РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ПОВОРОТНЫМИ ЛОПАСТЯМИ Советский патент 1940 года по МПК F03D7/02 

Как известно, сила ветра отличается большим непостоянством. Рабочие же машины, с которыми приходится спаривать ветродвигатель, в большинстве своем требуют большой равномерности хода. Последняя может быть достигнута различными способами, как то: регулированием нагрузки, выводом ветрового колеса из-под ветра, уменьшением площади лопасти и, наконец, изменением угла ее атаки за счет поворота лопасти или только части ее относительно оси маха.

В области быстроходных ветряных двигателей, в отечественной ветротехнике, последний способ получил наибольшее распространение. Первым крылом, саморегулирующимся путем поворота всей лопасти относительно оси маха, было крыло стабилизаторного типа проф. Сабинина. Развитием этого способа явился впоследствии способ регулирования путем поворота стабилизатором не всей лопасти, а только части ее.

Несмотря на целый ряд преимуществ последнего способа, все же он имеет свои недостатки. Одним из них является возможность обледенения торцевых частей лопасти в месте разреза крыла, вследствие чего регулирование может быть нарушено. С другой стороны, указанный принцип едва ли применим для маломощных быстроходных ветряных двигателей из-за трудности конструктивного оформления. Обычно считают, что нижним пределом применения этого регулирования должен быть ветродвигатель с диаметром колеса не менее 8 метров.

Для осуществления регулирования поворота лопастей вертикальных ветродвигателей уже известно применение отдельных для каждой лопасти центробежных регуляторов прямого действия, размещенных внутри самих лопастей. Такие лопасти обычно снабжались стабилизаторами, наличие которых вызывало соответствующие потери мощности ветроколеса. Регулирующее устройство для вертикальных ветродвигателей с поворотными лопастями, согласно изобретению снабженное центробежными регуляторами прямого действия, размещенными внутри лопастей, отличается тем, что в нем для уменьшения габаритных размеров механизма перемещения лопасти от груза центробежного регулятора и для уменьшения опорных реакций лопасти применены вместо стабилизаторов обычного устройства балансиры, поворотные около оси вращения лопасти и совместно с ней; при этом лопасти снабжены пружиной, противодействующей их поворачиванию инерционными силами, и ограничителями поворота.

На чертеже фиг. 1 изображает продольный разрез примерной формы выполнения поворотной лопасти ветродвигателя с регулирующим устройством, согласно изобретению; фиг. 2- вид лопасти с ее конца; фиг. 3 - поперечный разрез по оси поворота лопасти в месте расположения на последней ограничителя поворота лопасти.

Лопасть 1 укреплена на оси 2 так, что она может свободно поворачиваться в опорах 3 и 4. Первая из опор воспринимает только радиальную нагрузку, вторая - радиальную и осевую.

Регулирующее устройство состоит из следующих элементов: пары конических шестерен 5 и 6, из которых первая насажена неподвижно на конце оси 2, а вторая - свободно на пальце 11, центробежного груза 9, пружины регулирования 14 и балансира 10 из двух грузов. Вспомогательными элементами являются тросик 7, натяжная пружина 8, стопорные кольца 12 и 13 пружины 14 и ограничитель 15 поворота лопасти 1.

Во время работы ветродвигателя лопасть 1 подвергается действию следующих сил, влияющих на регулировку:

1. Аэродинамических сил создающих при определенных конструктивных соотношениях момент, стремящийся повернуть лопасть в направлении стрелки (фиг. 2).

2. Центробежной силы регулирующего груза 9, создающей, при конструктивно заданном положении тросика 7, момент, однозначный с первым, т.е. стремящийся также повернуть лопасть в направлении стрелки (фиг. 2).

3. Инерционных сил лопасти 1, создающих момент, стремящийся при всех положениях лопасти повернуть ее на ход, т.е. совместить хорду профиля лопасти с плоскостью вращения а.

По величине инерционные силы настолько велики, что суммы двух моментов по пп. а и б недостаточно, чтобы ветродвигатель имел хотя бы грубую регулировку. Поэтому действие инерционных сил необходимо парализовать за счет искусственно созданного момента с обратным знаком. Эту роль выполняют известные в ветротехнике балансиры 10, момент инерции которых равен моменту инерции лопасти.

4. Действия пружины 14, стремящейся поставить лопасть в исходное положение.

Поскольку моменты центробежной, силы лопасти и момент балансира 10 уравновешивают друг друга, как равные и противоположные по направлению, то действующими на регулирование остаются:

1) момент аэродинамических сил;

2) момент центробежных сил груза 9;

3) момент, созданный противодействующей пружиной 14.

Первоначальный наивыгоднейший угол заклинивания лопасти на оси 2, полученный аэродинамическим расчетом, устанавливается ограничителем 15, к которому лопасть 1 прижимается пружиной 14.

Во время работы, до расчетной скорости ветра, сохраняется угол заклинивания лопасти, заданный аэродинамическим расчетом. За пределами же расчетной скорости лопасть, при увеличивающейся скорости ветра, будет стремиться развить скорость вращения больше расчетной. С увеличением скорости ветра увеличивается аэродинамическое давление и центробежная сила груза 9. Приращение аэродинамических и центробежных сил груза 9 заставит лопасть изменить свое положение в сторону менее выгодного угла атаки. Как только скорость ветра уменьшится, уменьшится вслед за этим аэродинамическая нагрузка, уменьшится скорость вращения колеса и центробежная сила груза 9, и лопасть встанет снова в исходное положение.

Прирост центробежной силы, вследствие увеличения скорости вращения, вызывает смешение груза 9 к концу лопасти.

Тросик 7, будучи одним концом закреплен на ролике шестеренки 6, будет ее поворачивать на пальце 11. Подвижная шестеренка 6 будет обкатывать неподвижную шестеренку 5 и лопасть будет поворачиваться относительно оси 2 в опорах 3 и 4.

Проделанные испытания устройства дали весьма благоприятный результат: неравномерность хода, зафиксированная тахографом, оказалась равной 4,5%, что является вполне достаточным для работы с генератором отдающим ток непосредственно в осветительную сеть без установки дополнительных регуляторов напряжения.

Регулирующее устройство для вертикальных ветродвигателей с поворотными лопастями, в котором применены отдельные центробежные регуляторы прямого действия, размещенные внутри самих лопастей, отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритных размеров механизма передвижения лопасти и для уменьшения ее опорных реакций, применены обычные, уравновешивающие инерционные силы и поворачивающие лопасти вокруг своей оси, балансиры 10 с противодействующей им пружиной 14 и с ограничителями поворота 15.