Привод лопастей ветроэнергетической установки Российский патент 2025 года по МПК F03D7/04 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам автоматического регулирования ветряных двигателей, в частности регулировки шага лопастей.

Из патента РФ №2354845 известен принятый за прототип привод лопастей ветроэнергетической установки с использованием кинетической энергии ветроколеса в составе вала регулировки шага лопастей, тормоза обратного действия и блока управления, при этом вал регулировки шага лопастей расположен коаксиально в полости главного вала и связан с лопастями, а тормоз обратного действия оборудован пружинной фиксацией и имеет вход, который соединен с первым выходом блока управления, в состав привода лопастей ветроэнергетической установки дополнительно входят два диска, расположенные на валу регулировки шага лопастей, с упорами и тормозом прямого действия на каждом диске, блокирующий тормоз (функционально это «электромагнитная муфта») между главным валом и валом регулировки шага лопастей, стартер, установленный на одном из дисков, при этом каждый диск с валом регулировки шага лопастей образует винтовую пару, причем один диск образует винтовую пару правого вращения, а другой диск - левого вращения; каждый диск имеет упоры от бокового перемещения и тормоз прямого действия с независимым управлением, причем вход тормоза первого диска соединен с четвертым выходом блока управления, а вход тормоза второго диска соединен со вторым выходом блока управления; главный вал и вал регулировки шага лопастей связаны общим блокирующим тормозом, вход которого соединен с пятым выходом блока управления; стартер, установленный на одном из дисков, служит для запуска ветроэнергетической установки и имеет вход, соединенный с третьим выходом блока управления.

Общими существенными признаками известного технического решения, принятого за прототип, являются следующие.

Привод лопастей ветроэнергетической установки с использованием кинетической энергии ветроколеса в составе вала регулировки шага лопастей, тормоза обратного действия и контроллера, при этом вал регулировки шага лопастей расположен коаксиально в полости главного вала и связан с лопастями, а тормоз обратного действия оборудован пружинной фиксацией и имеет вход, который соединен с контроллером; диск (ходовая гайка) с валом регулировки шага лопастей образуют винтовую пару, причем вход тормоза диска (ходовой гайки) соединен с контроллером; стартер (электродвигатель), установленный на диске (ходовой гайке), служит для запуска ветроэнергетической установки и имеет вход, соединенный с контроллером.

В предлагаемом прототипом решении имеются следующие технические проблемы:

- большое количество управляемых механических элементов не обеспечивают необходимое быстродействие управления ветроколесом в целом, поскольку на последовательное взаимодействие элементов требуется времени больше, чем необходимо для достаточно точного отслеживания ветровых условий, что особенно важно при скорости ветра, превышающей номинальную;

- алгоритм работы контроллера для реализации функционирования механизма больше загружен обеспечением последовательности работы элементов, чем точностью учета текущих быстро меняющихся характеристик ветра, что замедляет процессы регулировки лопастей ветроколеса и делает управление более грубым, при котором приходится поступиться количеством получаемой энергии;

- ввиду большого количества динамически взаимодействующих механических элементов повышается их износ и снижается надежность устройства;

- непосредственное взаимодействие дисков и упоров повышает вероятность механического повреждения устройства при остановке лопастей во флюгерном положении, особенно важно при буревом ветре, превышающем рабочий режим;

- на ветроэлектрических установках, снабженных таким механизмом, желательно применение только простейшего асинхронного электрогенератора, поскольку применение более эффективных и, соответственно, более сложных и дорогих генераторов проблематично ввиду недостаточного быстродействия системы управления лопастями.

Предлагаемым изобретением решаются следующие технические задачи: обеспечение необходимого быстродействия управления ветроколесом, обеспечение точности управления и снижение потерь вырабатываемой электроэнергии, повышение надежности устройства.

Для решения данных технических задач, в приводе лопастей ветроэнергетической установки с использованием кинетической энергии ветроколеса в составе вала регулировки шага лопастей, тормоза обратного действия и контроллера, при этом вал регулировки шага лопастей расположен коаксиально в полости главного вала и связан с лопастями, а тормоз обратного действия оборудован пружинной фиксацией и имеет вход, который соединен с контроллером; ходовая гайка с валом регулировки шага лопастей образуют винтовую пару, причем вход тормоза ходовой гайки соединен с контроллером; электродвигатель, установленный на ходовой гайке, служит для запуска ветроэнергетической установки и имеет вход, соединенный с контроллером, в отличие от прототипа, вал регулировки шага лопастей связан с главным валом посредством направляющей втулки, обеспечивающей свободное линейное перемещение вала регулировки шага лопастей вдоль главного вала и одновременно передающей синхронное вращение от главного вала к валу регулировки шага лопастей (это позволяет снабдить регулировочный вал одной резьбой вместо двух резьб противоположного направления, предусмотренных в прототипе); электродвигатель выполнен с возможностью реверса направления вращения по командам контроллера и соединен непосредственно с ходовой гайкой, которая в свою очередь связана с электромагнитной муфтой, которая по командам контроллера соединяет или рассоединяет ходовую гайку с главным валом (это заменяет механизм, предложенный в прототипе, состоящий из двух противоположно направленных резьб на регулировочном валу и двух дисков с их тормозами и упорами и обеспечивает управление движением регулировочного вала в двух противоположных направлениях, соответственно поворачивая лопасти относительно потока воздуха); электромагнитный тормоз выполнен в виде нажимного устройства, установленного на валу регулировки шага лопастей, которое включает собственно упор с возможностью движения совместно с валом регулировки шага лопастей и нажатия на подпружиненный диск тормоза для его отвода от диска при заходе вала регулировки шага лопастей за положение, соответствующее крайнему флюгерному положению лопастей.

За счет названных выше новых дополнительных признаков решается следующая техническая проблема: повышается быстродействие устройства за счет того, что изменение положения лопастей реализуется более простым (трехкомпонентным) устройством «реверсивный электродвигатель - ходовая гайка - электромагнитная муфта» под управлением контроллера.

Т.е. вместо более сложной системы (восьмикомпонентной) «электродвигатель - первый диск, взаимодействующий со своими электромагнитным тормозом и упором - второй диск, взаимодействующий со своими электромагнитным тормозом и упором - электромагнитная муфта», управляемой контроллером, проблема решена приводом ходовой гайки реверсивным электродвигателем и соединяемой/рассоединяемой электромагнитной муфтой, управляемых контроллером.

Простой механизм заменяет более сложный и это:

- ускоряет реакцию всего привода лопастей на изменение силы потока воздуха при регулировке положения лопастей ветроколеса, поскольку меньшее количество элементов приводится в последовательные действия, что позволяет более точно отслеживать резкие изменения ветра, что повышает коэффициент использование энергии ветра;

- упрощается алгоритм реализации функционирования механизма, поскольку на работу упрощенного механизма требуется меньше команд контроллера, что позволяет направить его высвобожденные вычислительные ресурсы на повышение точности отслеживания изменяющихся характеристик ветра и еще более ускорить процессы регулировки лопастей ветроколеса, что дает возможность применить более совершенные электрогенераторы, чем, в свою очередь, повысить коэффициент использования установленной мощности;

- исключается вероятность механического повреждения устройства при остановке лопастей во флюгерном положении, поскольку при достижении конечного флюгерного положения в упор и при фиксации тормоза обратного действия пружиной, нажимное устройство расфиксирует на время удара тормоз, что особенно необходимо при остановке ветроколеса во время буревых порывов;

- повышается надежность и упрощается конструкция устройства и удешевляется технология изготовления за счет уменьшения количества конструктивных элементов.

Предлагаемое техническое решение может быть использовано в конструкциях ВЭУ, как правило, средней (более 50 кВт) и большой мощности (более 1000 кВт) для улучшения их энергетических характеристик, особенно в условиях со сложной ветровой обстановкой, характеризующейся высокими градиентами изменения скорости воздуха, которые характерны для климата на территории России в районах децентрализованного энергоснабжения.

Предлагаемое техническое решение поясняется рисунком, на котором изображены:

1 - лопасти;

2 - шарнирные тяги;

3 - направляющая втулка;

4 - регулировочный вал (регулировки шага лопастей);

5 - главный вал;

6 - электрогенератор, подключенный к входу А контроллера 16;

7 - ходовая гайка;

8 - электродвигатель, подключенный к выходу В контроллера 16;

9 - электромагнитный тормоз обратного действия, подключенный к выходу Г контроллера 16;

10 - упор;

11 - ходовая резьба;

12 - электромагнитная муфта, подключенная к выходу Б контроллера 16;

13 - подпружиненный диск тормоза обратного действия;

14 - тормозной диск тормоза обратного действия;

15 - нажимное устройство;

16 - контроллер с входом А и выходами Б, В и Г.

Выше описанное устройство функционирует следующим образом: При подаче от контроллера 16 команды на запуск ветроэнергетической установки отключается электромагнитный тормоз обратного действия 9, включается электродвигатель 8, который вращает ходовую гайку 7. Вращение ходовой гайки 7 приводит в продольное движение регулировочный вал 4 через ходовую резьбу 11. Гайка 7, навинчиваясь на ходовую резьбу 11 вала 4, вызывает его осевое перемещение относительно главного вала 5, снабженного направляющей втулкой 3 исключающей вращение регулировочного вала 4 относительно главного вала 5. Перемещающиеся вместе с валом 4 шарнирные тяги 2 воздействуют на лопасти 1, вызывая их поворот в ступице относительно воздушного потока.

При повороте лопастей 1 от флюгерного положения на ветроколесо начинает действовать аэродинамический момент от набегающего воздушного потока, лопасти 1 поворачиваются в положение измерения скорости ветра. Ветроколесо разгоняется, его вращение от вала 5 передается к не подключенному к сети генератору 6. Вначале лопасти 1, двигаясь от флюгерного положения, достигают угла замера скорости ветра и, при ее соответствии пусковой скорости, поворот лопастей 1 продолжается и запускается программа контроллера 16 на подключение генератора 6 к сети для обеспечения использования кинетической энергии ветра.

В дальнейшем наступает рабочий режим генерации электроэнергии, на электромагнитную муфту 12 по команде контроллера 16 подается напряжение и ходовая гайка 7 соединяется муфтой 12 с главным валом 5, а электродвигатель 8 выключается и, следовательно, регулировочный вал 4 и ходовая гайка 7 вращаются со скоростью главного вала 5. В этом состоянии положение лопастей относительно потока воздуха не меняется до достижения номинальной мощности генератором 6, а при ее превышении по команде контроллера 16 муфта 12 рассоединяет ходовую гайку 7 с главным валом 5 и включается электродвигатель 11, который вращает гайку 7, двигая лопасти 1 в сторону флюгерного положения, соответственно уменьшая мощность передаваемую ветроколесом на генератор 6 до номинальной. После чего муфта 12 по команде контроллера 16 вновь соединяет ходовую гайку 7 с главным валом 5, отключив электродвигатель 8.

При снижении скорости ветра ниже номинального значения, положение лопастей 1 относительно направления потока не изменяется, а при достижении минимально допустимой мощности на генераторе по команде контроллера 16 муфта 12 отсоединяет гайку 7 от главного вала 5 и включает электродвигатель 8, который вращает гайку 7 в сторону уменьшения угла лопастей 1 относительно потока воздуха вплоть до флюгерного положения и ветроколесо останавливается.

Для исключения возможности повреждения вала 4, тормоза 9 в крайнем флюгерном положении лопастей при аварийной остановке (например, при пропадании электропитания) вал 4 снабжен нажимным устройством 15, отжимающим упором 10 подпружиненный диск 13 от тормозного диска 14 при проходе лопастями за флюгерное положение, чем отключается электромагнитный тормоз обратного действия 9, вследствие чего исключается повреждение вала 4 и тормоза 9, а также жестко связанных с ними прочих элементов.

Изобретение относится к устройствам автоматического регулирования ветряных двигателей, в частности регулировки шага лопастей. Привод лопастей ветроэнергетической установки с использованием кинетической энергии ветроколеса содержит вал регулировки шага лопастей, тормоза обратного действия и контроллер. Вал регулировки шага лопастей расположен коаксиально в полости главного вала и связан с лопастями. Тормоз обратного действия оборудован пружинной фиксацией и имеет вход, который соединен с контроллером. Ходовая гайка с валом регулировки шага лопастей образуют винтовую пару. Вход электромагнитной муфты ходовой гайки соединен с контроллером. Электродвигатель, установленный на ходовой гайке, служит для запуска ветроэнергетической установки и имеет вход, соединенный с контроллером. Вал регулировки шага лопастей связан с главным валом посредством направляющей втулки, обеспечивающей свободное линейное перемещение вала регулировки шага лопастей вдоль главного вала и одновременно передающей синхронное вращение от главного вала к валу регулировки шага лопастей. Электродвигатель выполнен реверсивным и соединен с ходовой гайкой, которая в свою очередь связана с электромагнитной муфтой. Электромагнитная муфта по командам контроллера соединяет или рассоединяет ходовую гайку с главным валом. Электромагнитный тормоз снабжен нажимным устройством, установленным на валу регулировки шага лопастей. Техническим результатом является повышение быстродействия управления ветроколесом, обеспечение точности управления и снижение потерь вырабатываемой электроэнергии, повышение надежности устройства. 1 ил.

Привод лопастей ветроэнергетической установки с использованием кинетической энергии ветроколеса в составе вала регулировки шага лопастей, тормоза обратного действия и контроллера, при этом вал регулировки шага лопастей расположен коаксиально в полости главного вала и связан с лопастями, а тормоз обратного действия оборудован пружинной фиксацией и имеет вход, который соединен с контроллером; ходовая гайка с валом регулировки шага лопастей образуют винтовую пару, причем вход электромагнитной муфты ходовой гайки соединен с контроллером; электродвигатель, установленный на ходовой гайке, служит для запуска ветроэнергетической установки и имеет вход, соединенный с контроллером, отличающийся тем, что вал регулировки шага лопастей связан с главным валом посредством направляющей втулки, обеспечивающей свободное линейное перемещение вала регулировки шага лопастей вдоль главного вала и одновременно передающей синхронное вращение от главного вала к валу регулировки шага лопастей; электродвигатель выполнен с возможностью реверса направления вращения по командам контроллера и соединен с ходовой гайкой, которая в свою очередь связана с электромагнитной муфтой, которая по командам контроллера соединяет или рассоединяет ходовую гайку с главным валом; электромагнитный тормоз снабжен нажимным устройством, установленным на валу регулировки шага лопастей, которое включает упор с возможностью движения совместно с валом регулировки шага лопастей и нажатия на подпружиненный диск тормоза для его отвода от диска при заходе вала регулировки шага лопастей за положение, соответствующее крайнему флюгерному положению лопастей.