Ветростанция В.Г.Елескина Советский патент 1992 года по МПК F03D5/02 

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветростанции, состоящей из нескольких ветродвигателей с поворотными лопастями, установленными на вертикальных опорах.

Известен ветродвигатель с поворотными лопастями, установленными на кронштейнах вертикального вала и размещенными между верхним и нижним оЬода- ми рабочего колеса ветродвигателя. В верхней части вала имеется флюгер аэродинамического профиля, связанный с одной из лопастей, а в нижней части - электрогенератор. Лопасти выполнены в виде балан- сирных парусов и связаны между собой цепной передачей. Под действием ветра флюгер разворачивает лопасти, которые приводят во вращение ветродвигатель. Полоборота лопасти вокруг своей оси обеспечивает полный оборот рабочего колеса ветродвигателя. Для защиты ветродвигателя от разрушающих ветров имеется узел раз- грузки, разворачивающий лопасть в положение, уменьшающее угол атаки, а следовательно, уменьшающее ветровую нагрузку на лопасти.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является ветродвигатель с катящимися лопастями, которые с двух сторон посредством Y-образных профилей закреплены в осях На концах осей имеются колесики, которые катятся по замкнутым профилям. Внутренние оси лопастей соединены с двумя бесконечными цепями, проходящими по зубчатым колесам, которые закреплены на основной оси, приводящей барабан Последний обеспечивает поворот лопасти в выходной части непосредственно перед входом ветрового потока

Недостатком ветродвигателей является небольшая мощность, ограничивающая область применения.

Цель изобретения - повышение КПД и мощности ветростанции.

На фиг.1 схематично изображена ветростанция, общий вид (вариант размещения на местности); на фиг 2 - ветростанция, фрагмент размещения на местности в увеличенном масштабе; на фиг.З - вид сбоку на мачту и лопасть с линейным электрогенератором; на фиг.4 - то же, но с электрогенератором общего применения; на фиг.5 - ветростанция, схематичный разрез механизма изменения угла атаки, на фиг.б - ветростанция, вид сверху на синхронизирующую мачту и лопасть; на фиг.7 - кинематическая схема механизма разворота лопастей.

Ветростанция состоит из поддерживающих опор 1, установленных на местности

с определенным шагом внутри замкнутого контура (фиг.1 и 2). Вне контура в его впадинах установлены натяжные опоры а и б, а внутри контура периодически размещены

синхронизирующие опоры в и г. Каждая опора содержит две звездочки 2, зубья которых со стороны, удаленной от опоры, поддерживают несущие цепи 3, на которых закреплены с определенным шагом пово0 ротные лопасти 4, выполненные в виде ба- лансирных парусов. К нижней цепи 3 подвешена магнитная система 5 линейного электрогенератора, выполненная из материалов, обладающих высокотемпе5 ратурной сверхпроводимостью, а под магнитной системой 5 на фундаменте б установлен линейный статор 7, расположенный по замкнутому контуру.

Поддерживающая опора 1 содержит

0 верхний и нижний кронштейны 8, концы которых образуют вилки 9, в которых закреплены звездочки 2. Верхний кронштейн дополнительно крепится к голове опоры 1 раскосом 10, к земной поверхности -ванта5 ми 11 через имеющиеся кронштейны 12. У основания вилки 9 расположен механизм разворота лопастей 13, а на вилке - механизм отключения с электромагнитным при: водом. 14 с отклоняющим упором 15.

0Натяжение опоры а и б указанных механизмов не имеют. Синхронизирующие опоры в и г дополнительно содержат механическую передачу 16, например, цепную, соединяющую верхнюю и нижнюю

5 звездочки 2. Нижний кронштейн 8 содержит дополнительное крепление в виде подпорки 17 или подкоса 18. Нижняя звездочка 2 может иметь удлиненный вал 19, соединенный с зубчатой передачей 20 с электрогенерато0 ром 21 общего применения.

Поворотная лопасть 4, выполненная в виде балансирного паруса, содержит верх нюю и нижнюю концевые шайбы 22, соединенные двумя стержнями 23, на которых

5 натянута парусина 24. Нижний вал 25 лопасти 4 через подшипник закреплен на цепи 3, а верхний вал 26, кроме того, содержит два оппозитно установленных ролика 27 и насаженный на конец вала 26 механизм из0 менения угла атаки 28. Последний содержит основание 29 в виде трубы, на которое с натягом посажена втулка 30 и совместно насажены на вал 26 и закреплены на нем стопорным болтом 31. Выше втулки 30 на

5 основании 29 насажены три подшипника 32, разделенные распорными кольцами 33. Нижний подшипник несет цепную звездочку 34, на которой закреплен цилиндрический клин 35, находящий в контакте с другим клином 36, с имеющимися на внутренней поверхности шлицами 37, в которые входят подпружиненные сухарики 38, содержащиеся во втулке 30. Кроме того, клин 36 прижат к клину 35 пружиной 39 через направляющее кольцо 40, внутренняя окружность которого имеет выступы, входящие в шлицы 41 втулки 30. Другой конец пружины 39 опирается на фланец втулки 30, ниже которого располагается ограничительное кольцо 42, содержащее ограничители 43, выполненные в виде шпилек и закрепленных перпендикулярно плоскости кольца на его диаметральной линии, и проходящих через отверстие во фланце втулки 30 в пространство между пружиной 39 и втулкой 30. Ниже кольца 42 располагается управляемая муфта 4, отделенная от кольца 42 пружинами 45 и содержащая стержни 46, направленные вдоль оси муфты и закрепленные в ней одним концом на диаметральной линии, а другой конец пропущен через отверстие в кольце 42 фланца втулки 30, направляющего кольцо 40 и сухарик 38. При этом конец стержня 46 и отверстие в сухарике 38 образуют контактирующие между собой клинья. Нижняя часть муфты 44 содержит шпильку 47, проходящую по диаметру насквозь через муфту, втулку 30 и отверстие 29, причем у последних для этой цели выполнено окно, вытянутое в продольном направлении. Вал 26 содержит подшипниковый узел 48, корпус которого закреплен на несущей цепи 3 и здесь же крепится кронштейн 49, содержащий валик 50 с насаженным на нем двуплечим рычагом 51, одно плечо которого выполнено в виде втулки, зацепленной с муфтой 44, а другое плечо содержит ролик 52, имеющий возможность входить в контакт с отклоняющим упором 15 механизма отключения 14.

Кроме того, рычаг 51 содержит подпружиненный фиксатор 53, входящий в вырезы сегмента 54, закрепленного на кронштейне 49, на котором выше сегмента закреплена ось 55 с насаженным на нее двуплечим рычагом, у которого одно плечо 56 входит в зацепление с фиксатором 53, а другое плечо 57 - с ограничителем-кольцом 42. Кронштейн 49 содержит пояс 58, который посредством болта 59 крепит деталь 60, содержащую подшипник 61 с запрессованным валом 62, на концах которого на шпонках 63 насажены нижняя звездочка 64, связанная цепью с звездочкой 34, и верхняя звездочки 65, связанная цепью с звездочкой 66, насаженной на верхний подшипник 32.

При этом звездочки 34, 64, 65 и 66 подобраны так, что общее передаточное отношение составляет 2:1. Звездочка 66 несет на

себе головку 67, имеющую на внутренней стенке шлицы 68 и насаженную на основание 29 через подшипник 89, отделенный от подшипника 32 распорной втулкой 70, за- 5 крепленной на основании стопорным болтом 71 и содержащей подпружиненную защелку 72, проходящую через окно вовнутрь полости основания 29 и имеющую возможность входить в шлицы 68. Во внутренней полости

0 основания 29 на шпильке 47 соосно основанию покоится пружина 73, на которой стоит шток 74, верхний конец которого образует клин, контактирующий с защелкой 72. В верхней части головки 67 запрессован де5 ржатель флюгера 75.

Механизм разворота лопасти 13 состоит из основания 76, насаженного на ось 77, закрепленную на кронштейне 8, содержащей опоры вращения роликов 78, между ко0 торыми находится в контакте брус 79, имеющий на одном конце ограничитель 80, способный входить в контакт с роликом 27, а другим концом брус входит во вращательную пару 81 с шатуном 82, который входит

5 во вращательную пару 83 с рычагом 84, закрепленным на основании 76, которое стянуто пружиной 85 с брусом 79. Соосно оси 77 установлен вал 86 флюгера 87. на котором на шлицах сидит кулачок 88, который

0 контактирует снизу с роликом 89, насаженным на конец двуплечего рычага 90, имеющего ось вращения 91 и насаженный на другой конец ролик 92, контактирующий с кулачком 93, закрепленным на цилиндре 94,

5 способном вращаться на валу 95, который, в свою очередь, может вращаться в опорах 96 и содержит на конце балансирную лопасть 97, а в районе кулачка 93 кронштейн 98, закрепленный перпендикулярно валу 95

0 и проходящий между выступами 99, имеющимися на кулачке 93, и прижат пружиной 100 к одному из выступов 99. Кронштейн 98 на верхнем конце содержит подпружиненную защелку 101, упирающуюся вограничи5 тель 102, находящийся на конце двуплечего рычага 103, имеющего ось вращения 104, а на другом конце рычага насажен ролик 105, контактирующий с кулачком 88. Цилиндр 94 содержит крыло 106 и кронштейн 107.

0 поддерживающий конец пружины 108, из которой другой конец закреплен на основании 76.

Ветростанция действует следующим образом.

5 Предварительно включаются сверхпроводящие обмотки магнитных систем 5, в которых образуется магнитное поле, создавая над статором 7 магнитную подушку, разгружая тем самым опоры 1 и несущие цепи 3 от

силы тяжести магнитных систем 5 и лопастей 4.

Когда подует ветер, то от него флюгер 75 устанавливается по ветру, действуя на механизм изменения угла атаки 28, который устанавливает лопасть 4 в наивыгоднейший угол атаки к ветру и на ней создается усилие, прикладываемое к несущей цепи 3 и направленное вдоль цепи. Такое положение возникает на всех лопастях ветростанции, и даже в том случае, когда направление ветра на отдельных участках контура одновременно может быть разным (вплоть до противоположного). Возникающее усилие на несущей цепи 3 приводит ее в движение по контуру и увлекает за собой подвешенные к цепи магнитные системы 5 линейного электрогенератора, которые своим магнитным полем пересекают витки обмотки статора 7 и наводят в них ЭДС, а подключив токоприемник, последний получит электроэнергию.

Флюгер 75 уста на вливает наивыгоднейший угол атаки лопасти 4 через следующие детали механизма изменения угла атаки: 67,

66,65, 62, 64, 34, 35, 38, 30 и 26. Для выхода из работы ветростанции подается импульс электрического тока на электромагнитный привод отключающего устройства 14, который поворачивает свои отклоняющие упоры 15 таким образом, что контактирующий с ними ролик 52 на двуплечем рычаге 51 поворачивает его на валике 50 в другое положение, закрепляемое фиксатором 53, а вилка рычага 51 поднимает муфту 44, которая прерывает кинематическую связь лопасти 4 с механизмом изменения угла атаки посредством стержней 46, воздействующих на подпружиненные сухарики 38. которые выходят из зацепления с клином 36. Освободившаяся лопасть 4, благодаря незначительной асимметрии усилий от действующего ветра, обусловленных наличием выпуклостей на профиле паруса, поворачивается, занимая флюгерное положение, и перестает двигать несущие цепи 3. Одновременно с этим муфта 44 образует жесткую кинематическую связь флюгера 75 с лопастью 4 в момент совпадения их плоскостей посредством шпильки 47, пружины 73, штока 74, который своим верхним концом вводит-в зацепление с головкой 67 защелку 72, образуя жесткую кинематическую связь: 75,

67,72, 29, 30 и 26. -

Для последующего ввода в работу ветростанции подается импульс электрического тока на привод отключающего устройства 14, который переводит отклоняющий упор 15 в рабочее положение. Если требуется продвинуть несущие цепи 3, то это можно осуществить, например, разгонным двигателем (не показан), вал которого соединен с валом механической передачи 16, установленной на синхронизирующих мачтах. При этом механизмы изменения углов атаки 28

5 после контакта с отклоняющим упором 15 отключающего устройства 14 связываются с валом 26 лопасти 4, которая одновременно теряет прямую связь с флюгером 75 посредством опускающейся муфты 44 от рычага 51.

0 В случае возникновения сильных ветров лопасти 4, благодаря незначительной асимметрии усилий на площади паруса 24, поворачиваются в сторону уменьшения угла атаки, преодолевая при этом сопротивле5 ние клиньев 35 и 36 и пружины 39. При снижении силы ветра пружина и клинья возвращают лопасть 4 в прежнее положение. При предельных усилиях на лопасти от действия ветра, она поворачивается на еще

0 больший угбл, при котором клин 36, сжимая пружину 39, опускается настолько, что направляющим кольцом 4 нажимает на ограничители 43, которые опускают ограничительное кольцо 42, сжимая пружину 45.

5 При этом зацепленное с кольцом 42 плечо рычага 57 поворачивает его на оси 55 по часовой стрелке, а другое плечо 56 нажимает на фиксатор 53, освобождая рычаг 51, правое плечо которого под действием соб0 ственного веса опускается вниз, а левое плечо-вилка поднимает муфту 44, переводя во флюгерное положение лопасть 4, которая, двигаясь мимо мачты, своим механизмом изменения угла атаки 28 вновь

5 переводится в рабочее положение после контакта с отклоняющим устройством 14. Под действием сильного устойчивого ветра наиболее нагруженные лопасти 4 при своем движений снижают свою нагрузку из0 менением угла атаки, благодаря клиньям 35, 36 и пружине 39, а после пересечения диаметральной плоскости контура, перпендикулярной направлению ветра, разворачиваются механизмом разворота 13, которым

5 обеспечена каждая опора, находящаяся внутри контура ветростанции.

Механизм разворота (фиг.7) начинает работать при совпадении определенной величины силы ветра, контролируемой крылом

0 106, и определенного направления ветра, контролируемого флюгером 87, у которого на валу 86 скользит на шлицах цилиндрический кулачок 88, который поднимается левым плечом рычага 90. в то время как его

5 правое плечо опускается от воздействия на его ролик 92 кулачком 93, приводимого во вращение крылом 106, которое одновременно преодолевает натяжение пружины 108. Дальнейший поворот кулачка 93 ограничивается его выступом 99. упирающимся

в кронштейн 98, который ограничителем 102 удерживается посредством защелки 101. Если в это время направление ветра соответствует моменту разворота лопасти, флюгер 87 поворачивает цилиндрический кулачок 88 своей вершиной под ролик 105, который поднимается еще выше, поворачивая на оси 104 двуплечий рычаг 103, у которого правое плечо с ограничителем 102 опускается, освобождая кронштейн 98 с за- щелкой 101. Тогда крыло 106 отклоняется по ветру, поворачивая вал 95 с балансирной лопастью 97, которая начинает воспринимать действие ветра, а образовавшийся на ней вращающий мрмент поворачивает на оси 77 основание 76, которое своим рычагом 84 через шатун 82 выдвигает катящийся по роликам 78 брус 79 с ограничителем 80 и у которого возникает контакт с роликом 27, закрепленным на валу 26 проходящей мимо ограничителя 80 лопасти 4, и в результате этого происходит ее разворот.

При ослаблении силы ветра или при смене его направления пружина 108 поворачивает в исходное положение крыло 106 и лопасть 97, а пружина 85 втягивает брус

79 с ограничителем 80 и возвращает в исходное положение основание 76.

Формула изобретения Ветростанция, содержащая вертикальные опоры с механизмами разворота и звез- дочками, охватывающие их верхние и нижние цепи, установленные на последних, выполненные в виде парусов лопасти с механизмами изменения углов атаки, и электрогенератор, отличающаяся тем.что. с целью повышения мощности, ветростанция снабжена дополнительными опорами со звездочками, опоры снабжены верхними и нижними кронштейнами, звездочки установлены на последних, одна часть опор снабжена устройствами натяжения цепей, а другая - синхронизирующими механическими передачами, связанными с цепями, электрогенератор выполнен в виде роторной магнитной высокотемпературной сверхпроводящей системы, связанной с нижней це.пью, и линейного статора, расположенного по замкнутому контуру под системой, каждый из механизмов изменения углов атаки - в виде флюгера, кинематически связанного с соответствующим парусом.

Использование: ветростанция относится к ветроэнергетике и является источником получения энергия за счет ветрового потока. Целью изобретения является повышение КПД и мощности ветростанции. Сущность изобретения: ветростанция состоит из поддерживающих опор 1, установленных на ме- стности с определенным шагом по замкнутому контуру. Вне контура расположены натяжные опоры, а внутри контура синхронизирующие опоры, имеющие синхронизирующие механические передачи. Поддерживающие опоры содержат верхний и нижний кронштейны 8, на концах которых в вилках 9 закреплены звездочки 2. Зубья звездочек со стороны, удаленной от опор, поддерживают несущие цепи 3, на которых закреплены с определенным шагом поворотные лопасти, выполненные в виде балансирных пуансонов. Каждая поддерживающая опора снабжена механизмом разворота 13 лопасти, расположенного у основания вилки на верхнем кронштейне, и механизмом отключения ветростанции, расположенным на вилке верхнего кронштейна. На верхнем валу 26 поворотной лопасти установлен механизм изменения угла атаки 28, а нижним валом 25 лопасть закреплена на нижней цепи. К нижней цепи подвешена магнитная система 5 линейного электрогенератора, а под магнитной системой по замкнутому контуру расположен линейный статор 7. 7 ил. (Л Ч с 9i N СП рс/гЗ

U

Фиг.1

8

LLtf

8

Фиг 4

75

№

Фиг.5

,