RU2059108C1

RU2059108C1 - Rocking wind drive

Info

Publication number: RU2059108C1
Authority: RU
Inventors: Леонид Липманович Анцелиович
Original assignee: Леонид Липманович Анцелиович
Priority date: 1991-10-30
Filing date: 1991-10-30
Publication date: 1996-04-27

Abstract

FIELD: wind power engineering. SUBSTANCE: wind receiving working member is made up as at least one horizontal aerodynamic blade 1 with flat end washer 2 and tie 6. The washer are pivotally connected with rocker 3 provided with pivot stops 4 and 5. The tie defines parallelogram mechanism together with lever 7 of blade 1 and rotatable lever 8. The pivot joints of rocker 3 and blade 1 are arranged downstream of the pressure center of this surface. Rocker 3 is mounted on cantilever 9 by way of a pivot. Cantilever 9 has stops 10 and 11 and double-position groove 12 for rotatable lever 8. Cantilever 9 is mounted on rotatable head 13 of the rotary pivot at the top part of tower 14. In addition, there are wing counterweight and pivot joint of tie and rod of the piston hydraulic pump at the front of the cantilever. EFFECT: enhanced reliability. 3 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнеpгетике и может быть использовано для разработки механических приводов возвратно-поступательных поршневых, а также центробежных гидронасосов и других потребителей механической энергии. The invention relates to wind energy and can be used to develop mechanical reciprocating piston drives, as well as centrifugal hydraulic pumps and other consumers of mechanical energy.

Известны конструкции ветроагрегатов с вертикальной осью вращения и поворотными лопастями (заявка ФРГ N 0 3534997, 02.04.87) и с мачтой и парусом, размещенными на вращающейся головке и кинематически связанными с гидронасосом (авт.св. СССР N 1560782, кл. F 03 D 5/00, 29.04.88). Known designs of wind turbines with a vertical axis of rotation and rotary blades (application Germany N 0 3534997, 04/02/87) and with a mast and sail placed on a rotating head and kinematically connected with a hydraulic pump (ed. St. USSR N 1560782, class F 03 D 5/00, 04.29.88).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство ветропривода с башней и поворотной головкой с коромыслом, кинематически соединенным с гидронасосом, и реверсивно поворачивающейся несущей плоскостью, установленной на коромысле (патент США N 4525122, кл. F 03 D 5/06, 25.06.85). Closest to the proposed device is a wind turbine with a tower and a rotary head with a beam, kinematically connected to the hydraulic pump, and a reversibly rotating carrier plane mounted on the beam (US patent N 4525122, CL F 03 D 5/06, 06/25/85).

Это устройство отличается сложной, малонадежной и недолговечной системой реверсирования несущей плоскости в конце рабочего хода коромысла. This device is characterized by a complex, unreliable and short-lived system of reversing the bearing plane at the end of the rocker arm stroke.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение КПД ветропривода. The aim of the invention is to simplify the design and increase the efficiency of the wind drive.

Для этого ветроприемный рабочий орган выполнен в виде по крайней мере одной горизонтальной аэродинамической несущей поверхности симметричного профиля с плоскими концевыми шайбами, шарнирно закрепленной на задней части коромысла, на котором шарнирно установлены поворотные секторы и поворотный рычаг, соединенные с жесткой тягой с шарнирами в средней части и на концах и шарнирным упором для заднего поворотного сектора, установленной на рычаге несущей поверхности, поворотном рычаге и переднем поворотном секторе, и снабжен кронштейном, размещенным на поворотной головке с шарниром для коромысла, упорами для поворотных секторов, упорами и двухпозиционным пазом для поворотного рычага, один конец которого шарнирно закреплен на тяге, а другой шарнирно закреплен на коромысле, плоскими шайбами, расположенными с обоих торцов несущей поверхности симметричного профиля, и противовесом, установленным на коромысле. For this, the wind receiving working body is made in the form of at least one horizontal aerodynamic bearing surface of a symmetrical profile with flat end washers pivotally mounted on the rear part of the beam, on which the pivot sectors and the pivot arm are connected pivotally with hinges in the middle part and at the ends and with a hinge stop for the rear rotary sector mounted on the lever of the bearing surface, the rotary lever and the front rotary sector, and is equipped with a bracket, p placed on a rotary head with a hinge for the rocker arm, stops for the rotary sectors, stops and a two-position groove for the rotary lever, one end of which is pivotally mounted on the link and the other pivotally mounted on the beam, with flat washers located at both ends of the bearing surface of the symmetrical profile counterweight mounted on the beam.

На фиг. 1 показана конструкция ветропривода при повороте коромысла против часовой стрелки; на фиг. 2 то же, при повороте коромысла по часовой стрелке; на фиг. 3 ветропривод. In FIG. 1 shows the design of the wind drive when the beam is rotated counterclockwise; in FIG. 2 the same, when you turn the rocker arm clockwise; in FIG. 3 wind turbine.

Ветроприемный рабочий орган выполнен в виде по крайней мере одной горизонтальной аэродинамической лопасти симметричного профиля прямоугольной, трапецевидной или стреловидной формы в плане с удлинением 5-10 и углом стреловидности до 30^о. Лопасть 1 с плоскими концевыми шайбами 2 треугольной формы шарнирно закреплена на коромысле 3, на котором установлены шарнирные упоры 4 и 5, жесткая тяга 6, которая с рычагом 7 лопасти 1 и поворотным рычагом 8 образует параллелограммный механизм, причем ось вращения лопасти 1 относительно коромысла 3 расположена за центром давления поверхности лопасти.The wind receiving working body is made in the form of at least one horizontal aerodynamic blade with a symmetrical profile of a rectangular, trapezoidal or swept shape in plan with an elongation of 5-10 and a sweep angle of up to 30 ^about . The blade 1 with flat end washers 2 of a triangular shape is pivotally mounted on the beam 3, on which the articulated stops 4 and 5 are mounted, a rigid rod 6, which with the lever 7 of the blade 1 and the pivoting lever 8 forms a parallelogram mechanism, and the axis of rotation of the blade 1 relative to the beam 3 located behind the center of pressure of the surface of the blade.

Коромысло 3 шарнирно установлено на кронштейне 9, имеющем упоры 10 и 11 для шарнирных упоров 4 и 5, а также двухпозиционный паз 12 с упорами для поворотного рычага 8. Кронштейн 9 установлен на поворотной головке 13 карусельного шарнира в верхней части башни 14. В передней части коромысла имеются противовес и шарнирное соединение тяги 15 с потребителем механической энергии, например штоком поршневого гидронасоса 16. The beam 3 is pivotally mounted on an arm 9 having supports 10 and 11 for articulated supports 4 and 5, as well as a two-position groove 12 with stops for the pivot arm 8. The bracket 9 is mounted on the pivot head 13 of the carousel hinge in the upper part of the tower 14. In front the rocker arms have a counterweight and a swivel connection of the rod 15 with a consumer of mechanical energy, for example, a piston rod of a hydraulic pump 16.

Лопасть 1 имеет вырез в средней части, обеспечивающий ее поворот относительно коромысла 3 и сохранение положительного угла атаки при подъеме задней части коромысла вверх. Возможен ветропривод с несущей поверхностью без выреза при условии обеспечения достаточной длины рычага. The blade 1 has a cutout in the middle part, ensuring its rotation relative to the beam 3 and maintaining a positive angle of attack when lifting the rear of the beam up. A wind drive with a bearing surface without a cutout is possible, provided that a sufficient length of the lever is provided.

Упрощение конструкции и повышение КПД предлагаемого ветропривода достигается тем, что рабочий ход потребителя механической энергии, например гидронасоса, обеспечивается тангенциальной составляющей полной аэродинамической силы несущей поверхности. Силовые элементы ветропривода воспринимают минимальные нагрузки, представляющие собой радиальную составляющую полной аэродинамической силы удобообтекаемого тела с концевыми шайбами, что позволяет с учетом необходимого запаса прочности реализовать меньшую по массе в сравнении с прототипом конструкцию ветропривода, снизить материалоемкость, стоимость, повысить безотказность, долговечность и конкурентоспособность. Повышение КПД предлагаемого ветропривода обеспечивается также тем, что реверсивный поворот несущей поверхности производится в самом конце рабочего хода и максимальная подъемная сила ветра более продолжительно воздействует на шток потребителя механической энергии, например гидронасоса, а также тем, что предлагаемый ветропривод снабжен более эффективной системой ориентации по ветру. Отсутствие высокочастотных колебаний воздушного потока делает предлагаемый привод по сравнению с ротационным экологически безопасным. Simplification of the design and increasing the efficiency of the proposed wind drive is achieved by the fact that the working stroke of the consumer of mechanical energy, such as a hydraulic pump, is ensured by the tangential component of the total aerodynamic force of the bearing surface. The power elements of the wind drive perceive minimal loads, which are the radial component of the total aerodynamic force of the streamlined body with end washers, which allows taking into account the required safety margin to realize a lower weight design of the wind drive compared to the prototype, reduce material consumption, cost, increase reliability, durability and competitiveness. An increase in the efficiency of the proposed wind drive is also ensured by the fact that the bearing surface is reversed at the very end of the stroke and the maximum lifting force of the wind lasts longer for the consumer’s rod of mechanical energy, for example, a hydraulic pump, and the proposed wind drive is equipped with a more efficient wind orientation system . The absence of high-frequency fluctuations in air flow makes the proposed drive in comparison with a rotational environmentally friendly.

Ветропривод работает следующим образом. The wind drive works as follows.

Набегающий поток (ветер), воздействуя на лопасть 1, создает полную аэродинамическую силу, равнодействующая которой приложена в центре давления поверхности лопасти. Оптимальный угол атаки несущей поверхности лопасти 1 по отношению к набегающему потоку ветра обеспечивается постоянным в процессе поворота коромысла 3 (его рабочего хода) за счет прижимающего момента вследствие существенно переднего расположения центра давления несущей поверхности лопасти 1 по отношению к оси шарнирного соединения несущей поверхности и коромысла, а также регулируемых упоров крайних положений поворотного рычага 8 в двухпозиционном пазу 12 кронштейна 9. The incident flow (wind), acting on the blade 1, creates a full aerodynamic force, the resultant of which is applied at the center of pressure of the surface of the blade. The optimal angle of attack of the bearing surface of the blade 1 with respect to the incident wind flow is constant during the rotation of the rocker arm 3 (its working stroke) due to the clamping moment due to the substantially forward location of the center of pressure of the bearing surface of the blade 1 with respect to the axis of the articulation of the bearing surface and rocker arm, as well as adjustable stops of extreme positions of the rotary lever 8 in the on-off groove 12 of the bracket 9.

Тангенциальная составляющая полной аэродинамической силы несущей поверхности 1 создает момент, за счет которого происходит поворот коромысла 3 относительно кронштейна 9 вокруг горизонтальной оси их шарнирного соединения. В процессе поворота коромысла 3, например, против часовой стрелки (фиг. 1) несущая поверхность 1 вращается относительно коромысла, сохраняя оптимальный и постоянный угол атаки ветра за счет того, что шарнирный момент несущей поверхности стремится повернуть ее по часовой стрелке, но жестко соединенный с ней рычаг 7 несущей поверхности лопасти работая на изгиб, растягивает жесткую тягу 6, выступ которой упирается в регулируемый задний упор двухпозиционного паза 12 кронштейна 9 и препятствует повороту несущей поверхности 1, при этом рычаг 7 несущей поверхности, жесткая тяга 6 (ее задняя часть) и поворотный рычаг 8, шарнирно закрепленные на коромысле 3, образуют параллелограммный механизм. Ось вращения поворотного рычага 8 совпадает с осью вращения коромысла 3. The tangential component of the total aerodynamic force of the bearing surface 1 creates a moment due to which the beam 3 is rotated relative to the bracket 9 about the horizontal axis of their articulation. In the process of rotation of the rocker arm 3, for example, counterclockwise (Fig. 1), the bearing surface 1 rotates relative to the beam, maintaining the optimal and constant angle of attack of the wind due to the fact that the articulated moment of the bearing surface tends to rotate it clockwise, but rigidly connected to her lever 7 of the bearing surface of the blade working on bending, stretches the rigid rod 6, the protrusion of which abuts against the adjustable rear stop of the two-position groove 12 of the bracket 9 and prevents the rotation of the bearing surface 1, while the lever 7 is bearing surface, rigid rod 6 (its rear) and the pivot arm 8, pivotally mounted on the beam 3, form a parallelogram mechanism. The axis of rotation of the pivot arm 8 coincides with the axis of rotation of the rocker arm 3.

Шарнирно закрепленная на коромысле 3 тяга 15 через сферический шарнир 17 передает возвратно-поступательное движение потребителю механической энергии, например поршневому гидронасосу 16 двустороннего действия. The rod 15 pivotally mounted on the beam 3 through a spherical hinge 17 transmits a reciprocating movement to a consumer of mechanical energy, for example a double-acting piston hydraulic pump 16.

При достижении штоком гидронасоса 16 положения, близкого к крайнему нижнему, передний шарнирный упор 4, шарнирно закрепленный на коромысле 3 и с передней частью жесткой тяги 6, соприкасается с передним упором 10 кронштейна 9. При дальнейшем перемещении штока вниз к крайнему нижнему положению под воздействием подъемной силы лопасти 1, направленной вверх, передняя часть коромысла 3 продолжает опускаться вниз, а передний шарнирный упор 4, упершись своей плоской нижней частью в роликовый упор 10, начинает поворачиваться против часовой стрелки вокруг оси его шарнирного крепления к коромыслу 3, перемещая тягу 6 вперед до контакта верхней части поворотного рычага 8 с передним регулируемым упором двухпозиционного паза 12. В процессе перемещения тяги 6 вперед несущая поверхность лопасти 1 посредством своего рычага 7 поворачивается против часовой стрелки на угол, равный двум оптимальным углам атаки для данной конфигурации и расчетной скорости ветра. Набегающий поток ветра создает шарнирный момент, который через рычаг 7, заднюю часть жесткой тяги 6 и поворотный рычаг 8 прижимает его верхнюю часть к переднему регулируемому упору двухпозиционного паза 12, фиксируя отрицательный по отношению к направлению ветра угол атаки несущей поверхности лопасти 1. Задняя часть тяги 6 при этом работает на сжатие. Под действием тангенциальной составляющей полной аэродинамической силы несущая поверхность лопасти 1 вместе с коромыслом начинает перемещаться вниз, поворачивая его по часовой стрелке (фиг. 2), что обеспечивает новый рабочий ход вверх штока гидронасоса 16. Динамика изменения угла атаки лопасти 1 на противоположный по знаку учитывается регулировками упоров двухпозиционного паза 12 и длины штока гидронасоса 16. When the rod of the hydraulic pump 16 reaches a position close to the extreme lower one, the front articulated stop 4 pivotally mounted on the beam 3 and with the front part of the rigid rod 6 is in contact with the front stop 10 of the bracket 9. When the rod further moves down to the lowermost position under the influence of the lifting the force of the blade 1, directed upward, the front part of the rocker 3 continues to fall down, and the front articulated stop 4, having rested its flat lower part in the roller emphasis 10, begins to turn counterclockwise g of the axis of its articulation to the beam 3, moving the rod 6 forward until the upper part of the pivot arm 8 contacts the front adjustable stop of the on-off groove 12. In the process of moving the rod 6 forward, the bearing surface of the blade 1 is rotated counterclockwise by an angle equal to two optimal angles of attack for this configuration and the estimated wind speed. The incoming wind flow creates an articulated moment, which, through the lever 7, the rear part of the rigid rod 6 and the pivot lever 8, presses its upper part to the front adjustable stop of the two-position groove 12, fixing the angle of attack of the bearing surface of the blade 1 negative with respect to the wind direction. 6 thus works on compression. Under the influence of the tangential component of the total aerodynamic force, the bearing surface of the blade 1, together with the beam, starts to move downward, turning it clockwise (Fig. 2), which provides a new upward stroke of the hydraulic pump rod 16. The dynamics of the angle of attack of the blade 1 to the opposite in sign is taken into account adjusting the stops of the on-off groove 12 and the length of the stem of the hydraulic pump 16.

В процессе поворота коромысла 3 по часовой стрелке (фиг. 2) несущая поверхность лопасти 1 вращается относительно коромысла 3, сохраняя оптимальный и постоянный угол атаки, обеспечивающий максимальный КПД ветропривода. Шарнирный момент несущей поверхности лопасти 1 стремится повернуть ее против часовой стрелки, но этому препятствует контакт верхней части поворотного рычага 8, шарнирно соединенного с задней частью жесткой тяги 6, которая через рычаг 7 передает сжимающее усилие от шарнирного момента несущей поверхности лопасти 1, с передним регулируемым упором двухпозиционного паза 12 кронштейна 9. In the process of rotation of the beam 3 clockwise (Fig. 2), the bearing surface of the blade 1 rotates relative to the beam 3, while maintaining an optimal and constant angle of attack, ensuring maximum efficiency of the wind drive. The hinge moment of the bearing surface of the blade 1 tends to rotate it counterclockwise, but this is prevented by the contact of the upper part of the pivot arm 8, pivotally connected to the rear of the rigid rod 6, which transfers the compressive force from the hinge moment of the bearing surface of the blade 1 through the lever 7, with the front adjustable focusing on-off groove 12 of the bracket 9.

При достижении штоком гидронасоса 16 положения, близкого к крайнему верхнему, задний шарнирный упор 5, закрепленный на коромысле 3 и постоянно упирающийся своей плоской верхней частью в роликовый выступ задней части жесткой тяги 6, соприкасается с задним упором 11 кронштейна 9 (фиг. 1). При дальнейшем перемещении штока и тяги 15 вверх к крайнему верхнему положению под воздействием тангенциальной составляющей полной аэродинамической силы несущей плоскости лопасти 1, направленной вниз, задняя часть коромысла 3 продолжает опускаться вниз, а задний шарнирный упор 5, соприкасаясь своей нижней плоской частью с роликовым упором 11, начинает поворачиваться по часовой стрелке вокруг оси своего шарнирного крепления к коромыслу 3, сдвигает тягу 6 назад до тех пор, пока поворотный рычаг 8, шарнирно соединенный с жесткой тягой 6, не упрется в задний регулируемый упор двухпозиционного паза 12. При этом жесткая тяга 6, сдвигаясь назад через рычаг 7 воздействует на несущую плоскость лопасти 1, поворачивая ее относительно коромысла 3 из положения носком вниз до положения носком вверх. Возникающая подъемная сила несущей плоскости, направленная вверх, начинает поднимать заднюю часть коромысла 3. Этот момент изображен на фиг. 1. Начинается новый рабочий ход гидронасоса 16 двухстороннего действия или любого другого потребителя механической энергии. When the rod of the hydraulic pump 16 reaches a position close to the extreme upper, the rear hinge stop 5, mounted on the beam 3 and constantly abutting with its flat upper part in the roller protrusion of the rear part of the rigid rod 6, is in contact with the rear stop 11 of the bracket 9 (Fig. 1). With the further movement of the rod and rod 15 up to the highest upper position under the influence of the tangential component of the full aerodynamic force of the bearing plane of the blade 1, directed downward, the rear part of the rocker 3 continues to fall down, and the rear hinge stop 5, in contact with its lower flat part with the roller stop 11 , starts to turn clockwise around the axis of its hinge attachment to the beam 3, shifts the rod 6 back until the pivot lever 8, pivotally connected to the rigid rod 6, camping into the rear adjustable stop-off groove 12. In this case a rigid rod 6, moving back through the lever 7 acts on the bearing plane of the blade 1 by rotating it relative to the rocker 3 of the toe down position to a position with the toe up. The arising lifting force of the bearing plane directed upward starts to lift the rear of the rocker arm 3. This moment is depicted in FIG. 1. Begins a new working stroke of the hydraulic pump 16 double-acting or any other consumer of mechanical energy.

Ветропривод обеспечивает постоянное усилие на тяге 15 к потребителю на большей части рабочего хода при возвратно-качающемся движении несущей плоскости лопасти 1 за счет постоянного угла атаки. The wind drive provides a constant force of 15 to the consumer for most of the travel during the oscillating motion of the bearing plane of the blade 1 due to the constant angle of attack.

Настройка угла атаки несущей плоскости лопасти 1 осуществляется с помощью регулируемых упоров крайних положений поворотного рычага 8 в двухпозиционном пазу 12, регулируемых упоров 10 и 11 крайних положений коромысла 3 по отношению к кронштейну 9 и изменяемой длиной тяги 6 с учетом относительной скорости перемещения несущей плоскости. The angle of attack of the bearing plane of the blade 1 is adjusted using adjustable stops of the extreme positions of the pivoting lever 8 in the on-off groove 12, adjustable stops of 10 and 11 of the extreme positions of the rocker 3 with respect to the bracket 9 and a variable rod length 6 taking into account the relative velocity of the carrier plane.

Установка несущей плоскости лопасти 1 на ветер и снижение ее индуктивного сопротивления обеспечиваются концевыми шайбами 2, вращением кронштейна 9, установленного на поворотной головке 13 карусельного шарнира в верхней части башни 14, вокруг вертикальной оси и плечом между этой вертикальной осью и центром давления концевых шайб 2. При изменении направления ветра боковая сила концевых шайб 2 создает разворачивающий момент, который обнуляется при ориентации ветропривода точно по ветру. Сферический шарнир 17 обеспечивает как поворот тяги 15 вместе с верхней частью ветропривода относительно вертикальной оси башни 14 при ориентации ветропривода по ветру, так и колебательное движение тяги 15 в вертикальной плоскости в процессе работы ветропривода. The installation of the bearing plane of the blade 1 in the wind and the reduction of its inductive resistance are provided by the end washers 2, rotation of the bracket 9 mounted on the rotary head 13 of the carousel hinge in the upper part of the tower 14, around the vertical axis and the shoulder between this vertical axis and the pressure center of the end washers 2. When the wind direction changes, the lateral force of the end washers 2 creates a turning moment, which is zeroed when the wind drive is oriented exactly in the wind. The spherical hinge 17 provides both the rotation of the rod 15 together with the upper part of the wind drive relative to the vertical axis of the tower 14 when the wind drive is oriented in the wind, and the vibrational movement of the rod 15 in the vertical plane during the operation of the wind drive.

В случае достаточно высокой башни 14 используется секционная жесткая тяга, прогиб которой ограничивается роликовыми опорами. In the case of a sufficiently high tower 14, a sectional rigid rod is used, the deflection of which is limited to roller bearings.

Claims

A swinging wind drive, comprising a tower with a rotary head and a beam, kinematically connected to the hydraulic pump, and an aerodynamic bearing plane mounted on the beam, characterized in that the wind drive is equipped with a rigid rod with hinges in the middle part and at the ends and a hinged stop in the back, the lever of the bearing surface, the rotary lever and the front rotary sector and constantly in contact with its articulated stop with the rear rotary sector, which are pivotally mounted on the beam, bracket ynom placed on the rotating head with a hinge for the rocker and abutments for turning sectors of the rocker and the pivot arm, flat washers located on both ends of the symmetric airfoil profile, and the counterweight mounted on the yoke.