Ограничитель частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения Российский патент 2023 года по МПК F03D7/06 F03D3/06 

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано для ограничения частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения.

Известен аэродинамический регулятор [1], содержащий три расположенных на траверсах горизонтальных лопасти, внутри которых установлена пружинно-винтовая пара. Когда частота вращения ветротурбины превышает номинальное значение, под действием центробежной силы лопасти передвигаются по резьбе к периферии, поворачиваются плоскостью к направлению вращения и за счёт увеличивающегося аэродинамического торможения ограничивают частоту вращения. Его основными недостатками являются разбалансировка ротора ветротурбины из-за неравномерности поворота лопастей, а также неспособность удерживать частоту вращения в заданном диапазоне при высоких скоростях ветра. Это отрицательно сказывается на функциональных возможностях регулятора, работающего в данном случае в режиме ограничителя частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью.

Цель предполагаемого изобретения – повышение функциональных возможностей ограничителя частоты вращения ветротурбины.

Эта цель достигается тем, что в ограничителе частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения, содержащем, расположенные в плоскости вращения лопастей, установленных на неподвижно связанных с вертикальным валом траверсах, подпружиненные грузы, имеющие возможность перемещения в радиальном направлении, воздействующие под действием центробежной силы на систему ограничения частоты вращения ветротурбины, лопасти установлены с возможностью вращения вокруг их продольной оси на траверсах, грузы неподвижно закреплены на лопастях эксцентрично их осям вращения, на валу центральным отверстием установлено с возможностью поворота коромысло, на концах которого на равных расстояниях от центра имеются первые шарниры, связанные посредством жёстких тяг, длина которых равна расстоянию между осями вращения лопастей и осью вала, с расположенными на лопастях на таком же расстоянии от центра вращения лопастей вторыми шарнирами, причём коромысло под действием пружины прижато к упорам и находится при этом в таком положении, при котором угол установки лопастей соответствует оптимальному по коэффициенту использования энергии ветра значению.

Схематично заявляемый ограничитель частоты вращения ветротурбины с вертикальным валом вращения изображён на фигуре 1.

Он содержит расположенные в плоскости вращения лопастей 1, установленных в подшипниках 2 на траверсах 3, жёстко связанных с вертикальным валом 4 ветротурбины, плоские с целью уменьшения аэродинамического сопротивления при вращении грузы 5. Грузы закреплены неподвижно на лопастях 1 со смещением их центров тяжести относительно осей вращения лопастей. На валу установлено с возможностью поворота коромысло 6, на концах которого на равных расстояниях от оси вала имеются шарниры 7, связанные посредством жёстких тяг 8 с шарнирами 9, расположенными на лопастях на таком же расстоянии от оси вращения лопастей. Длина тяг равна расстоянию между осями вращения лопастей 1 и осью вала 4. Коромысло под действием спиральной пружины 10 прижато к упорам 11 и находится при этом в таком положении, при котором угол установки лопастей соответствует значению, оптимальному по коэффициенту использования энергии ветра. Вал ветротурбины вращается в подшипнике 12, установленному в опоре 13 ветроагрегата.

Работает ограничитель частоты вращения следующим образом.

При скоростях ветра не выше заданной и соответственно частоте вращения ветротурбины, не превышающей номинальное значение, центробежная сила грузов не в состоянии преодолеть сопротивление пружины. Коромысло прижато к упорам 11, лопасти находятся в исходном состоянии, соответствующем их номинальному положению, обеспечивающему наибольшую мощность ветротурбины при данной скорости ветра.

При увеличении скорости ветра V пропорционально увеличивается и частота вращения n ветротурбины. И как только она достигнет расчётной величины n_p коромысло под действием центробежной силы грузов, преодолевая сопротивление пружины, начнёт поворачиваться по часовой стрелке (если смотреть сверху) и посредством тяг начнёт уводить угол установки ветротурбин от оптимального значения. С этого момента ограничитель переходит в режим статического регулирования частоты вращения (режим работы по отклонению), осуществляющего её стабилизацию с точностью ∆n соответствующей статической характеристике регулятора. Чем больше при увеличивающейся скорости ветра будет отклоняться частота вращения от расчётной, тем больше будет и центробежная сила грузов и тем больше угол поворота коромысла и лопастей, будет отходить от оптимального значения (см. фиг. 2). В результате нарастание частоты вращения практически прекратится вплоть до буревой скорости ветра. При этом лопасти повернутся на угол близкий к 90°.

Таким образом, в отличие от прототипа ограничение будет осуществляться во всём диапазоне скоростей ветра при отсутствии дисбаланса ветротурбины так как поворот лопастей благодаря их связи через тяги и коромысло будет осуществляться синхронно. В этом и заключается полезный эффект предполагаемого изобретения.

Источник информации

1. Сироткин Е.А. Система аварийного торможения ветроэнергетической установки: Дис. к.т.н. – Челябинск, 2019 – С. 48…49. [Электронный ресурс]. URL https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/80639/1/urfu2133_d.pdf: (дата обращения 22.03.2021

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к системам автоматического регулирования для ограничения частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения. Ограничитель частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения содержит расположенные в плоскости вращения лопастей, установленных на неподвижно связанных с вертикальным валом траверсах, подпружиненные грузы, имеющие возможность перемещения в радиальном направлении, воздействующие под действием центробежной силы на систему ограничения частоты вращения ветротурбины. Лопасти установлены с возможностью вращения вокруг их продольной оси на траверсах. Грузы неподвижно закреплены на лопастях эксцентрично их осям вращения. На валу центральным отверстием установлено с возможностью поворота коромысло, на концах которого на равных расстояниях от центра имеются первые шарниры, связанные посредством жёстких тяг, длина которых равна расстоянию между осями вращения лопастей и осью вала, с расположенными на лопастях на таком же расстоянии от центра вращения лопастей вторыми шарнирами. Коромысло под действием пружины прижато к упорам и находится при этом в таком положении, при котором угол установки лопастей соответствует оптимальному по коэффициенту использования энергии ветра значению. Техническим результатом является обеспечение ограничения частоты во всём диапазоне скоростей ветра при отсутствии дисбаланса ветротурбины за счет синхронного поворота лопастей. 2 ил.

Ограничитель частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения, содержащий расположенные в плоскости вращения лопастей, установленных на неподвижно связанных с вертикальным валом траверсах, подпружиненные грузы, имеющие возможность перемещения в радиальном направлении, воздействующие под действием центробежной силы на систему ограничения частоты вращения ветротурбины, отличающийся тем, что лопасти установлены с возможностью вращения вокруг их продольной оси на траверсах, грузы неподвижно закреплены на лопастях эксцентрично их осям вращения, на валу центральным отверстием установлено с возможностью поворота коромысло, на концах которого на равных расстояниях от центра имеются первые шарниры, связанные посредством жёстких тяг, длина которых равна расстоянию между осями вращения лопастей и осью вала, с расположенными на лопастях на таком же расстоянии от центра вращения лопастей вторыми шарнирами, причём коромысло под действием пружины прижато к упорам и находится при этом в таком положении, при котором угол установки лопастей соответствует оптимальному по коэффициенту использования энергии ветра значению.