ВЕТРОАГРЕГАТ Российский патент 2002 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и, в частности, к ортогональным ветроагрегатам с лопастями, имеющими вертикальную ось поворота.

Известен ветродвигатель, содержащий установленное на вертикальном валу рабочее колесо с верхними и нижними спицами, между которыми на их концах размещены поворотные балансирные лопасти, валы которых через муфты разгрузки связаны цепной передачей (передаточное отношение 1:2) с общим флюгером (SU 1483081 А1, F 03 D 3/02, 30.05.1989). Выполнение лопастей поворотными позволяет оптимально ориентировать их в процессе работы, что обеспечивает оптимальную аэродинамику лопастей при движении по потоку ветра и против. При этом появляется возможность регулировать нагрузку на лопастях двигателя. Однако общий механизм поворота лопастей, представляющий собой цепную передачу, связывающую флюгер с каждой лопастью, сложен, что снижает надежность устройства. Кроме этого, цепная передача не может быть достаточно жесткой, что вызывает повышенный уровень автоколебаний и снижение виброустойчивости всей упругой конструкции, что в свою очередь является причиной внезапных отказов, а также низкая эффективность самозащиты ветродвигателя от сильных ветров.

Известна ветроэнергетическая установка с осью вращения, пересекающей направление ветра, содержащая ротор с лопастями, установленными под углом 42÷55 градусов к оси вращения ротора (RU 2099589 C1, F 03 D 3/00, 20.12.1997). В данной установке предусмотрена возможность синхронного отклонения всех лопастей относительно их нижних опор под действием центробежных сил. Данное техническое решение обеспечивает увеличение момента инерции ротора с лопастями при увеличении скорости вращения. Таким образом, обеспечивается защита электрогенератора от перегрузки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является ветроагрегат, содержащий рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на котором установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с осью поворота лопасти (RU 2119094 C1, F 03 D 7/06, 20.09.1998). Снабжение каждой поворотной лопасти отдельным механизмом поворота позволяет увеличить мощность ветродвигателя, повышает надежность устройства при общем упрощении конструкции и снижении металлоемкости. Однако работа по повороту лопасти из положения с наибольшим аэродинамическим сопротивлением, когда плоскость лопасти совпадает с радиусом рабочего колеса, совершалась исключительно за счет механизма поворота и флюгера. В результате этого механизм поворота лопасти работает в нагруженном режиме, поскольку возрастает противодействие лопасти флюгеру, что снижает ресурс и надежность работы.

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание ветроагрегата, обладающего улучшенными характеристиками при порывах ветра.

В результате решения данной задачи появляется возможность получения технических результатов, заключающихся в том, что обеспечивается возможность поворота лопасти в положение с наибольшим аэродинамическим сопротивлением лопасти с оптимальным углом атаки за счет центробежной силы, смещающей верх лопасти относительно оси симметрии в момент совпадения плоскости лопасти с направлением радиуса рабочего колеса, уменьшается нагрузка на механизм поворота лопасти, а также повышается стабильность скорости вращения рабочего колеса.

Данные технические результаты достигаются тем, что в ветроагрегате, содержащем рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на котором установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с осью поворота лопасти, верхний конец каждой лопасти выполнен с возможностью отклонения в плоскости лопасти симметрично относительно вертикальной оси на расстояние не более В/5,27, где В - максимальное значение ширины лопасти.

Отличительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что верхний конец каждой лопасти выполнен с возможностью отклонения в плоскости лопасти симметрично относительно вертикальной оси. В результате уменьшается площадь лопасти, взаимодействующая с потоком ветра с наветренной стороны, а с подветренной увеличивается и лопасть приобретает функцию флюгера, что в свою очередь значительно разгружает собственно флюгер. Экспериментально установлено, что отклонение верхнего конца лопасти в полости лопасти относительно вертикальной оси не должно превышать В/5,27, поскольку в противном случае существенно возрастает сопротивление потоку воздуха, а за счет асимметрии при отклонении верхнего конца лопасти резко снижается эффективность ветроагрегата, т.е. вновь приобретенные парусом свойства флюгера будут стремиться удержать парус вдоль потока ветра, а флюгер будет не в состоянии противостоять потоку воздуха и управлять парусом.

Лопасти могут быть выполнены в форме прямоугольника, или овала, или любой формы, имеющей вертикальную ось симметрии.

Целесообразно каждый флюгер кинематически соединить с осью поворота лопасти посредством механизма разгрузки, который может быть выполнен в виде предохранительной муфты.

На фиг.1 представлен общий вид ветроагрегата, на фиг.2 схематично представлено положение лопасти в момент наибольшего (положение А на фиг.1) аэродинамического сопротивления ветровому потоку, на фиг.3 схематично представлено положение лопасти в момент наименьшего (положение В на фиг.1) аэродинамического сопротивления ветровому потоку, а также балансирный узел лопасти, а на фиг.4 показано в плане отклонение лопасти в своей плоскости относительно вертикальной оси.

Ветроагрегат содержит установленное на вертикальном валу 1 с опорой 2 рабочее колесо, содержащее верхние и нижние спицы 3, на концах которых размещены лопасти 4, имеющие верхние и нижние опоры. Лопасти выполнены поворотными вокруг вертикальных осей, проходящих через опоры лопастей.

Конструкции лопастей могут бать различными. Верхние концы лопастей 4 выполнены с возможностью возвратно-поступательного перемещения в плоскостях лопастей. Очевидно, что при этом сами лопасти 4 совершают возвратно-качательные движения в своих плоскостях относительно вертикальных осей. Возвратно-поступательные перемещения верхних концов лопастей 4 совершаются с помощью узлов, схематично представленных на фиг.2, которыми снабжена каждая лопасть 4.

Можно предложить большое конструктивное разнообразие таких узлов. Каждый узел может представлять собой, например, полоз 5 и направляющую 6. При этом каждый полоз 5 жестко связан с рамой своей лопасти и находится с ней в одной плоскости, как это показано на фиг.3. Направляющая 6 охватывает полоз 5 и полоз может совершать в ней возвратно-поступательные перемещения. Таким образом, каждые полоз и направляющая образуют кинематическую поступательную пару.

Для обеспечения возвратно-качательного движения нижние опоры лопастей 4 должны иметь три угловые степени свободы и могут быть выполнены, например, в виде шаровых опор 7.

Ветроагрегат содержит механизм 8 поворота лопасти, выполненный, например, в виде редуктора с передаточным отношением 1÷2, и механизм 9 разгрузки лопастей 4, выполненный, например, в виде предохранительной муфты. Как говорилось выше, каждая лопасть имеет свой автономный механизм 8 поворота. По существу механизм поворота управляет углом атаки лопасти.

Механизм поворота лопасти содержит флюгер 10, кинематически соединенный с осью поворота лопасти.

Целесообразно, чтобы кинематическая связь флюгера с осью поворота лопасти имела передаточное отношение 1:2, обеспечивая тем самым один оборот лопасти на два оборота флюгера. Флюгера 10 всегда занимают такое угловое положение, при котором аэродинамическое сопротивление флюгера потоку ветра минимально. Благодаря кинематической связи с флюгером и в результате вращения рабочего колеса каждая лопасть поворачивается вокруг вертикальной оси, при этом автоматически устанавливается угол атаки, т.е. лопасть так ориентируется по направлению ветра, что обеспечивается наилучшая аэродинамика ветроагрегата. Передаточное отношение 1:2 позволяет лопастям совершать только пол-оборота за полный оборот рабочего колеса, т.е. весь рабочий цикл лопасть совершает за половину своего оборота.

Устройство функционирует следующим образом.

Осуществляют монтаж установки, подключают электрогенератор (не показан) через передачу (не показана) к валу 1 рабочего колеса.

Работа установки начинается с момента появления ветрового потока, сообщающего рабочему колесу суммарный вращающий момент больший, чем момент трения в опорах и момент сопротивления в генераторе.

Под действием ветра каждый флюгер 10, поворачиваясь, устанавливает свою лопасть 4 на необходимый угол атаки. Лопасть 4 от потока ветра воздействует на спицы 3 и создает вращающий момент на рабочем колесе, приводя его во вращение.

В результате вращения рабочего колеса на лопасти действуют центробежные силы. В момент, когда плоскость лопасти совпадает с радиусом рабочего колеса (положение А на фиг.1), лопасть обладает наибольшим аэродинамическим сопротивлением. Вследствие этого верхний конец лопасти начинает отклоняется в плоскости лопасти относительно своей вертикальной оси на расстояние, равное не более В/5,27, в направлении действия центробежной силы, поворачивая лопасть относительно опоры 7, как это показано на фиг.3. Следует отметить, что в этот момент лопасть относительно вертикальной оси поворота расположена симметрично. Ось поворота лопасти осталась той же самой, поскольку она проходит через нижнюю опору 7, которая не изменила своего положения. Благодаря возникающей асимметрии площадей, равной удвоенной площади заштрихованного треугольника, относительно оси поворота лопасти на лопасти возникает вращающий момент, стремящийся повернуть лопасть в положение с наименьшим аэродинамическим сопротивлением. При движении лопасти навстречу воздушному потоку, когда лопасть и флюгер расположены параллельно, лопасть сама устанавливается в положение, при котором сопротивление воздушному потоку минимально. Таким образом, в результате вращения рабочего колеса лопасть поворачивается под воздействием момента, возникшего вследствие асимметрии площадей лопасти относительно оси поворота, уменьшая свое сопротивление ветру.

При этом возникший момент поворота лопасти передается флюгеру, который поворачивается в ту же сторону, что и лопасть, подставляя свою плоскость под поток ветра, в результате чего на валу флюгера образуется момент, противодействующий и уравновешивающий момент поворота лопасти. При этом момент поворота флюгера не должен быть меньше момента поворота лопасти. Это условие обеспечивается выбором соответствующего размера площади флюгера. При порывах ветра или ураганном ветре срабатывает механизм разгрузки и лопасть занимает, поворачиваясь, положение, близкое к флюгерному, уменьшая угол атаки, и флюгер также занимает положение с минимальным углом атаки. В результате лопасть поворачивается ребром к ветру, что не позволяет ветроагрегату увеличивать число оборотов рабочего колеса, стабилизируя скорость вращения рабочего колеса. Далее лопасть последовательно проходит положение с наименьшим аэродинамическим сопротивлением (положение В на фиг.1), двигаясь навстречу воздушному потоку, лопасть и флюгер расположены параллельно, при этом сопротивление воздушному потоку минимально и вновь приближается к положению А с наибольшим аэродинамическим сопротивлением. К этому времени рабочее колесо сделало полный оборот. Однако благодаря тому, что передаточное отношение механизма поворота лопасти 1:2, лопасть повернулась только на 180 градусов. В момент очередного совпадения плоскости лопасти с радиусом рабочего колеса под действием центробежных сил верхний конец лопасти смещается в направлении действия центробежной силы, отклоняя лопасть, как это показано на фиг.3, т.е. повторяется описанный выше процесс.

Таким образом, за один оборот рабочего колеса лопасть совершает качательное отклонение один раз, т.е. частота возвратно-качательных отклонений лопасти от вертикальной оси в плоскости лопасти равна частоте вращения рабочего колеса.

Поскольку все лопасти выполнены идентичными, очевидно, что все лопасти отклоняются по мере вращения рабочего колеса поочередно описанным выше образом. При этом за один оборот рабочего колеса каждая лопасть отклоняется по одному разу.

Изобретение относится к энергетике, в частности к ветродвигателям, и может быть использовано для создания ветродвигателя с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра. Технический результат, заключающийся в обеспечении возможности поворота лопасти в положение с наибольшим аэродинамическим сопротивлением лопасти с оптимальным углом атаки, уменьшении нагрузки на механизм поворота лопасти и повышении стабильности скорости вращения рабочего колеса, обеспечивается за счет того, что в ветроагрегате, содержащем рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на котором установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с осью поворота лопасти, согласно изобретению верхний конец каждой лопасти выполнен с возможностью отклонения в плоскости лопасти симметрично относительно вертикальной оси на расстояние не более В/5,27, где В - максимальное значение ширины лопасти. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветроагрегат, содержащий рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на котором установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с осью поворота лопасти, отличающийся тем, что верхний конец каждой лопасти выполнен с возможностью отклонения в плоскости лопасти симметрично относительно вертикальной оси на расстояние не более В/5,27, где В - максимальное значение ширины лопасти. 2. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что каждый флюгер кинематически соединен с осью поворота лопасти посредством механизма разгрузки. 3. Ветроагрегат по п. 2, отличающийся тем, что механизм разгрузки выполнен в виде предохранительной муфты.