с углом α наклона начинался именно при n= n_р, соответствующим образом выбирается жесткость торсиона, которая зависит от его длины, размеров поперечного сечения и материала. Регулировочный элемент 14, связывающий второй конец торсиона с основанием кронштейна 2 предназначен для точной регулировки жесткости торсиона, а также более точной установки лопасти в исходное вертикальное положение. Жесткость торсиона 5 может регулироваться, например, путем небольшого изменения его рабочей длины путем изменения положения места соединения регулировочного элемента 14 с торсионом 5. Регулировка начального угла установки α0 достигается поворотом регулировочного элемента 14 вместе с торсионом 5 и лопастью 3 с последующей фиксацией регулировочного элемента 14 в выбранном положении. Все регулировки проводятся до начала работы ветродвигателя.

Если лопасти 3 снабжаются для увеличения их несущей способности вантовыми оттяжками 13, то при повороте лопастей на угол α происходит деформация и перемещение оттяжек 13. При этом надежность крепления оттяжек в основании кронштейнов 2 увеличивается благодаря шарнирным элементам 12. На фиг.1 при повороте лопастей 3 с помощью оттяжек 13 поворачиваются точки их крепления в основании кронштейнов. При α0 благодаря аэродинамической форме профиля оттяжек 13 их сопротивление незначительное. При повороте на <α > 0 аэродинамическое сопротивление оттяжек 13 возрастает, что помогает торможению ротора.

Использование: в ветроэнергетике, в частности в ветроагрегатах с вертикальной осью вращения и их системах автоматического регулирования. Сущность изобретения: ветродвигатель с вертикальным валом снабжен торсионами, размещенными в полостях кронштейнов, связанных с валом, лопастями, жестко закрепленными на внешних концах торсионов с возможностью поворота в вертикальной плоскости, ступицей-оголовком и щитками-обтекателями. Каждый щиток-обтекатель установлен на кронштейне с возможностью поворота относительно продольной оси последнего и прикреплен к торсиону в месте крепления его к лопасти. Основания кронштейнов жестко соединены со ступицей-оголовком, а свободные концы торсионов укреплены в основаниях соответствующих кронштейнов. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий вертикальный вал, связанные с валом полые кронштейны, торсионы, размещенные в полостях кронштейнов, и лопасти, каждая из которых жестко закреплена на внешнем конце торсиона с возможностью поворота в вертикальной плоскости относительно кронштейна, отличающийся тем, что ветродвигатель снабжен ступицей-оголовком, закрепленной на вертикальном валу, и щитками-обтекателями, каждый из которых установлен на кронштейне с возможностью поворота относительно продольной оси последнего и прикреплен к торсиону в месте крепления его к лопасти, причем основания кронштейнов жестко соединены со ступицей-оголовком, а свободные концы торсионов закреплены в основаниях соответствующих кронштейнов. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый кронштейн снабжен шарнирным узлом, установленным в основании кронштейна, и профилированными оттяжками, каждая из которых одним концом соединена с шарнирным узлом, а другим с лопастью. 3. Ветродвигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что каждый торсион снабжен регулировочным элементом, с помощью которого свободный конец торсиона закреплен в основании кронштейна.