РОТОР ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК F03D7/06 F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических агрегатах с вертикальной осью вращения ротора.

Известен ротор ветродвигателя, содержащий вертикальный вал с закрепленными траверсами, вертикальные лопасти, установленные на концах траверс, и механизм управления.

В этом роторе ветродвигателя для ограничения и регулирования частоты вращения лопасти выполнены с возможностью их складывания, траверсы выполнены подвижными с подпружиненными телескопическими рычагами, а соединение траверс с центральным несущим узлом и лопастями шарнирным.

Такое техническое решение усложняет конструкцию механизма регулирования, ротора в целом и снижает его надежность, так как роли чувствительного элемента центробежного регулятора и исполнительного механизма играют основные части ротора лопасти и несущие их элементы. Большая масса этих элементов обусловливает возникновение во всех шарнирах и в телескопических рычагах значительных нагрузок в поле центростремительного ускорения и, соответственно, требует наличия пружин, рассчитанных на большие усилия. Пропорциональные нагрузкам силы трения снижают чувствительность регулятора и увеличивают явление гистерезиса различия зависимостей величины "складывания" лопастей от частоты вращения ротора при ее нарастании и убывании. Кроме того, характеристики пружин под нагрузкой нестабильны во времени, что изменяет характеристику регулятора.

Цель изобретения повышение надежности работы, упрощение конструкции ротора и увеличение чувствительности механизма регулирования частоты вращения. Одновременно уменьшается гистерезис характеристики регулятора и обеспечивается ее стабильность.

Цель достигается тем, что в известном роторе ветродвигателя, содержащем вертикальный вал с закрепленными траверсами, вертикальные лопасти, и механизм управления, лопасти выполнены полыми крыльевого профиля, каждая лопасть снабжена продольной прорезью, расположенной на внешней поверхности лопасти, и по меньшей мере одним тормозным щитком с валиком, тормозной щиток размещен в полости лопасти и установлен на валике с возможностью перемещения в продольной прорези, механизм управления состоит из вертикальной направляющей, противовеса, установленного с возможностью осевого перемещения вдоль направляющей, и тяги, шарнирно соединенной одним концом с тормозным щитком, а другим с противовесом.

Кроме того, тормозной щиток выполнен в виде прямоугольной пластины и установлен на валике со смещением центра симметрии относительно оси последнего вверх и к оси ротора. Продольная прорезь расположена на относительном расстоянии 0,45-0,5 по хорде профиля лопасти от ее передней кромки. Каждая лопасть снабжена по меньшей мере двумя тормозными щитками, размещенными друг над другом, а механизм управления снабжен синхронизатором, выполненным в виде дополнительной тяги, шарнирно соединенной с каждым из тормозных щитков.

В роторе ветродвигателя согласно изобретению чувствительный и одновременно исполнительный элемент тормозной щиток, его поворот под действием центробежной силы при превышении допустимой частоты вращения ротора обеспечивает уменьшение полезной мощности вследствие увеличения аэродинамического сопротивления. Размеры (площадь) тормозного щитка могут быть на порядок меньше, чем лопасти, что вместе с его относительно небольшой нагруженностью в поле центробежных сил определяет небольшую массу.

Выполнение щитка в виде прямоугольной пластины упрощает его изготовление и расположение центра тяжести выше оси поворота за счет смещения центра симметрии пластины относительно оси валика вверх и к оси ротора.

Расположение продольной прорези на относительном расстоянии х/b 0,45-0,5 по хорде профиля лопасти от ее передней кромки обеспечивает минимальное аэродинамическое сопротивление от прорези при убранном щитке и максимальную эффективность выдвинутого тормозного щитка требуемую силу сопротивления при минимальных размерах.

При ограничениях на размеры одного тормозного щитка можно увеличивать требуемую силу сопротивления путем снабжения каждой лопасти по меньшей мере двумя тормозными щитками, размещенными друг над другом, а механизм управления снабжать синхронизатором, выполненным в виде дополнительной тяги, шарнирно соединенной с каждым из тормозных щитков.

Дополнительная тяга синхронизирует перемещение щитков и обеспечивает возможность использовать один общий противовес. Количество соединенных в одну систему щитков может быть увеличено.

На фиг. 1 представлен общий вид ротора ветродвигателя; на фиг. 2 вид А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 вид В на фиг. 3.

Ротор ветродвигателя содержит вертикальный вал 1 с закрепленными траверсами 2, вертикальные лопасти 3, установленные на концах траверс 2, и механизм управления. Лопасти 3 выполнены полыми крыльевого профиля, каждая лопасть 3 снабжена продольной прорезью 4, расположенной на внешней поверхности 5 лопасти 3, и по меньшей мере одним тормозным щитком 6 с валиком 7. Тормозной щиток 6 размещен в полости 8 лопасти 3 и установлен на валике 7 с возможностью перемещения в продольной прорези 4. Механизм управления состоит из вертикальной направляющей 9, противовеса 10, установленного с возможностью осевого перемещения вдоль направляющей 9, и тяги 11, шарнирно соединенной одним концом посредством шарнира 12 с тормозным щитком 6, а другим посредством шарнира 13 с противовесом 10. Шарнир 12 тяги 11 смещен относительно оси валика 7 вниз и к оси ротора. Тормозной щиток 6 выполнен в виде прямоугольной пластины и установлен на валике 7 со смещением ее центра симметрии относительно оси валика 7 вверх и к оси ротора. Продольная прорезь 4 расположена на относительном расстоянии 0,45-0,5 по хорде 14 профиля лопасти 3 от ее передней кромки 15. Каждая лопасть 3 снабжена по меньшей мере двумя тормозными щитками 6 и 16, размещенными друг над другом, а механизм управления снабжен синхронизатором, выполненным в виде дополнительной тяги 17, соединенной шарнирами 12 и 18 с каждым из тормозных щитков 6 и 16.

Каждый дополнительный щиток 16 снабжен своим валиком 19, на котором он установлен с возможностью перемещения в прорези 4.

Для уменьшения трения противовес 10 снабжен установленными на нем с возможностью вращения роликами 20.

Ротор ветродвигателя работает следующим образом.

При движении потока воздуха с достаточной скоростью через ротор на лопастях 3 возникают аэродинамические силы, результирующая которых дает крутящий момент, передаваемый через траверсы 2 на вал 1 и далее на преобразователь энергии (не показан).

Пока мощность преобразователя энергии соответствует мощности аэродинамических сил на роторе, частота вращения последнего ограничивается системой регулирования потребляемой (через преобразователь) мощности и не превышает заданной. При этом возникающая на каждом тормозном щитке 6 и 16 центробежная сила вызывает воздействие на него крутящего момента, направленного наружу, величина которого недостаточна для того, чтобы преодолеть момент от сил веса тормозных щитков 6 и 16 и противовеса 10. Тормозные щитки 6 и 16 находятся в убранном положении внутри полости 10, их сопротивление отсутствует, вредное действие продольной прорези 4, расположенной по хорде профиля лопасти 14 на 0,45-0,5, минимально, и создаются условия для наилучшего использования энергии воздушного потока.

В случае превышения мощности ротора над возможностями ее использования потребителями частота вращения увеличивается до величины, превышающей допустимое значение. При этом центробежная сила на тормозных щитках 6 и 16 возрастает и вызываемый ею крутящий момент превышает величину описанных ранее противодействующих моментов от сил веса тормозных щитков 6 и 16 и противовеса 10. Тормозные щитки 6 и 16 начинают отклоняться наружу, выдвигаются из продольной прорези 4, и в соответствии с их поворотом увеличивается аэродинамическая сила сопротивления, что приводит к уменьшению мощности ротора до величины, соответствующей уровню потребления энергии в данный момент.

Следует отметить, что при повороте тормозных щитков 6 и 16 на валиках 7 и 19 не возникает момент вращения от аэродинамической силы, поскольку сила аэродинамического давления действует перпендикулярно поверхности тормозных щитков 6 и 16 и, следовательно, плоскости их поворота. Это облегчает точную настройку момента начала поворота тормозных щитков 6 и 16 на определенную частоту и обеспечивает независимость настройки механизма управления от плотности воздуха.

Возможность совместной установки нескольких тормозных щитков 6 и 16 с общим противовесом 10 облегчает решение задачи торможения относительно тонких профилей, когда размеры одного тормозного щитка 6 недостаточны для получения необходимой силы сопротивления.

Использование изобретения позволит не только предотвратить разнос ротора в аварийной ситуации, но и ограничить частоту вращения ротора при длительных режимах частичной нагрузки ветродвигателя и при слишком сильных ветрах.

Использование: ветроэнергетика, ветроэнергетические агрегаты с вертикальной осью вращения ротора. Сущность изобретения: ротор ветродвигателя содержит вертикальный вал 1, вертикальные полые лопасти 3 крыльевого профиля, соединенные с валом 1 траверсами 2, и механизм управления. Каждая лопасть снабжена продольной прорезью 4 и тормозным щитком. Тормозной щиток размещен в полости лопасти 3 и установлен на валике с возможностью перемещения в продольной прорези 4 под действием центробежной силы при превышении допустимой частоты вращения ротора. Предусмотрено снабжение лопасти 3 несколькими тормозными щитками, а механизма управления синхронизатором, выполненным в виде дополнительной тяги, соединенной шарнирами с каждым тормозным щитком. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. РОТОР ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ, содержащий вертикальный вал с закрепленными траверсами, вертикальные лопасти, установленные на концах траверс, и механизм управления, отличающийся тем, что лопасти выполнены полыми крыльевого профиля, каждая лопасть снабжена продольной прорезью, расположенной на внешней поверхности лопасти и по меньшей мере одним тормозным щитком с валиком, тормозной щиток размещен в полости лопасти и установлен на валике с возможностью перемещения в прдольной прорези, механизм управления состоит из вертикальной направляющей, противовеса, установленного с возможностью осевого перемещения вдоль направляющей, и тяги, шарнирно соединенной одним концом с тормозным щитком, а другим с противовесом. 2. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что тормозной щиток выполнен в виде прямоугольной пластины и установлен на валике со смещением центра симметрии относительно оси последнего вверх и к оси ротора. 3. Ротор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что продольная прорезь расположена на относительном расстоянии 0,45-0,5 по хорде профиля лопасти от ее передней кромки. 4. Ротор по пп. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что каждая лопасть снабжена по меньшей мере двумя тормозными щитками, размещенными друг над другом, а механизм управления снабжен синхронизатором, выполненным в виде дополнительной тяги, шарнирно соединенной с каждым из тормозных щитков.