ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОЕ ВЕТРОКОЛЕСО Российский патент 2002 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для ограничения числа оборотов ветроколеса.

Необходимым условием эксплуатации ветроэнергетических установок является ограничение числа оборотов ветроколеса. Наиболее эффективно это ограничение достигается аэродинамическим торможением вращения ветроколеса путем поворота лопастей, отклонения щитков и других дополнительных элементов на лопасти, взаимодействующих с ветровым потоком. При этом допускается возможность работы ветроколеса с переменной скоростью вращения до предельного числа оборотов, что позволяет более полно использовать энергию ветрового потока.

Известны конструкции вертикально-осевого ветроколеса, в которых ограничение числа оборотов ветроколеса производится путем поворота лопасти вокруг ее оси, что меняет угол атаки лопасти, приводит к изменению аэродинамических сил, действующих на лопасть, с соответствующим изменением крутящего момента на валу ветроколеса и частоты его вращения [1, 2].

Однако устройства, обеспечивающие поворот лопасти и регулирование ее угла атаки, сложны, требуют создания дополнительных устройств для демпфирования колебаний лопасти и работают в условиях высокого уровня центробежных сил, действующих на лопасть при вращении ветроколеса.

Известны также конструкции вертикально-осевого ветроколеса, в которых ограничение числа оборотов ветроколеса производится путем отклонения тормозных щитков, закрылков и других дополнительных элементов на лопасти, обеспечивающих торможение ветроколеса за счет сил лобового сопротивления потока [3, 4].

Однако эти конструкции имеют сложную многозвенную систему управления, что снижает надежность и эффективность их работы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является вертикально-осевое ветроколесо, содержащее вертикальный вал с траверсами, на концах траверс установлены вертикальные профилированные лопасти, на внешней поверхности которых расположены щитки, шарнирно закрепленные на лопасти, и механизм управления щитками [5].

Однако в этом устройстве щиток шарнирно закреплен на передней кромке лопасти, а механизм управления щитками предназначен для запуска ветроколеса и не может обеспечить ограничение числа его оборотов.

Задачей изобретения является обеспечение ограничения числа оборотов вертикально-осевого ветроколеса в широком диапазоне скоростей набегающего потока.

Сущность изобретения заключается в том, что в вертикально-осевом ветроколесе, содержащем вертикальный вал с траверсами, на концах траверс установлены вертикальные профилированные лопасти, на внешней поверхности которых расположены щитки, шарнирно закрепленные на лопасти, и механизм управления щитками, щитки расположены в хвостовой части лопасти, задняя кромка прижатого щитка совпадает с задней кромкой лопасти, а механизм управления щитком состоит из рычага, жестко связанного с щитком, пружины, которая соединена с рычагом и заключена в обойму, расположенную внутри лопасти, и регулировочного винта для предварительного сжатия пружины и регулирования величины предельных оборотов ветроколеса за счет изменения зазора между задними кромками лопасти и щитка.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная схема механизма управления щитком в поперечном сечении лопасти с прижатым к ней щитком, а на фиг. 2 - та же схема при отклоненном щитке.

В хвостовой части лопасти 1 расположен щиток 2, установленный на оси 3, жестко связанной с лопастью. Задняя кромка прижатого щитка совпадает с задней кромкой лопасти, а рычаг 4 связан с пружиной 5, заключенной в обойму 6, смонтированную внутри лопасти. В обойме установлен регулировочный винт 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При вращении ветроколеса на щиток 2 действует момент центробежных сил относительно оси 3, стремящийся отклонить прижатый щиток от поверхности лопасти. Кроме того, на щиток 2 через рычаг 4 действует момент упругих сил относительно той же оси 3, возникающий при сжатии пружины 5 и стремящийся вернуть щиток 2 в исходное положение. Предварительное сжатие пружины с помощью регулировочного винта 7 приводит к тому, что до некоторой предельной частоты вращения ветроколеса момент упругих сил оказывается больше момента центробежных сил и щиток 2 остается в прижатом положении на поверхности лопасти. При частоте вращения ветроколеса выше предельной момент центробежных сил превышает момент упругих сил и щиток 2 начинает отклоняться от своего исходного положения, создавая тем самым две задних кромки лопасти, отстоящих на малом расстоянии друг от друга, что приводит к перестройке потока вокруг профиля лопасти и снижению крутящего аэродинамического момента относительно вала ветроколеса и, как следствие, уменьшению числа его оборотов.

Эффективность предлагаемого устройства была проверена экспериментально на модели трехлопастного ротора с вертикальной осью вращения, которая перемешалась в гидроканале с некоторой заданной скоростью. В хвостовой части каждой лопасти размещались два щитка, ширина которых составляла 20% хорды профиля лопасти, а общая длина - 50% длины лопасти. Эксперимент показал, что по мере отклонения щитка и увеличения зазора между задними кромками щитка и лопасти величина крутящего момента и частота вращения ротора уменьшаются, а при величине зазора около 10% длины хорды профиля лопасти крутящий момент становится настолько малым, что ротор прекращает свое вращение.

Таким образом, с помощью малого отклонения щитка, расположенного в хвостовой части лопасти и имеющего относительно малые размеры, можно ограничить число оборотов ветроколеса. При этом предварительное сжатие пружины с помощью регулировочного винта позволяет регулировать величину предельных оборотов ветроколеса, оставляя щиток в прижатом к лопасти положении до тех пор, пока ветроколесо не достигло предельного числа оборотов. Тем самым расширяется диапазон скоростей ветра, при которых ветроколесо может работать с максимальным использованием энергии ветра и увеличивается ресурс работы всего устройства.

Источники информации
1. Историк Б.Л., Шполянский Ю.Б. Исследование характеристик вертикальной ветроэнергетической установки с аэродинамическим регулированием // Энергетическое строительство.-1991.- 3.-С. 37-39.

2. Панкратов В.М. Регулирующее устройство для вертикальных ветродвигателей с поворотными лопастями. Авт. свид. СССР, 1938. Опубл. 31.10.40.

3. Перли С. Б. Быстроходные ветряные двигатели. М.-Л.: Госэнергоиздат. 1951.- С. 119-178.

4. Гладкий B.C. Ветроколесо. Авт. свид. СССР 1134772, кл. F 03 D 3/06, 1983. Опубл. 07.01.87. Бюл. 1.

5. Мозжилкин В.В., Чернов А.М., Маркушин А.Г., Блинков Ю.А. Ротор вертикально-осевого ветродвижителя. Авт. свид. РФ 2034169, кл. F 03 D 7/06, 26.10.92. Опубл. 27.04.95. Бюл. 12.

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для ограничения числа оборотов вертикально-осевого ветроколеса. Технический результат, заключающийся в обеспечении ограничения числа оборотов вертикально-осевого ветроколеса в широком диапазоне скоростей набегающего потока, достигается за счет того, что в вертикально-осевом ветроколесе, содержащем вертикальный вал с траверсами, на концах траверс установлены вертикальные профилированные лопасти, на внешней поверхности которых расположены щитки, шарнирно закрепленные на лопасти, и механизм управления щитками, согласно изобретению щитки расположены в хвостовой части лопасти, задняя кромка прижатого щитка совпадает с задней кромкой лопасти, а механизм управления щитком состоит из рычага, жестко связанного с щитком, пружины, которая соединена с рычагом и заключена в обойму, расположенную внутри лопасти, и регулировочного винта для предварительного сжатия пружины. 2 ил.

Вертикально-осевое ветроколесо, содержащее вертикальный вал с траверсами, на концах траверс установлены вертикальные профилированные лопасти, на внешней поверхности которых расположены щитки, шарнирно закрепленные на лопасти, и механизм управления щитками, отличающееся тем, что щитки расположены в хвостовой части лопасти, задняя кромка прижатого щитка совпадает с задней кромкой лопасти, а механизм управления щитком состоит из рычага, жестко связанного с щитком, пружины, которая соединена с рычагом и заключена в обойму, расположенную внутри лопасти, и регулировочного винта для предварительного сжатия пружины.