ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F03D7/06 F03D3/00 

Изобретение относится к ветротехнике, в частности к конструкциям ветроприемных устройств, обеспечивающих оптимальный угол разворота лопастей по отношению к направлению ветрового потока.

Известна конструкция ветродвигателя с ветроколесом, содержащим установленные на вертикальной оси и выполненные с возможностью поворота лопасти, механизм поворота лопастей, представляющий собой приводное устройство типа виндроз, механическая энергия которого через редуктор, двухступенчатую шестерню и промежуточное звено передается на шестерни лопастей ветроколеса для установки их под оптимальным углом к набегающему ветровому потоку [1].

Известное устройство характеризуется невысоким коэффициентом использования энергии ветра, содержит сложную и технологически трудновыполнимую конструкцию механизма ориентирования ветроколеса и механизма разворота лопастей.

Известна конструкция ветродвигателя, включающая ветроколесо в виде установленного на вертикальном валу каркаса с лопастями, установленными с возможностью поворота в горизонтальной плоскости и кинематически связанными с механизмом разворота лопастей и механизмом ориентирования ветроколеса, представляющим собой флюгер, размещенный в средней части поворотной трубы, связанной с осью вращения ветроколеса [2]. По сравнению с вышеприведенным аналогом [1] данная конструкция менее сложна и более технологична, однако не позволяет обеспечить высокий коэффициент использования энергии ветра, особенно в условиях малых ветровых нагрузок, недостаточно надежна в работе.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и выбранным в качестве прототипа, является ветродвигатель, содержащий ветроприемное устройство, выполненное в виде ветроколеса, установленного с возможностью вращения вокруг неподвижной вертикальной оси и снабженного лопастями с плоскостями, установленными на валах с возможностью вращения вокруг собственных вертикальных осей и размещенными на концах радиальных штанг, соединяющих ступицу ветроколеса с подшипниковыми опорами валов, роликовый механизм разворота лопастей в зависимости от угла поворота ветроколеса, механизм ориентирования ветроприемного устройства по отношению к направлению ветрового потока [3].

Роликовый механизм разворота лопастей содержит установленные на кронштейнах лопастей ролики, катящиеся по направляющим желобам горизонтальной поворотной платформы. Форма и расположение направляющих желобов обеспечивают необходимый разворот лопастей в зависимости от угла поворота ветроколеса. Ориентирование ветроприемного устройства относительно направления ветрового потока осуществляется путем поворота платформы вокруг оси ветроколеса.

Данная конструкция обеспечивает удовлетворительное значение коэффициента использования энергии ветра, позволяет устанавливать лопасти любой конструкции. Однако данное техническое решение не способно устранить целый ряд негативных особенностей, присущих в разной степени большинству известных конструкций ветроприемных устройств. К их числу следует отнести:
- плавное установление угла атаки лопасти на большой дуге поворота ветроколеса из-за необходимости обеспечения безударной работы механизма разворота лопастей, вследствие чего невозможно достижение высокого коэффициента использования энергии ветра;
- поворотная платформа в конструкции прототипа не может иметь диаметр меньше, чем диаметр окружности, описываемой кронштейнами лопастей, что делает невозможным решение задачи о компактности устройства ветроколеса, уменьшении его массы и облегчении работ механизма ориентирования;
- конструкция прототипа предусматривает необходимость обеспечения высокой жесткости радиальных штанг во избежание возможного заклинивания роликов в направляющих желобах;
- применение роликового механизма разворота лопастей снижает коэффициент использования энергии ветра из-за неизбежного значительного трения пары ролик - направляющий желоб, большого веса конструкции, зависимости поворотного усилия от малейшего перекоса деталей механизма;
- конструкция ветроколеса не предусматривает защиты от поломок лопастей при превышении допустимой ветровой нагрузки, защиты от атмосферных осадков, особенно в зимний период работы (намерзания льда на направляющих желобах).

Технической задачей, стоящей перед автором изобретения, являлась разработка конструкции ветродвигателя, обеспечивающего высокое значение коэффициента использования энергии ветра путем оптимизации угла установа лопастей, повышение чувствительности к ветру и защищенности от случайных ветровых воздействий, достижение максимальной компактности механизмов и надежности работы ветродвигателя в целом. При этом в задачу входило максимально устранить влияние неблагоприятных метеорологических воздействий на работу механизмов независимо от климатической зоны эксплуатации в сочетании с простотой и технологичностью изготовления ветродвигателя.

Поставленная техническая задача решается предлагаемой конструкцией ветродвигателя, содержащего ветроприемное устройство, выполненное в виде ветроколеса, установленного с возможностью вращения вокруг неподвижной, вертикальной оси и снабженного лопастями с плоскостями, установленными на валах с возможностью вращения вокруг собственных вертикальных осей, размещенными на концах радиальных штанг, соединяющих ступицу ветроколеса с подшипниковыми опорами валов, механизм разворота лопастей в зависимости от угла поворота ветроколеса, механизм ориентирования ветроприемного устройства по отношению к направлению ветрового потока, при этом каждая лопасть снабжена устройством защиты от перегрузки, механизм ориентирования ветроприемного устройства содержит флюгер, установленный с возможностью вращения вокруг оси ветроколеса, и колодочный тормоз, управляемый флюгером, а механизм разворота лопастей выполнен из пространственно обособленных узлов. Один узел размещен в ступице ветроколеса и представляет собой планетарный механизм, содержащий равное числу лопастей число сателлитов в виде четырехлопастных мальтийских крестов мальтийского механизма с внешним зацеплением, установленных с возможностью вращения вокруг укрепленных в ступице ветроколеса осей и взаимодействующих с центральным звеном, выполненным в виде кривошипа с двумя роликами. Кривошип установлен с возможностью поворота вокруг оси ветроколеса и связан с флюгером через колодочный тормоз, который фиксирует положение центрального звена относительно оси ветроколеса. Другие узлы, входящие в состав механизма разворота лопастей, состоят из установленных на концах радиальных штанг передаточных механизмов, каждый из которых кинематически жестко связывает вал лопасти с соответствующим сателлитом посредством пары зубчатых колес и гибкой механической передачи, в качестве которой в конкретной конструкции использована карданная передача.

Плоскость лопасти соединяется с валом посредством упругой предохранительной муфты, обеспечивающей перевод плоскости в горизонтальное положение при превышении допустимой ветровой нагрузки, что предотвращает поломку элементов конструкции ветроколеса. Применение упругой муфты позволяет, кроме того, плавно изменять парусность лопасти по мере возрастания ветровой нагрузки сверх расчетной за счет упругого наклона плоскости. При отклонении плоскости от вертикали на угол до 70^o упругая муфта обеспечивает автоматический возврат плоскости в вертикальное положение после уменьшения нагрузки до величины в пределах расчетной. Критическая ветровая нагрузка вызывает отклонение лопасти на угол более 70^o, после чего упругая муфта переводит плоскость в горизонтальное положение и полностью выключает из рабочего состояния.

В качестве передаточного звена механизма привода лопасти может использоваться зубчатая или иная механическая передача, обеспечивая требуемое взаимное направление вращения ведущего и ведомого звена.

В предлагаемой конструкции жесткость радиальных штанг не оказывает прямого влияния на надежность работы механизмов ветроприемного устройства, что позволяет уменьшить сечение этих штанг, ослабить требования к их конструкционному материалу. Тем самым, помимо надежности, повышается технологичность изготовления, снижается материалоемкость и себестоимость конструкции в целом. Более того, снижение массы вращающихся элементов позволяет снизить инерционность ветроприемного устройства и тем самым дополнительно увеличить его чувствительность к ветру и коэффициент использования ветровой энергии. Это достигается за счет предлагаемого конструктивного исполнения ветроприемного устройства.

Совокупный технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается также благодаря применению приема расчленения механизма разворота лопастей на пространственно обособленные узлы: планетарный механизм, размещенный в ступице ветроколеса, и передаточные механизмы привода лопастей, размещенные на концах радиальных штанг. Указанные узлы кинематически жестко связаны между собой гибкой механической передачей. Особенностью предложенной конструкции механизма разворота лопастей является использование в качестве центрального звена планетарного механизма кривошипа с двумя роликами, а также наличие жесткой кинематической связи каждого сателлита планетарного механизма с соответствующей лопастью ветроколеса, причем сателлитами являются чтырехлопастные кресты мальтийского механизма с внешним зацеплением. Наличие указанной особенности позволяет получить результат, выражающийся в существенном улучшении работоспособности ветродвигателя.

Кроме того, на достижение совокупного технического результата оказывает влияние конструкция механизма ориентирования ветроприемного устройства, а также наличие и характер связи этого устройства с центральным звеном планетарного механизма и с неподвижной осью ветроколеса через управляемый колодочный тормоз: именно такая регулируемая связь позволяет легко установить ветроприемное устройство в оптимальное по отношению к ветропотоку положение и в то же время надежно защитить от нежелательных воздействий.

Наконец, наличие устройств защиты от перегрузки позволяет не только повысить надежность конструкции, но и улучшить ее работоспособность при переменной ветровой нагрузке, что в некоторых случаях равнозначно повышению коэффициента использования энергии ветра.

Следствием применения указанных выше основных технических приемов является появление возможностей для применения других приемов, направленных на достижение дополнительных технических результатов:
- выполнение устройства защиты от перегрузки в виде упругой муфты позволяет автоматически уменьшать парусность лопасти при превышении расчетной ветровой нагрузки путем отклонения плоскости лопасти на угол до 70^o с самостоятельным возвращением плоскости в вертикальное положение при снижении нагрузки до расчетной величины, вследствие чего повышается надежность работы ветроприемного устройства;
- возможность закрытого исполнения механизмов ветроколеса позволяет повысить надежность работы, КПД механизмов, а также расширить область предполагаемого применения ветродвигателя в районах с различными климатическими условиями;
- возможность компактного исполнения механизма разворота лопастей снимает ограничение на число лопастей, устанавливаемых по окружности ветроколеса, что позволяет при необходимости путем установки большего числа лопастей дополнительно увеличить чувствительность ветроколеса к ветру и тем самым расширить область применения ветродвигателя в районах с постоянно низкой ветровой нагрузкой;
- использование в планетарном механизме элементов мальтийского механизма с внешним зацеплением при многорядном расположении мальтийских крестов (сателлитов) позволяет выполнить механизм разворота лопастей более компактным, улучшить технологичность изготовления механизма разворота лопастей, упростить и удешевить его конструкцию.

Изобретение поясняется фигурами графического изображения, на которых представлены: кинематическая схема механизмов ветродвигателя (фиг. 1); схема механизма ориентирования ветроприемного устройства (фиг. 2); поперечный разрез ветроколеса в месте расположения колодочного тормоза (фиг. 3); вид на ветроколесо сверху (фиг. 4); блок-схема взаимодействия механизмов ветродвигателя (фиг. 5).

Ветродвигатель (фиг. 1) содержит неподвижную вертикальную полую ось 1, на которой установлена с возможностью вращения ступица 2, с установленным внутри планетарным механизмом и зубчатыми парами 3. Планетарный механизм содержит центральное звено 4 в виде кривошипа с двумя роликами 4 и сателлиты 6, установленные на закрепленных в ступице осях 7. Сателлиты выполнены в виде четырехлопастных мальтийских крестов с радиальными пазами и расположены в два горизонтальных ряда по четыре креста в каждом ряду.

Кривошип 4 подвижно установлен на оси 1 и связан через колодочный тормоз 8 с флюгером 9. Более подробно механизм ориентирования изображен на фиг. 2 и 3.

На ступице 2 укреплены восемь радиальных штанг 10, на концах которых расположены передаточные механизмы 11. Передаточный механизм содержит передаточное звено 12 в виде пары конических зубчатых колес и вал 13, установленный в подшипниковой опоре 14.

Лопасть ветроколеса содержит плоскость 15 требуемой аэродинамической формы, соединенную с валом 13 посредством упругой предохранительной муфты 16. Каждая лопасть через передаточный механизм 11 кинематически жестко связана с соответствующим сателлитом планетарного механизма посредством гибкой механической (карданной) передачи 17 и пары зубчатых колес 3. В качестве гибкой механической передачи вместо карданной передачи 17 может быть использован гибкий вал, цепная, зубчатоременная или иная передача, обеспечивающая жесткую кинематическую связь. Отбор мощности осуществляется от вала 18.

Пара зубчатых колес 3 может содержать конические или цилиндрические (например, при ином выполнении гибкой механической передачи) зубчатые колеса круглой или некруглой формы. Некруглая форма зубчатых колес позволяет устранить некоторое рысканье лопасти на участках дуги поворота ветроколеса I-II и III-IV (см. фиг. 4), обусловленное особенностью кинематики мальтийского механизма [4].

Механизм ориентирования ветроприемного устройства (см. фиг. 2) содержит флюгер 9, укрепленный на ступице 19, установленной с возможностью вращения вокруг неподвижной оси 1 ветроколеса. Ступица 19 снабжена также консолью 20 с прорезью, в которую входит палец 21, установленный на конце рычага 22 разжимного кулачка 23. Ось 24 разжимного кулачка установлена с возможностью вращения в отверстии фланца 25 поворотной колонки 26, одновременно являющейся полым валом центрального звена (кривошипа 4 с роликами 5) планетарного механизма.

Механизм ориентирования ветроколеса содержит также колодочный тормоз (см. фиг. 3), выполненный в виде клеммы 8 с фрикционными колодками 27, охватывающим ось 1 ветроколеса. Клемма соединена с фланцем 25 (см. фиг. 2) при помощи пальца 28. Со стороны, противоположной пальцу 28, плоские части обеих половин клеммы охватывают кулачок 23. В положении, показанном на фиг. 3, расстояние между плоскими частями половин клеммы такового, что кулачок не зажат. Усилие охвата оси 1 (усилие торможения) определяется сжатием пружины 29 и может регулироваться с помощью винтовой стяжки 30.

Колодочный тормоз 8 удерживает кривошип 4 от проворачивания при отсутствии смещающего ветрового воздействия на флюгер 9, не препятствуя при этом свободным колебаниям флюгера в горизонтальной плоскости в пределах угла до 20^o. Установка требуемой величины угла свободных колебаний флюгера осуществляется путем конструктивного варьирования горизонтального хода пальца 21 в прорези консоли 20, а также профиля разжимного кулачка 23.

Ветродвигатель работает следующим образом (см. фиг. 1 и 4).

Воспринимая ветровую нагрузку, плоскость 15 лопасти, находящейся в положении I (фиг. 4) перпендикулярно направлению ветропотока, начинает вращать через радиальную штангу 10 ступицу 2 ветроколеса с установленными в ней сателлитами 6, приводя ветроприемное устройство во вращение. Сателлит 6, набегая своим пазом на ролик 5 зафиксированного колодочным тормозом 8 кривошипа 4, начинает поворот по часовой стрелке. Вращение сателлита через пару зубчатых колес 3, карданную передачу 17, передаточное звено 12 и вал 13 передается с обратным знаком на соответствующую лопасть, которая начинает прерывистую фазу разворота вокруг собственной оси против часовой стрелки. Одновременно эта же лопасть вращением ветроколеса поворачивается по часовой стрелке. Сложение двух указанных движений лопасти сохраняет перпендикулярное к ветропотоку расположение ее плоскости вплоть до положения II дуги поворота ветроколеса.

На фазе поворота II - III лопасть вращается с ветроколесом как единое целое, оставаясь неподвижной по отношению к собственной оси. Начиная с положения III, к вращению лопасти с ветроколесом добавляется прерывистое вращение ее сателлитом в результате зацепления последнего с вторым роликом кривошипа 4. Таким образом, на этой фазе разворота обеспечивается удержание плоскости лопасти параллельно направлению ветропотока вплоть до положения IV. Фаза поворота на участке IV - I аналогична фазе поворота на участке II - III. Далее описанный цикл разворота лопастей повторяется.

Рысканье лопасти (отклонение ее плоскости от оптимального расположения, как описано выше) на фазах поворота ветроколеса I - II и III - IV, обусловленное особенностью кинематики мальтийского механизма, устраняется применением некруглых зубчатых колес в составе зубчатой пары 3.

Конструкция механизма разворота лопастей и механизма ориентирования ветроприемного устройства обеспечивает жесткую кинематическую связь всех лопастей между собой и с кривошипом 4, управляемым через колодочный тормоз 8 флюгером 9, осуществляющим оптимальную ориентацию всего ветроприемного устройства (ветроколеса и лопастей) по отношению к направлению ветрового потока. Это достигается следующим образом.

При отсутствии отклоняющего воздействия ветра на флюгер 9 механизм ориентирования ветроприемного устройства находится в положении, показанном на фиг. 2 и 3. Под действием пружины 29 клемма 8 прижимает колодки 27 к неподвижной оси 1, чем обеспечивается неподвижность клеммы. В этом положении остаются также неподвижными связанные с клеммой фланец 25, поворотная колонка 26 и кривошип 4.

При изменении направления ветра в том случае, когда возникшее в связи с этим отклоняющее усилие на флюгер превышает величину, определяемую сжатием пружины 29, разжимной кулачок 23 начинает поворачиваться вокруг своей оси, раздвигая клемму 8. При этом фрикционные колодки 27 отжимаются от оси 3 и клемма 8 начинает поворачиваться вслед за флюгером вплоть до положения, соответствующего новому направлению ветропотока. При ослаблении отклоняющего усилия на флюгер кулачок возвращается в исходное положение, и клемма вновь оказывается зафиксированной на оси. Вместе с клеммой в новое положение поворачиваются также фланец 25, поворотная колонка 26 и кривошип 4, что и обеспечивает оптимальную ориентацию ветроприемного устройства относительно направления ветрового потока.

Установленное на лопасти устройство защиты от перегрузки работает следующим образом.

При превышении расчетно-допустимой величины ветровой нагрузки (т.е. нагрузки, которая может вызвать повреждение лопасти или нарушение работы механизмов ветроприемного устройства) плоскость лопасти начинает упругое отклонение от вертикального положения, обеспечиваемое предохранительной муфтой 16. Если при этом угол отклонения плоскости лопасти от вертикали не превышает 70^o, то упругая муфта 16 после уменьшения нагрузки до допустимой величины автоматически (под действием силы упругости муфты) возвращает лопасть в исходное положение. Критическая ветровая нагрузка, приводящая к отклонению плоскости на угол свыше 70^o, вызывает переключение муфты в положение, обеспечивающее перевод плоскости в горизонтальное (нерабочее) положение. В этом случае установка плоскости лопасти в рабочее положение осуществляется вручную или при помощи дополнительных приспособлений.

Конструкция ветроприемного устройства не накладывает технических ограничений на установку любого потребного количества лопастей, их тип и конструкцию (например парус, крыло и т. п.), размер и конфигурацию, что позволяет реализовать различные принципы совместного аэродинамического взаимодействия лопастей с ветровым потоком (такие как сила сопротивления, подъемная сила, эффект диффузора и т.п.). Это позволяет получить максимальное значение коэффициента использования энергии ветра в каждом конкретном случае применения ветродвигателя и является еще одним дополнительным достоинством предлагаемой конструкции.

Использование: в ветроэнергетике, в частности в конструкциях ветроприемных устройств, обеспечивающих оптимальный угол разворота лопастей по отношению к направлению ветрового потока. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит устройство в виде ветроколеса с поворотными лопастями, снабженными устройствами защиты от перегрузки и установленными на радиальных штангах, механизм ориентирования ветроприемного устройства, механизм разворота лопастей, содержащий планетарный механизм с элементами мальтийского механизма разворота лопастей, кинематически жестко связанные с сателлитами планетарного механизма посредством зубчатых пар и гибких механических передач. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ветродвигатель, содержащий ветроприемное устройство, выполненное в виде ветроколеса, установленного с возможностью вращения вокруг неподвижной вертикальной оси и снабженного лопастями с плоскостями, установленными на валах с возможностью вращения вокруг собственных вертикальных осей и размещенными на концах радиальных штанг, соединяющих ступицу ветроколеса с подшипниками опорами валов, механизм разворота лопастей в зависимости от угла поворота ветроколеса, механизм ориентирования ветроприемного устройства по отношению к направлению ветрового потока, отличающийся тем, что каждая лопасть снабжена устройством защиты от перегрузки, механизм ориентирования ветроприемного устройства содержит флюгер, установленный с возможностью вращения вокруг оси ветроколеса, и колодочный тормоз, управляемый флюгером, а механизм разворота лопастей выполнен из пространственно обособленных узлов, размещенного в ступице ветроколеса планетарного механизма, содержащего равное числу лопастей число сателлитов в виде четырехлопастных мальтийских крестов, мальтийского механизма с внешним зацеплением, установленных с возможностью вращения вокруг укрепленных в ступице ветроколеса осей и взаимодействующих с центральным звеном, выполненным в виде кривошипа с двумя роликами, установленным с возможностью поворота вокруг оси ветроколеса и связанным с флюгером через колодочный тормоз, фиксирующий положение центрального звена относительно оси ветроколеса, а также установленных на концах радиальных штанг передаточных механизмов, каждый из которых кинематически жестко связывает вал лопасти с соответствующим сателлитом посредством пары зубчатых колес и гибкой механической передачи. 2. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что устройство защиты от перегрузки выполнено в виде упругой муфты, соединяющей плоскость лопасти с ее валом и обеспечивающей перевод лопасти в горизонтальное положение по мере превышения расчетной величины ветровой нагрузки. 3. Ветродвигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что лопасти установлены с возможностью автоматического возврата плоскости в вертикальное положение при отклонении от вертикали на угол до 70^o после снижения ветровой нагрузки до расчетной величины. 4. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что флюгер установлен с возможностью свободного колебания вокруг оси ветроколеса в пределах угла до 20^o без управляющего воздействия на колодочный тормоз. 5. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что сателлиты расположены в один или несколько горизонтальных рядов. 6. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что гибкая механическая передача выполнена в виде карданной передачи. 7. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что пара зубчатых колес содержит некруглые зубчатые колеса. 8. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что передаточный механизм содержит пару конических зубчатых колес. 9. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что все механизмы ветроколеса имеют закрытое исполнение.