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, центральный несущий узел, связанный с вертикальными лопастями нижними и верхними траверсами, и механизм управления.

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

Такое техническое решение усложняет конструкцию механизма управления, ротора в целом и снижает его надежность, так как роль 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. Соответствующие этим 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, так что нестабильной будет и характеристика регулятора.

Цель изобретения повышение надежности pаботы, упрощение конструкции ротора и увеличение чувствительности механизма регулирования частоты вращения при одновременном уменьшении "гистерезиса" характеристики регулятора и обеспечении ее стабильности.

Указанный технический результат (цель) достигается тем, что в известном роторе ветродвигателя, содержащем вертикальный вал с центральным несущим узлом, вертикальные лопасти, нижние и верхние траверсы, связывающие центральный узел с лопастями и механизм управления, траверсы каждой из лопастей выполнены в виде полых балок аэродинамического симметричного профиля, расположенных в вертикальной плоскости под углом друг к другу и сходящихся к центральному несущему узлу, каждая нижняя балка жестко соединена посредством валика с лопастью, механизм управления состоит из установленного на валике тормозного щитка аэродинамического профиля с закрепленным на нем рычагом, расположенного в полости нижней балки вала управления с закрепленными на его концах внешним и внутренним рычагами, тяги тормозного щитка, шарнирно соединенной одним концом с рычагом тормозного щитка, а другим с внешним рычагом вала управления, размещенных в центральном несущем узле груза с направляющей, установленной по оси вертикального вала ротора, и тяг, каждая из которых шарнирно присоединена одним концом к внутреннему рычагу вала управления, а другим к грузу, при этом груз установлен с возможностью осевого перемещения вдоль направляющей, а ось вала управления расположена со смещением относительно оси валика в сторону задней кромки нижней балки.

Кроме того, каждая нижняя балка снабжена упором, закрепленным на торцевой поверхности нижней балки у задней кромки и взаимодействующим с нижней поверхностью тормозного щитка. Каждый тормозной щиток снабжен кронштейном с противовесом. Противовес установлен на кронштейне с возможностью его осевого перемещения вдоль последнего и фиксации.

В роторе ветродвигателя чувствительный и одновременно исполнительный элемент тормозной щиток его повернут 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.

Наклон балки, на конце которой (на валике) установлен тормозной щиток, с одной стороны обеспечивает наличие составляющей от центробежной силы, направленной на поворот тормозного щитка наружу вверх, а с другой уменьшает ее значение по сравнению с полной центробежной силой (при вертикальной оси поворота).

Расположение тормозного щитка на нижней балке обусловливает взаимную противоположность составляющих центробежной силы и силы веса тормозного щитка, направленных на его поворот. Таким образом обеспечивается уменьшение величины начального момента, необходимого для удержания тормозного щитка от поворота до достижения заданной частоты вращения ротора.

Дополнительный крутящий момент, необходимый для удержания тормозного щитка от поворота наружу, и соответственно предотвращения торможения до достижения заданной частоты вращения ротора обеспечивается за счет силы веса груза, размещенного в центральном несущем узле и установленного на направляющей с возможностью вертикального перемещения вдоль оси ротора. Усилие от груза преобразуется в крутящий момент через систему рычагов и вал управления, расположенный в полости нижней балки. Применение груза вместо пружины обеспечивает стабильность характеристики регулятора.

Использование управляющего вала, расположенного в полости нижней балки со смещением относительно оси валика в сторону задней кромки нижней балки, внешнего и внутреннего рычагов, закрепленных на управляющем валу, рычага, закрепленного на тормозном щитке, и тяг, шарнирно соединяющих рычаги управляющего вала с рычагом тормозного щитка и с грузом в центральном узле, позволяет путем подбора начальных углов установки рычагов, соотношения их длин и длин тяг получить устойчивую регулировочную характеристику тормозного щитка по всем рабочем диапазоне углов поворота.

Каждая нижняя балка снабжена упором, закрепленным на ее торцевой поверхности и взаимодействующим с нижней поверхностью тормозного щитка, ограничивая возможность его поворота внутрь-вниз под действием моментов от сил веса самого тормозного щитка, противовеса на кронштейне и груза в центральном несущем узле при частоте вращения ротора, меньшей заданной.

Для увеличения крутящего момента от действия центробежных сил на тормозном щитке и оптимизации его зависимости от угла поворота путем увеличения действующей массы и смещения ее центра от плоскости симметрии тормозного щитка он снабжен кронштейном с противовесом. Точная регулировка положения центра масс тормозного щитка и противовеса обеспечивается осевым перемещением противовеса вдоль кронштейна с последующей фиксацией. Для увеличения крутящего момента при больших углах поворота тормозного щитка кронштейн установлен на нижней поверхности.

На фиг.1 представлен ветродвигатель, общий вид. на фиг.2 вид по стрелке А на фиг.1.

Ротор 1 ветродвигателя содержит вертикальный вал 2, центральный несущий узел 3, вертикальные лопасти 4, верхние и нижние траверсы 5,6, которые связывают центральный узел 3 с лопастями 4 и механизм управления.

Траверсы 5,6 каждой из лопастей выполнены в виде полых балок аэродинамического симметричного профиля. Балки 5, 6 расположены в вертикальной плоскости под углом друг к другу и сходятся к центральному несущему узлу 3. Каждая нижняя балка (траверса) 6 жестко соединена свободным концом посредством валика 7 с лопастью 4. Механизм управления состоит из тормозного щитка 8 аэродинамического симметричного профиля, установленного на валике 7, вала управления 9, расположенного в полости нижней балки 6, тяги 10 тормозного щитка 8, груза 1 с направляющей 12, установленной по оси вертикального вала 2, и тяг 13. Груз 11 с направляющей 12 и тяги 13 размещены в центральном несущем узле 3.Груз 11 установлен с возможностью осевого перемещения вдоль направляющей 12. На тормозном щитке 8 закреплен рычаг 14. На концах вала управления 9 закреплены внешний и внутренний рычаги 15, 16. Тяга 10 шарнирно соединена одним концом с рычагом 14 тормозного щитка 8, а другим с внешним рычагом 15 вала управления 9. Каждая из тяг 13 шарнирно присоединена одним концом к внутреннему рычагу 16 вала управления 9, а другим к грузу 11. Ось вала управления 9 расположена в полости нижней балки 6 со смещением относительно оси валика 7 тормозного щитка 3 в сторону задней кромки нижней балки 6. Каждая нижняя балка 6 снабжена упором 17, закрепленным на торцевой поверхности нижней балки у задней кромки и взаимодействующим с нижней поверхностью тормозного щитка 8. Каждый тормозной щиток 8 снабжен кронштейном 18 с противовесом 19. Противовес 19 установлен на кронштейн 18 с возможностью его осевого перемещения вдоль оси последнего и фиксации.

Ротор ветродвигателя работает следующим образом.

При движении потока воздуха с достаточной скоростью через ротор 1 на лопастях 4 возникают аэродинамические силы, результирующая которых дает крутящий момент, передаваемый через траверсы 5,6 на вал 2 и далее на преобразователь энергии (не показан).

Пока мощность преобразователя энергии соответствует мощности аэродинамических сил на роторе 1, частота вращения последнего ограничивается системой регулирования потребляемой (через преобразователь) мощности и не превышает заданной. При этом возникающая на каждом тормозном щитке 8 центробежная сила вызывает воздействие на него крутящего момента, направленного наружу вверх, величина которого недостаточна для того, чтобы преодолеть момент от сил веса тормозного щитка 8 и противовеса 19 и момент вращения, передаваемый на него от действия веса груза 11 через тягу 13, внутренний рычаг 16 вала управления 9, собственно вал управления 9, внешний его рычаг 15, тягу 10 и рычаг 14 тормозного щитка 8. Тормозной щиток 8 находится в положении взаимодействия с упором 17, когда его аэродинамическое сопротивление минимально и создаются условия для максимального использования энергии воздушного потока.

В случае превышения мощности ротора 1 возможностей ее использования потребителями частота вращения увеличивается до величины, превышающей допустимое значение. При этом центробежная сила на тормозном щитке 8 возрастает и вызываемый ею крутящий момент превышает величину описанных ранее противодействующих моментов от сил веса тормозного щитка 8 и груза 11. Тормозной щиток 8 начинает отклоняться вверх наружу и в соответствии с его 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 тормозного щитка 8 возникает момент кручения от аэродинамической силы, препятствующей увеличению угла поворота, поскольку центр аэродинамического давления расположен позади оси валика 9. Противодействующий аэродинамический момент увеличивается при повороте тормозного щитка 8 сначала (до угла 13^о к плоскости вращения) за счет увеличения аэродинамической подъемной силы, а затем в основном за счет смещения центра аэродинамического давления к середине профиля тормозного щитка 8. Для увеличения мощности сопротивления тормозного щитка 8 нужно большее его отклонение, а для преодоления соответственно увеличения противодействия аэродинамического момента требуется дополнительное повышение частоты вращения ротора 1. Это обеспечивает устойчивую характеристику регулятора за счет обратной связи.

Четкая фиксация положения тормозного щитка 8, в котором аэродинамические потери минимальны, обеспечивается при частоте вращения ротора 1, меньшей заданной взаимодействием нижней поверхности тормозного щитка 8 с упором 17, закрепленным на торцевой поверхности нижней балки 6.Тем самым предотвращается отклонение тормозного щитка 8 вниз и увеличение аэродинамического сопротивления на режимах, когда необходима избыточная мощность для повышения частоты вращения ротора 1 до заданного значения.

Для увеличения крутящего момента от центробежных сил на тормозном щитке 8 и оптимизации его зависимости от угла поворота на нем закреплен кронштейн 18 с противовесом 19. Противовес 19 установлен на кронштейне 18 с возможностью перемещения и фиксации для точной настройки тормозного устройства на заданную частоту вращения ротора 1.

Так как при повороте тормозного щитка 8 вначале аэродинамическое сопротивление растет замедленно, целесообразно, чтобы взаимодействие нижней поверхности тормозного щитка 8 с упором 17 на нижней балке 6 имело место при положении плоскости симметрии тормозного щитка 8, отклоненном от горизонтального у задней кромки на 4-5^о вверх. Это незначительно увеличивает начальное аэродинамическое сопротивление, но зато повышает остроту реакции регулятора на увеличение частоты вращения ротора 1 в начале диапазона регулирования.

Для увеличения крутящего момента при больших углах поворота тормозного щитка 8 кронштейн 18 установлен на нижней поверхности. Направленность кронштейна 18 вниз от плоскости симметрии тормозного щитка 8 смещает в этом же направлении центр тяжести, так что в области больших углов поворота тормозного щитка плечо центробежной силы увеличивается.

Внутренний рычаг 16 вала управления 9 крепится на его конце в положении, близком к горизонтальному при взаимодействии тормозного щитка 8 с упором 17 на нижней траверсе 6, чтобы по мере поворота тормозного щитка 8 и соответственно внутреннего рычага 16 уменьшалось плечо действия силы веса груза 11 в центральном узле 3 и соответствующий крутящий момент, противодействующий повороту тормозного щитка 8. Это позволяет увеличить чувствительность регулятора и сократить величину превышения частоты вращения ротора 1, необходимую для поворота тормозного щитка 8 на угол, достаточный для гашения всей мощности ротора 1.

Использование изобретения позволяет 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, ветроагрегаты с вертикальной осью вращения. Сущность изобретения: ротор 1 ветродвигателя содержит вертикальный вал 2, центральный несущий узел 3, вертикальные лопасти 4, верхние и нижние траверсы 5, 6, которые связывают центральный несущий узел 3 с лопастями 4, и механизм управления. Траверсы 5, 6 каждой из лопастей 4 выполнены в виде полых балок аэродинамического симметричного профиля. Балки 5, 6 расположены в вертикальной плоскости под углом друг к другу. Каждая нижняя балка траверсы 6 жестко соединена свободным концом посредством валика 7 с лопастью 4. Механизм управления состоит из тормозного щитка 8 аэродинамического симметричного профиля, установленного на валике 7, вала управления 9, расположенного в полости нижней балки 6, тяги 10 тормозного щитка 8, груза 11 с направляющей 12, установленной по оси вертикального вала 2, и тяг 13. Груз 11 с направляющей 12 и тяги 13 размещены в центральном несущем узле 3. Предусмотрена установка на нижней балке 6 упора 17, закрепленного на ее торцевой поверхности, а также установка на тормозном щитке 8 кронштейна с противовесом. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

РОТОР ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ, содержащий вертикальный вал с центральным несущим узлом, вертикальные лопасти, верхние и нижние траверсы, связывающие центральный несущий узел с лопастями, и механизм управления, отличающийся тем, что траверсы каждой из лопастей выполнены в виде полых балок аэродинамического профиля, расположенных в вертикальной плоскости под углом одна к другой и сходящихся к центральному несущему узлу, каждая нижняя балка жестко соединена свободным концом посредством валика с лопастью, а механизм управления состоит из установленного на валике тормозного щитка аэродинамического симметричного профиля с закрепленным на нем рычагом, расположенного в полости нижней балки вала управления с закрепленными на его концах внешним и внутренним рычагами, тяги тормозного щитка, шарнирно соединенной одним концом с рычагом тормозного щитка, а другим с внешним рычагом вала управления, размещенных в центральном несущем узле груза с направляющей, установленной по оси вертикального вала ротора, и тяг, каждая из которых шарнирно присоединена одним концом к внутреннему рычагу вала управления, а другим к грузу, при этом груз установлен с возможностью осевого перемещения вдоль направляющей, а ось вала управления расположена со смещением относительно оси валика в сторону задней кромки нижней балки.