Ветроустановка Советский патент 1993 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии ветра в механическую энергию и может использоваться в конструкциях ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения с ветроко- лесами быстроходного типа с приведенной мощностью до 50 кВт на каждую лопасть.

Цель изобретения - повышение надежности работы ветроустановки. „ Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена установка: на фиг.2 - конструктивное исполнение.шар- ни рного соединения лопасти с траверсой по выноске 1 на фиг.1; на фиг.З - вид в плане сечения А-А на фиг.2; на фиг.4 - расположение силовых элементов в оболочке лопасти; на фиг.5 - схема положений лопасти в различных точках окружности ротора; на фиг.б - схема положения лопастей в номинальном режиме работы; на фиг.7 - положение лопастей в безветрие; на фиг,8 - положение лопастей во время пуска (при появлении ветра); на фиг.9 - положение лопастей при штормовой скорости ветра.

Ветроустановка состоит из опорной башни 1, внутри которой проходит вертикальный вал 2 отбора мощности, мультипликатора 3, установленного на вершине башни 1, и ветроколеса 4, состоящего из лопастей 5 и траверс 6, соединенных между собой с помощью вертикального шарнира 7 (см. фиг.1). Ветроколесо удерживается на башне системой растяжек. Механическая энергия преобразуется в электрическую генераторами, на валах которых закреплены маховики. Лопасть состоит из двух частей, жестко соединяемых между собой с помощью муфты 8, представляющей собой аэродинамической формы двойной желоб 9, в каждом из которых закрепляется верхняя или нижняя часть лопасти. Оба желоба свариваются между собой обтекаемой формы патрубками 10, образуя в средней части муфты свободное пространство, в котором размещаются узлы крепления лопасти с траверсой: ось 11, кронштейн 12 с подшипником 13 скольжения, ось кулисы 14 и сама кулиса 15 со штоком 16 (см. фиг.2 и 3).

w

Ё

00

ю о о

hO 4

Каждая лопасть упрочнена лонжероном 17, вертикальные ребра которого доходят до внутреннего кольца желоба 9, а нервюры располагаются между кольцами.

Оболочка 18 жестко прикреплена к нервюрам.

Сам лонжерон 17 так расположен внутри оболочки 18, что центр тяжести всей лопасти С (см. фиг,4) расположен на осевой линии оси 11. Технически это достигается применением дополнительных балансировочных грузиков (условно не показанных), закрепляемых любым известным способом на донышках желобов муфты 8.

Внутри траверсы 6 со стороны хвостовой части лопасти устанавливается шток 16, удерживаемый двумя пружинами 19 и 20. Пружина 19 меньшей жесткости, чем пружина 20. На передней части штока устанавливается одна из необходимых мерных масс 21, представляющих собой разрезанную втулку, закрепленную на штоке по торцам от осевого перемещения и по наружному диаметру съемным пружинным разрезным кольцом.

При испытаниях подбирается необходимая масса груза, чтобы компенсировать неточности в изготовлении: величины массы лопасти, точности расположения центра ее тяжести и жесткости пружин 19 и 20. Угол поворота лопасти из положения I в положение III регулируется установкой пружинных упорных колец 22 в соответствующую канавку штока.

Работает ветроустановка следующим образом.

Во время безветрия (см. фиг.7) хорды лопастей расположены под углом ymin к оси траверсы. На фиг.З это положение обозначено штрихпунктирной лииией I-I, Такое положение обеспечивается усилием пружины 19. Пружина 20 находится в свободном состоянии и не касается шайбы и кольца 22.

С появлением ветра со скоростью, достаточной для запуска установки (см. фиг.З), лопасти, находящиеся в различных точках ротора, испытывают неодинаковые воздействия потока воздуха.

В положении I лопасть образует с набегающим потоком угол атаки Д

Разность моментов

у R COS(ym|n -/3) - X R Sin(ymin $ ОТо есть на лопасти будет возникать положительный крутящий момент.

В положении II ветер воздействует на лопасть как на парус.

Создается также положительный крутящий момент, равный Т R.

В точке III лопасть начинает поворачиваться вокруг своего вертикального шарни- pa d,увеличивая угол с ymin до упром. Величина этого угла прямо пропорциональна расстоянию а (см. фиг.4) и силе ветра и обратно пропорциональна жесткости пружин и величине размера t их установки в траверсе (см. фиг.З).

На лопасти также будет возникать разность моментов

5

0

5

0

5

0

5

0

5

У1 R COS0-X1 R sin0.

В зависимости от угла в эта разность может быть величиной как положительной, так и отрицательной.

Геометрически угол в можно представить как

в 180° -ySi-упром Углы упром и однозначно взаимосвязаны друг с другом: с ростом упром будет на такую же величину уменьшен .

Величины yi и xi в значительной мере зависят от упром .

Поэтому, чтобы во время запуска ветро- установки в работу, разность моментов в точке III не сказывалась отрицательно, вышеописанные параметры подбирают такими, чтобы упром 90°.

Конструктивно это значит, что минимальная скорость ветра, достаточная для запуска, должна в состоянии покоя ротора повернуть лопасть вокруг своей вертикальной оси, в зоне T.III траектории вращения ротора на угол, при котором хорда лопасти будет занимать промежуточное положение между II-II и Ill-Ill (см. фиг.З), то есть, чтобы начала сжиматься пружина 20.

При этом с ростом угла в yi R cos 0 уменьшается, a xi R sin в увеличивается,

Максимальное отрицательное значение разность моментов будет иметь при в, близком к 90°. На лопастях ротора, находящихся в точках I и II.в момент времени, когда угол в для III точки будет близким к 90°, величины положительных моментов будут всегда большими отрицательного в точке III. Суммарный же крутящий момент всегда будет пожительным. Колесо начнет раскручиваться.

С увеличением числа оборотов возрастает и центробежная сила штока и закрепленной на нем мерной массьГ21. Пружина 19 под их действием начинает сжиматься. Угол упром увеличивается.

Положение лопастей относительно траверс в момент раскручивания ротора, а также при скоростях ветра в пределах 4-7 м/с показано на фиг.5. Так как практически никогда не представляется возможным идеально точно и навсегда сбалансировать массу ротора относительно ее оси, то на фиг.5 показан условно момент, действующий на лопасть из-за смещения центра тяжести относительно вертикальной оси крепления ее к траверсе. Так как хвостовая часть лопасти длиннее ее носовой части, то из-за таких факторов как налипание пыли, оседание влаги, эрозия поверхностей и т.п. центр тяжести вероятнее всего будет смещен (в процессе эксплуатации) в среднюю часть хорды, лопасти. Величина смещения составит приблизительно 1.% расстояния ОСИ (см. фиг.4). Для расчета нагрузок и-на- пряженйй такой величиной можно, в принципе, и пренебречь, но при определении изменения траектории ее берут в учет.

В точке I (см. фиг.5) хорда лопасти расположена параллельно вектору скорости. Это достигается действием момента от центробежной силы штока и груза, умноженной на плечо г(фиг.З), момента MG и скоростного напора потока воздуха, обтекаемого лопасть сверху. Пружина 19 сжалась на поло- вину своего рабочего хода. Шток 16 выдвинулся до контакта с пружиной 20.

В точке II и на пути к ней хорда лопасти продолжает сохранять параллельность вектору скорости ветра. Угол между хордой и .осью траверсы с 90° уменьшается до . Точка II является переходной. До нее ветро- колесо тратило энергию на перемещение лопасти, а после ее пересечения на лопасти будет возникать уже положительный момент, поворачивающий ротор колеса в направлении, указанном стрелкой,

После т.II хорда лопасти образует с вектором скорости ветра VB угол атаки, увели- г ивающийся пропорционально углу поворота траверсы. После точки III сила лобового сопротивления создает на лопасти также положительный момент относительно оси вращения ветроколеса. В дальнейшем, вместе с подъемной силой, они представляют собой основную движущую силу, в том числе и в точках IV и V. На схеме момент от этих сил обозначен Мд. В точке Л хорда лопасти становится параллельно вектору скорости ветра.

Сила прижатия лопасти к штоку, а значит и реакция R на эту силу равна 0.

Дебалансный момент MG начинает поворачивать лопасть вокруг вертикальной оси по часовой стрелке. В последующих положениях дополнительным поворотным моментом, действующим в том же направлении, будет момент Мд. В положении VII лопасть под действием моментов MQ и Мд поворачивается хордой перпендикулярно оси 5 траверсы. При этом сжимается пружина 19. Крутящий момент на валу ветроколеса будет больше, чем в VI положении, так как увеличилась парусность лопасти, В положении VIII и IX величина крутящего момента будет 0 тем больше, чем ближе будет угол у к ута. В точке X хорда вновь становится парал- лельно векторускорости ветра. Начиная с этой точки, ветроколесо вынуждено тратить энергию на перемещение лопасти во

5 встречном потоке ветра. Но так как хорда за все время движения остается параллельной ветропотоку, то эти затраты незначительны по сравнению с конструкциями, в которых лопасти жестко закреплены к траверсам.

0 Последующее увеличение угловой скорости со увеличивает центробежную силу штока с мерными массами и лопасти. Но так как центр тяжести лопасти сбалансирован на вертикальную ось шарнира, которым он

5 крепится к траверсе, т.о ее собственная центробежная сила не будет изменять угол поворота у. Основными факторами, определяющими положение лопасти в пространстве, будут: сила ветра, скорость вра0 щения G), массы штока с мерными грузами, жесткость пружин 19 и 20, а также радиус ветроколеса. Центробежная сила штока стремится увеличить угол у на всех точках траектории лопасти. От точки VI до точки X

5 в направлении вращения ветроколеса (фиг.5) направления центробежной силы, и скорости ветра совпадают. Это способствует увеличению крутящего момента и снижению энергетических затрат на перемещение

0 лопасти во встречном потоке ветра. С точки II до точки VI скоростной напор ветропото- ка, скользя по нижней обшивке лопасти, вместе с усилием пружин 19 преодолевает центробежные силы штока и прижимает ло5 пасть к кулисе, удерживая угол . Это позволяет ветроколесу ускоренно выйти на номинальное число оборотов.

. При скоростях, ветра 8-10 м/с и выше, когда более эффективной будет работа ветро0 установки с быстроходностью выше 4, центробежные силы возрастают и лопасти во время работы в номинальном режиме занимают положение, изображенное на фиг.6. В дальнейшем с увеличением скорости

5 ветра выше номинального значения будет увеличиваться и угловая скорость (о. Центробежная сила штока и мерных грузов будет

при этом возрастать пропорционально квадрату угловой скорости. Угол у во всех

точках траектории лопасти будет увеличиваться от 90° до утах (см. фиг.9). Теперь уже лопасть будет двигаться во встречном потоке (с положения X до положения III) хордой не под нулевым углом к направлению ветра. Существенно возрастает сопротивление перемещению лопасти, что повлечет снижение ш.

Уменьшению угловой скорости будет дополнительно способствовать также далеко не оптимальное значение угла атаки при движении лопасти на траектории от точки III до точки VI. Все это будет стабилизировать вращение ротора и не позволит разогнать его при штбрмовых ветрах до опасных значений (W, когда может произойти разрушение лопастей или траверс, а значит обеспечит надежную работу установки.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет, не применяя специальных средств, осуществлять самозапуск ветроустановки в работу при возникновении достаточной минимальной скорости ветра и удерживать предельно допустимое число

оборотов ротора при штормовых ветрах, не превышая механических перегрузок узлов ветроустановки. Это позволяет существенно повысить экономичность во время эксплуатации, снизить капитальные затраты при изготовлении и увеличить надежность во время работы.

Формула изобретения Ветроустановка, содержащая размещенный в опорной башне вертикальный вал с радиальными полыми траверсами, связанными вертикально-осевыми шарнирами с лопастями, подпружиненные тяги, установленные в полостях траверс и шарнирно соединенные с лопастями, и генератор, связанный с валом при помощи мультипликатора, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности работы, тяги выполнены в виде-кулис, снабженных установленными на них регулировочными грузами, и подпружинены с помощью пар коаксиально установленных цилиндрических пружин, при этом вертикальные оси шарниров совмещены с центрами масс лопастей.

Использование: преобразование энергии ветра в электричество. Сущность изобретения: тяги, соединенные с поворотными лопастями, выполнены в виде кулис, снабженныхорегулировочными грузами. Вертикальные оси шарниров лопастей совмещены с центрами масс лопастей, а кулисы подпружинены, чем повышена надежность работы. 9 ил.

ol

Л-Л

ФигЗ

«

ЈЭДЙ

frZOOZ8l .

ЩигЛ

ФигМ

t1 w 11111

t t Ы