ВЕТРОКОЛЕСО С РЕГУЛЯТОРОМ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F03D7/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветроколес с регулятором чистоты вращения.

Известны ветроколеса с различной скоростью вращения [1]. К ним относятся тихоходные, имеющие более пяти лопастей, недостатком которых является большой крутящий момент в начальном периоде вращения и невозможность развития больших оборотов, а также быстроходные ветроколеса, имеющие не более четырех лопастей, для страгивания и начала вращения которых требуется более высокая скорость ветра.

Известно ветроколесо с регулятором частоты вращения [2], снабженное поворотными лопастями с центробежными грузами, полым валом, внутри которого установлен торсион с траверсой, кинематически связанный с лопастями, при этом кинематическая связь траверсы с каждой лопастью выполнена в виде рычагов, закрепленных на траверсе, и лопасти, и имеющие соответственно взаимодействующие между собой контактную площадку и ролик.

Недостатком известного ветроколеса является то, что оно воспринимает ветровую нагрузку только при скорости ветра более 4 м/с, а это не позволяет получать рабочие характеристики при малых скоростях ветра, что снижает КПД установки.

Наиболее близким аналогом является ветродвигатель [3], содержащий ветроколесо со ступицей, размещенное на валу, на котором установлена с возможностью перемещения относительно последнего подпружиненная муфта с тангенциальными пазами, кинематически связанная с поворотными лопастями, имеющими хвостовики, при этом ветродвигатель снабжен направляющими стержнями, установленными на ступице и размещенными в пазах муфты, а кинематическая связь выполнена в виде шарниров, каждый из которых размещен на муфте и соединен с лопастью на хвостовике ее комлевой части.

Недостатком указанного ветродвигателя является то, что он работает в очень узком диапазоне скорости ветра и коэффициент использования энергии ветра невысок, так как все лопасти с одной муфтой и они все сразу переходят во флюгерное положение, не позволяя развивать большие обороты.

Целью настоящего изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветра и расширение диапазона рабочей скорости ветра.

Указанная цель достигается тем, что предложено ветроколесо с регулятором частоты вращения, содержащее поворотные лопасти и полый вал, на котором установлена подпружиненная муфта с возможностью перемещения относительно вала и кинематически связанная с лопастями, при этом ветроколесо снабжено несколькими подпружиненными муфтами, пружины которых имеют различную жесткость и установлены одна в другой на валу, не касаясь друг друга, поворотные лопасти соединены попарно и расположены диаметрально, причем кинематическая связь выполнена в виде пар рычагов, каждая пара которых закреплена на одной из муфт и паре соответствующих лопастей.

Согласно предлагаемому изобретению предлагаемое ветроколесо имеет несколько пар лопастей. Оптимальным вариантом является ветроколесо с тремя парами лопастей.

На фиг. 1, 2 изображено предлагаемое ветроколесо с тремя парами лопастей, где
на фиг. 1 - вид спереди,
на фиг. 2 - вид сбоку.

На фиг. 3-6 схематично показано положение лопастей при различных скоростях ветра, где
на фиг. 3 - позиция, при которой три пары лопастей в рабочем положении,
на фиг. 4 - позиция, при которой две пары лопастей в рабочем положении, а одна пара - в флюгерном,
на фиг. 5 - позиция, при которой одна пара лопастей в рабочем положении, а две пары - в флюгерном,
на фиг. 6 - позиция, при которой три пары лопастей перешли во флюгерное положение.

На фиг. 7 графически показана характеристика ветроколес с различной скоростью вращения.

На фиг. 8-10 показано ветроколесо с различными типами лопастей.

Ветроколесо содержит горизонтальный полый вал 1, на который надеты три пружины 2, причем каждая пружина вставлена одна в другую, не касаясь, и предназначена для подпружинивания муфт 3. Пружины обладают различной жесткостью на усилие, соответствующее определенной скорости ветра, подбор которой осуществляют на испытательном стенде. Подпружиненные муфты 3 установлены с возможностью перемещения относительно вала 1 и связаны тремя парами рычагов 4 с лопастями 5. Лопасти 5 соединены попарно и расположены диаметрально. Каждая пара лопастей 5 соединена с определенной пружиной 2, независимой от двух других, с помощью двух рычагов 4, которые передают усилие от пружины 2 на свою пару лопастей 5.

Положение лопастей при работе ветроколеса представлено на фиг. 3-6. Ветроколесо работает следующим образом.

При малых скоростях ветра 2-4 м/с (фиг. 3) все лопасти находятся в рабочем положении. При таком положении лопастей колесо начинает вращаться при малой скорости ветра и передает большой крутящий момент. С увеличением скорости воздушного потока увеличивается частота вращения колеса (фиг. 4). При достижении скорости ветра 4 м/с пружина полностью сжимается и первая пара лопастей переходит во флюгерное положение, так как пружина, соединенная с парой лопастей, имеет жесткость, соответствующую данной скорости ветра. При скорости ветра более 6 м/с вторая пружина сжимается и вторая пара лопастей поворачивается во флюгерное положение. Регулирование оборотов вала поддерживается третьей парой лопастей. При скорости ветра 10-12 м/с третья пружина начинает сжиматься, третья пара лопастей продолжает регулировать рабочие обороты ветроколеса. При достижении скорости ветра 18 м/с и более третья пара лопастей переходит во флюгерное положение (фиг. 6). При снижении скорости ветра каждая пара лопастей становится в рабочее положение на той скорости ветра, на которую настроена пружина для каждой пары лопастей.

Таким образом, предлагаемое ветроколесо с регулятором частоты вращения позволяет переводить тихоходное многолопастное ветроколесо с большим крутящим моментом при малых скоростях ветра в быстроходное многолопастное ветроколесо путем выведения нескольких пар лопастей из работы, переводя их во флюгерное положение при скоростях ветра от 4 до 10 м/с.

Предлагаемое ветроколесо позволило устранить недостатки традиционных многолопастных тихоходных ветродвигателей и малолопастных быстроходных.

На фиг. 7 графически представлены сравнительные характеристики ветроколес с различной скоростью вращения, где
1 - характеристика тихоходного ветроколеса,
2 - характеристика быстроходного ветроколеса,
3 - характеристика ветроколеса предлагаемой конструкции.

Работа ветроколеса не зависит от типа применяемых лопастей (см. фиг. 8-10). Ими могут быть лопасти флюгерного типа (фиг. 8), пропеллерного типа со стабилизатором (фиг. 9) или пропеллерного типа с центробежными грузами (фиг. 10).

Предлагаемое ветроколесо с регулятором частоты вращения позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра, расширить диапазон рабочей скорости ветра, его можно с успехом применять на тех территориях, где средняя годовая скорость ветра не превышает 5 м/с.

Ветроколесо предназначено для получения энергии в широком диапазоне рабочих скоростей ветра и может быть использовано на тех территориях, где средняя годовая скорость ветра не превышает 5 м/сек. Несколько подпружиненных муфт 3 установлены на полом валу 1 и связаны парами рычагов 4 с лопастями 5. Пружины 2 одеты на вал 1 и вставлены одна в другую, не касаясь друг друга. Пружины 2 имеют различную жесткость. Лопасти 5 соединены попарно, расположены диаметрально. Каждая пара лопастей 5 соединена с определенной пружиной 2. При снижении скорости ветра каждая пара лопастей 5 становится в рабочее положение на той скорости ветра, на которую настроена пружина 2 для каждой пары лопастей. 1 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Ветроколесо с регулятором частоты вращения, содержащее поворотные лопасти и полый вал, на котором установлена подпружиненная муфта с возможностью перемещения относительно вала и кинематически связанная с лопастями, отличающееся тем, что ветроколесо снабжено несколькими подпружиненными муфтами, пружины которых имеют различную жесткость и установлены одна в другую на валу, не касаясь друг друга, при этом поворотные лопасти соединены попарно и расположены диаметрально, а кинематическая связь выполнена в виде пар рычагов, закрепленных на одной из муфт и паре соответствующих лопастей. 2. Ветроколесо по п.1, отличающееся тем, что оно содержит три подпружиненные муфты, соединенные тремя парами рычагов с тремя парами лопастей.