RU2106525C1

RU2106525C1 - Windmill

Info

Publication number: RU2106525C1
Application number: RU94021138A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Косенков
Original assignee: Николай Николаевич Косенков
Priority date: 1994-05-25
Filing date: 1994-05-25
Publication date: 1998-03-10
Also published as: RU94021138A

Abstract

FIELD: wind-power engineering. SUBSTANCE: windmill has windwheel with adjustable blades provided with overload protective devices and installed on radial rods, windward facing mechanism, blade operating mechanism, that has planet gear incorporating Maltese-cross intermittent transmission member for operating the blades kinematically coupled with planet gear satellites via toothed pairs and flexible mechanical transmissions. EFFECT: provision for turning blades through optimal angle to face wind. 9 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к ветротехнике, в частности к конструкциям ветроприемных устройств, обеспечивающих оптимальный угол разворота лопастей по отношению к направлению ветрового потока. The invention relates to wind engineering, in particular, to constructions of wind receiving devices providing an optimal angle of rotation of the blades with respect to the direction of the wind flow.

Известна конструкция ветродвигателя с ветроколесом, содержащим установленные на вертикальной оси и выполненные с возможностью поворота лопасти, механизм поворота лопастей, представляющий собой приводное устройство типа виндроз, механическая энергия которого через редуктор, двухступенчатую шестерню и промежуточное звено передается на шестерни лопастей ветроколеса для установки их под оптимальным углом к набегающему ветровому потоку [1]. A known design of a wind turbine with a wind wheel containing blades mounted on a vertical axis and rotatable, a rotor mechanism of the blades, which is a windros type drive device, the mechanical energy of which is transmitted through the gearbox, two-stage gear and the intermediate link to the gears of the wind wheel blades to set them under the optimal angle to the incident wind flow [1].

Известное устройство характеризуется невысоким коэффициентом использования энергии ветра, содержит сложную и технологически трудновыполнимую конструкцию механизма ориентирования ветроколеса и механизма разворота лопастей. The known device is characterized by a low coefficient of use of wind energy, contains a complex and technologically difficult to implement design of the mechanism for orienting the wind wheel and the mechanism for turning the blades.

Известна конструкция ветродвигателя, включающая ветроколесо в виде установленного на вертикальном валу каркаса с лопастями, установленными с возможностью поворота в горизонтальной плоскости и кинематически связанными с механизмом разворота лопастей и механизмом ориентирования ветроколеса, представляющим собой флюгер, размещенный в средней части поворотной трубы, связанной с осью вращения ветроколеса [2]. По сравнению с вышеприведенным аналогом [1] данная конструкция менее сложна и более технологична, однако не позволяет обеспечить высокий коэффициент использования энергии ветра, особенно в условиях малых ветровых нагрузок, недостаточно надежна в работе. A known design of a wind turbine including a wind wheel in the form of a carcass mounted on a vertical shaft with blades mounted to rotate in the horizontal plane and kinematically connected with the blade rotation mechanism and the wind wheel orientation mechanism, which is a weather vane located in the middle part of the rotary tube connected with the rotation axis wind wheels [2]. Compared with the above analogue [1], this design is less complicated and more technological, however, it does not allow to provide a high coefficient of utilization of wind energy, especially under conditions of low wind loads, and is not reliable enough in operation.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и выбранным в качестве прототипа, является ветродвигатель, содержащий ветроприемное устройство, выполненное в виде ветроколеса, установленного с возможностью вращения вокруг неподвижной вертикальной оси и снабженного лопастями с плоскостями, установленными на валах с возможностью вращения вокруг собственных вертикальных осей и размещенными на концах радиальных штанг, соединяющих ступицу ветроколеса с подшипниковыми опорами валов, роликовый механизм разворота лопастей в зависимости от угла поворота ветроколеса, механизм ориентирования ветроприемного устройства по отношению к направлению ветрового потока [3]. The closest technical solution to the claimed one and chosen as a prototype is a wind turbine containing a wind receiving device made in the form of a wind wheel mounted for rotation around a fixed vertical axis and equipped with blades with planes mounted on shafts that can be rotated around its own vertical axes and placed at the ends of the radial rods connecting the hub of the wind wheel with the bearing bearings of the shafts, the roller mechanism for turning the blades depending depending on the angle of rotation of the wind wheel, the orientation mechanism of the wind receiving device with respect to the direction of the wind flow [3].

Роликовый механизм разворота лопастей содержит установленные на кронштейнах лопастей ролики, катящиеся по направляющим желобам горизонтальной поворотной платформы. Форма и расположение направляющих желобов обеспечивают необходимый разворот лопастей в зависимости от угла поворота ветроколеса. Ориентирование ветроприемного устройства относительно направления ветрового потока осуществляется путем поворота платформы вокруг оси ветроколеса. The roller rotation mechanism of the blades contains mounted on the arms of the blades of the rollers rolling along the guide grooves of a horizontal rotary platform. The shape and location of the guide grooves provide the necessary rotation of the blades depending on the angle of rotation of the wind wheel. Orientation of the wind receiving device relative to the direction of the wind flow is carried out by rotating the platform around the axis of the wind wheel.

Данная конструкция обеспечивает удовлетворительное значение коэффициента использования энергии ветра, позволяет устанавливать лопасти любой конструкции. Однако данное техническое решение не способно устранить целый ряд негативных особенностей, присущих в разной степени большинству известных конструкций ветроприемных устройств. К их числу следует отнести:
- плавное установление угла атаки лопасти на большой дуге поворота ветроколеса из-за необходимости обеспечения безударной работы механизма разворота лопастей, вследствие чего невозможно достижение высокого коэффициента использования энергии ветра;
- поворотная платформа в конструкции прототипа не может иметь диаметр меньше, чем диаметр окружности, описываемой кронштейнами лопастей, что делает невозможным решение задачи о компактности устройства ветроколеса, уменьшении его массы и облегчении работ механизма ориентирования;
- конструкция прототипа предусматривает необходимость обеспечения высокой жесткости радиальных штанг во избежание возможного заклинивания роликов в направляющих желобах;
- применение роликового механизма разворота лопастей снижает коэффициент использования энергии ветра из-за неизбежного значительного трения пары ролик - направляющий желоб, большого веса конструкции, зависимости поворотного усилия от малейшего перекоса деталей механизма;
- конструкция ветроколеса не предусматривает защиты от поломок лопастей при превышении допустимой ветровой нагрузки, защиты от атмосферных осадков, особенно в зимний период работы (намерзания льда на направляющих желобах).This design provides a satisfactory value of the coefficient of utilization of wind energy, allows you to install blades of any design. However, this technical solution is not able to eliminate a number of negative features inherent to varying degrees with most known designs of wind receiving devices. These include:
- smoothly establishing the angle of attack of the blades on a large arc of rotation of the wind wheel due to the need to ensure shock-free operation of the mechanism of rotation of the blades, as a result of which it is impossible to achieve a high coefficient of utilization of wind energy;
- the rotary platform in the design of the prototype cannot have a diameter smaller than the diameter of the circle described by the arms of the blades, which makes it impossible to solve the problem of the compactness of the device of the wind wheel, reducing its weight and facilitating the work of the orientation mechanism;
- the design of the prototype provides the need to ensure high rigidity of the radial rods in order to avoid possible jamming of the rollers in the guide grooves;
- the use of a roller mechanism for turning the blades reduces the coefficient of utilization of wind energy due to the inevitable significant friction of a pair of roller - guide trough, a large weight of the structure, the dependence of the rotational force on the slightest skew of the details of the mechanism;
- the design of the wind wheel does not provide protection against breakage of the blades when exceeding the permissible wind load, protection from atmospheric precipitation, especially during the winter period of operation (ice freezing on the guide channels).

Технической задачей, стоящей перед автором изобретения, являлась разработка конструкции ветродвигателя, обеспечивающего высокое значение коэффициента использования энергии ветра путем оптимизации угла установа лопастей, повышение чувствительности к ветру и защищенности от случайных ветровых воздействий, достижение максимальной компактности механизмов и надежности работы ветродвигателя в целом. При этом в задачу входило максимально устранить влияние неблагоприятных метеорологических воздействий на работу механизмов независимо от климатической зоны эксплуатации в сочетании с простотой и технологичностью изготовления ветродвигателя. The technical challenge facing the author of the invention was to develop a wind turbine design that provides a high value for the wind energy utilization coefficient by optimizing the angle of installation of the blades, increasing wind sensitivity and protection from accidental wind influences, achieving maximum compactness of the mechanisms and reliability of the wind turbine as a whole. In this case, the task was to maximally eliminate the influence of adverse meteorological impacts on the operation of mechanisms, regardless of the climatic zone of operation, combined with the simplicity and manufacturability of the manufacture of a wind turbine.

Поставленная техническая задача решается предлагаемой конструкцией ветродвигателя, содержащего ветроприемное устройство, выполненное в виде ветроколеса, установленного с возможностью вращения вокруг неподвижной, вертикальной оси и снабженного лопастями с плоскостями, установленными на валах с возможностью вращения вокруг собственных вертикальных осей, размещенными на концах радиальных штанг, соединяющих ступицу ветроколеса с подшипниковыми опорами валов, механизм разворота лопастей в зависимости от угла поворота ветроколеса, механизм ориентирования ветроприемного устройства по отношению к направлению ветрового потока, при этом каждая лопасть снабжена устройством защиты от перегрузки, механизм ориентирования ветроприемного устройства содержит флюгер, установленный с возможностью вращения вокруг оси ветроколеса, и колодочный тормоз, управляемый флюгером, а механизм разворота лопастей выполнен из пространственно обособленных узлов. Один узел размещен в ступице ветроколеса и представляет собой планетарный механизм, содержащий равное числу лопастей число сателлитов в виде четырехлопастных мальтийских крестов мальтийского механизма с внешним зацеплением, установленных с возможностью вращения вокруг укрепленных в ступице ветроколеса осей и взаимодействующих с центральным звеном, выполненным в виде кривошипа с двумя роликами. Кривошип установлен с возможностью поворота вокруг оси ветроколеса и связан с флюгером через колодочный тормоз, который фиксирует положение центрального звена относительно оси ветроколеса. Другие узлы, входящие в состав механизма разворота лопастей, состоят из установленных на концах радиальных штанг передаточных механизмов, каждый из которых кинематически жестко связывает вал лопасти с соответствующим сателлитом посредством пары зубчатых колес и гибкой механической передачи, в качестве которой в конкретной конструкции использована карданная передача. The stated technical problem is solved by the proposed design of a wind turbine containing a wind receiving device made in the form of a wind wheel mounted for rotation around a fixed vertical axis and equipped with blades with planes mounted on shafts that can rotate around their own vertical axes located at the ends of the radial rods connecting a nave of a wind wheel with bearing bearings of shafts, a mechanism for turning the blades depending on the angle of rotation of the wind wheel, the orientation of the orientation of the wind receiving device with respect to the direction of the wind flow, with each blade equipped with an overload protection device, the orientation mechanism of the wind receiving device includes a weather vane mounted for rotation around the axis of the wind wheel, and a brake pad controlled by the weather vane, and the blade rotation mechanism is made of spatially isolated nodes. One node is located in the hub of the wind wheel and is a planetary mechanism containing an equal number of blades the number of satellites in the form of four-blade Maltese crosses of the Maltese mechanism with external gearing, mounted to rotate around axles fixed in the hub of the wind wheel and interacting with a central link made in the form of a crank with two rollers. The crank is mounted with the possibility of rotation around the axis of the wind wheel and is connected with the weather vane through the shoe brake, which fixes the position of the central link relative to the axis of the wind wheel. Other nodes that make up the blade rotation mechanism consist of gears mounted at the ends of the radial rods, each of which kinematically rigidly connects the blade shaft to the corresponding satellite by means of a pair of gears and a flexible mechanical transmission, which is used as a cardan drive in a particular design.

Плоскость лопасти соединяется с валом посредством упругой предохранительной муфты, обеспечивающей перевод плоскости в горизонтальное положение при превышении допустимой ветровой нагрузки, что предотвращает поломку элементов конструкции ветроколеса. Применение упругой муфты позволяет, кроме того, плавно изменять парусность лопасти по мере возрастания ветровой нагрузки сверх расчетной за счет упругого наклона плоскости. При отклонении плоскости от вертикали на угол до 70^o упругая муфта обеспечивает автоматический возврат плоскости в вертикальное положение после уменьшения нагрузки до величины в пределах расчетной. Критическая ветровая нагрузка вызывает отклонение лопасти на угол более 70^o, после чего упругая муфта переводит плоскость в горизонтальное положение и полностью выключает из рабочего состояния.The blade plane is connected to the shaft by means of an elastic safety clutch, which ensures that the plane is moved to a horizontal position when the permissible wind load is exceeded, which prevents breakage of the structural components of the wind wheel. The use of an elastic coupling allows, in addition, to smoothly change the windage of the blade with increasing wind load beyond the calculated due to the elastic inclination of the plane. When the plane deviates from the vertical by an angle of up to 70 ^{o, the} elastic coupling provides automatic return of the plane to the vertical position after reducing the load to a value within the calculated value. The critical wind load causes the blade to deviate by an angle of more than 70 ^o , after which the elastic coupling puts the plane in a horizontal position and completely turns off from the working state.

В качестве передаточного звена механизма привода лопасти может использоваться зубчатая или иная механическая передача, обеспечивая требуемое взаимное направление вращения ведущего и ведомого звена. As the transmission link of the blade drive mechanism, a gear or other mechanical transmission can be used, providing the required mutual direction of rotation of the driving and driven link.

В предлагаемой конструкции жесткость радиальных штанг не оказывает прямого влияния на надежность работы механизмов ветроприемного устройства, что позволяет уменьшить сечение этих штанг, ослабить требования к их конструкционному материалу. Тем самым, помимо надежности, повышается технологичность изготовления, снижается материалоемкость и себестоимость конструкции в целом. Более того, снижение массы вращающихся элементов позволяет снизить инерционность ветроприемного устройства и тем самым дополнительно увеличить его чувствительность к ветру и коэффициент использования ветровой энергии. Это достигается за счет предлагаемого конструктивного исполнения ветроприемного устройства. In the proposed design, the stiffness of the radial rods does not directly affect the reliability of the mechanisms of the wind receiving device, which allows to reduce the cross-section of these rods, to weaken the requirements for their structural material. Thus, in addition to reliability, manufacturability is increased, material consumption and cost of construction as a whole are reduced. Moreover, a decrease in the mass of rotating elements makes it possible to reduce the inertia of the wind receiving device and thereby further increase its sensitivity to wind and the coefficient of utilization of wind energy. This is achieved due to the proposed design of the wind receiving device.

Совокупный технический результат, обеспечиваемый изобретением, достигается также благодаря применению приема расчленения механизма разворота лопастей на пространственно обособленные узлы: планетарный механизм, размещенный в ступице ветроколеса, и передаточные механизмы привода лопастей, размещенные на концах радиальных штанг. Указанные узлы кинематически жестко связаны между собой гибкой механической передачей. Особенностью предложенной конструкции механизма разворота лопастей является использование в качестве центрального звена планетарного механизма кривошипа с двумя роликами, а также наличие жесткой кинематической связи каждого сателлита планетарного механизма с соответствующей лопастью ветроколеса, причем сателлитами являются чтырехлопастные кресты мальтийского механизма с внешним зацеплением. Наличие указанной особенности позволяет получить результат, выражающийся в существенном улучшении работоспособности ветродвигателя. The overall technical result provided by the invention is also achieved through the use of the method of splitting the mechanism of rotation of the blades into spatially isolated nodes: a planetary mechanism located in the hub of the wind wheel and transmission gears of the drive of the blades located at the ends of the radial rods. These nodes are kinematically rigidly interconnected by a flexible mechanical transmission. A feature of the proposed design of the mechanism for turning the blades is the use of a crank with two rollers as the central link of the planetary mechanism, as well as the presence of a rigid kinematic connection of each satellite of the planetary mechanism with the corresponding blade of the wind wheel, and four-blade crosses of the Maltese mechanism with external gearing are satellites. The presence of this feature allows you to get the result, which is expressed in a significant improvement in the performance of the wind turbine.

Кроме того, на достижение совокупного технического результата оказывает влияние конструкция механизма ориентирования ветроприемного устройства, а также наличие и характер связи этого устройства с центральным звеном планетарного механизма и с неподвижной осью ветроколеса через управляемый колодочный тормоз: именно такая регулируемая связь позволяет легко установить ветроприемное устройство в оптимальное по отношению к ветропотоку положение и в то же время надежно защитить от нежелательных воздействий. In addition, the achievement of the overall technical result is influenced by the design of the orientation mechanism of the wind receiving device, as well as the presence and nature of the connection of this device with the central link of the planetary mechanism and with the fixed axis of the wind wheel through a controlled shoe brake: just such adjustable communication makes it easy to set the wind receiving device to the optimum in relation to the wind flow, the position and at the same time reliably protect from unwanted effects.

Наконец, наличие устройств защиты от перегрузки позволяет не только повысить надежность конструкции, но и улучшить ее работоспособность при переменной ветровой нагрузке, что в некоторых случаях равнозначно повышению коэффициента использования энергии ветра. Finally, the presence of overload protection devices allows not only to increase the reliability of the structure, but also to improve its performance under variable wind load, which in some cases is equivalent to an increase in the coefficient of utilization of wind energy.

Следствием применения указанных выше основных технических приемов является появление возможностей для применения других приемов, направленных на достижение дополнительных технических результатов:
- выполнение устройства защиты от перегрузки в виде упругой муфты позволяет автоматически уменьшать парусность лопасти при превышении расчетной ветровой нагрузки путем отклонения плоскости лопасти на угол до 70^o с самостоятельным возвращением плоскости в вертикальное положение при снижении нагрузки до расчетной величины, вследствие чего повышается надежность работы ветроприемного устройства;
- возможность закрытого исполнения механизмов ветроколеса позволяет повысить надежность работы, КПД механизмов, а также расширить область предполагаемого применения ветродвигателя в районах с различными климатическими условиями;
- возможность компактного исполнения механизма разворота лопастей снимает ограничение на число лопастей, устанавливаемых по окружности ветроколеса, что позволяет при необходимости путем установки большего числа лопастей дополнительно увеличить чувствительность ветроколеса к ветру и тем самым расширить область применения ветродвигателя в районах с постоянно низкой ветровой нагрузкой;
- использование в планетарном механизме элементов мальтийского механизма с внешним зацеплением при многорядном расположении мальтийских крестов (сателлитов) позволяет выполнить механизм разворота лопастей более компактным, улучшить технологичность изготовления механизма разворота лопастей, упростить и удешевить его конструкцию.The consequence of the application of the above basic technical techniques is the emergence of opportunities for the application of other techniques aimed at achieving additional technical results:
- the implementation of the overload protection device in the form of an elastic coupling allows you to automatically reduce the windage of the blades when the calculated wind load is exceeded by deflecting the blade plane by an angle of up to 70 ^o with the plane returning to its vertical position when the load is reduced to the calculated value, thereby increasing the reliability of the wind receiving device ;
- the possibility of closed execution of the mechanisms of the wind wheel allows to increase the reliability, efficiency of the mechanisms, as well as expand the scope of the intended use of the wind turbine in areas with different climatic conditions;
- the possibility of compact execution of the mechanism for turning the blades removes the limit on the number of blades installed around the circumference of the wind wheel, which allows, if necessary, by installing a larger number of blades to further increase the sensitivity of the wind wheel to the wind and thereby expand the scope of the wind turbine in areas with constantly low wind load;
- the use of elements of the Maltese mechanism with external gearing in the planetary mechanism with the multi-row arrangement of Maltese crosses (satellites) allows the blade rotation mechanism to be made more compact, to improve the manufacturability of the blade rotation mechanism, simplify and reduce the cost of its design.

Изобретение поясняется фигурами графического изображения, на которых представлены: кинематическая схема механизмов ветродвигателя (фиг. 1); схема механизма ориентирования ветроприемного устройства (фиг. 2); поперечный разрез ветроколеса в месте расположения колодочного тормоза (фиг. 3); вид на ветроколесо сверху (фиг. 4); блок-схема взаимодействия механизмов ветродвигателя (фиг. 5). The invention is illustrated by figures of a graphic image on which are presented: a kinematic diagram of the mechanisms of a wind turbine (Fig. 1); diagram of the orientation mechanism of the wind receiving device (Fig. 2); cross section of a wind wheel at the location of the shoe brake (Fig. 3); view of the wind wheel from above (Fig. 4); a block diagram of the interaction of the mechanisms of the wind turbine (Fig. 5).

Ветродвигатель (фиг. 1) содержит неподвижную вертикальную полую ось 1, на которой установлена с возможностью вращения ступица 2, с установленным внутри планетарным механизмом и зубчатыми парами 3. Планетарный механизм содержит центральное звено 4 в виде кривошипа с двумя роликами 4 и сателлиты 6, установленные на закрепленных в ступице осях 7. Сателлиты выполнены в виде четырехлопастных мальтийских крестов с радиальными пазами и расположены в два горизонтальных ряда по четыре креста в каждом ряду. The wind turbine (Fig. 1) contains a stationary vertical hollow axis 1, on which the hub 2 is mounted for rotation, with a planetary gear installed inside and gear pairs 3. The planetary gear contains a central link 4 in the form of a crank with two rollers 4 and satellites 6, mounted on the axles fixed in the hub 7. The satellites are made in the form of four-blade Maltese crosses with radial grooves and are arranged in two horizontal rows of four crosses in each row.

Кривошип 4 подвижно установлен на оси 1 и связан через колодочный тормоз 8 с флюгером 9. Более подробно механизм ориентирования изображен на фиг. 2 и 3. The crank 4 is movably mounted on the axis 1 and is connected via a shoe brake 8 with a weather vane 9. The orientation mechanism is shown in more detail in FIG. 2 and 3.

На ступице 2 укреплены восемь радиальных штанг 10, на концах которых расположены передаточные механизмы 11. Передаточный механизм содержит передаточное звено 12 в виде пары конических зубчатых колес и вал 13, установленный в подшипниковой опоре 14. Eight radial rods 10 are fixed on the hub 2, at the ends of which there are gears 11. The gear mechanism contains a gear link 12 in the form of a pair of bevel gears and a shaft 13 mounted in the bearing support 14.

Лопасть ветроколеса содержит плоскость 15 требуемой аэродинамической формы, соединенную с валом 13 посредством упругой предохранительной муфты 16. Каждая лопасть через передаточный механизм 11 кинематически жестко связана с соответствующим сателлитом планетарного механизма посредством гибкой механической (карданной) передачи 17 и пары зубчатых колес 3. В качестве гибкой механической передачи вместо карданной передачи 17 может быть использован гибкий вал, цепная, зубчатоременная или иная передача, обеспечивающая жесткую кинематическую связь. Отбор мощности осуществляется от вала 18. The blade of the wind wheel contains a plane 15 of the desired aerodynamic shape, connected to the shaft 13 by means of an elastic safety clutch 16. Each blade through the gear 11 is kinematically rigidly connected to the corresponding planetary gear via a flexible mechanical (cardan) gear 17 and a pair of gears 3. As a flexible mechanical transmission instead of cardan transmission 17 can be used flexible shaft, chain, gear or other transmission, providing a rigid kinematic relationship. The selection of power is carried out from the shaft 18.

Пара зубчатых колес 3 может содержать конические или цилиндрические (например, при ином выполнении гибкой механической передачи) зубчатые колеса круглой или некруглой формы. Некруглая форма зубчатых колес позволяет устранить некоторое рысканье лопасти на участках дуги поворота ветроколеса I-II и III-IV (см. фиг. 4), обусловленное особенностью кинематики мальтийского механизма [4]. A pair of gears 3 may comprise bevel or cylindrical gears (for example, with a different embodiment of flexible mechanical transmission) round or non-circular gears. The non-circular shape of the gears allows you to eliminate some yaw of the blade on the sections of the arc of rotation of the wind wheel I-II and III-IV (see Fig. 4), due to the kinematics of the Maltese mechanism [4].

Механизм ориентирования ветроприемного устройства (см. фиг. 2) содержит флюгер 9, укрепленный на ступице 19, установленной с возможностью вращения вокруг неподвижной оси 1 ветроколеса. Ступица 19 снабжена также консолью 20 с прорезью, в которую входит палец 21, установленный на конце рычага 22 разжимного кулачка 23. Ось 24 разжимного кулачка установлена с возможностью вращения в отверстии фланца 25 поворотной колонки 26, одновременно являющейся полым валом центрального звена (кривошипа 4 с роликами 5) планетарного механизма. The orientation mechanism of the wind receiving device (see Fig. 2) comprises a weather vane 9 mounted on a hub 19 mounted for rotation around a fixed axis 1 of the wind wheel. The hub 19 is also equipped with a console 20 with a slot, which includes a pin 21 mounted on the end of the lever 22 of the expanding cam 23. The axis 24 of the expanding cam is mounted to rotate in the hole of the flange 25 of the rotary column 26, which is also a hollow shaft of the central link (crank 4 s rollers 5) planetary gear.

Механизм ориентирования ветроколеса содержит также колодочный тормоз (см. фиг. 3), выполненный в виде клеммы 8 с фрикционными колодками 27, охватывающим ось 1 ветроколеса. Клемма соединена с фланцем 25 (см. фиг. 2) при помощи пальца 28. Со стороны, противоположной пальцу 28, плоские части обеих половин клеммы охватывают кулачок 23. В положении, показанном на фиг. 3, расстояние между плоскими частями половин клеммы такового, что кулачок не зажат. Усилие охвата оси 1 (усилие торможения) определяется сжатием пружины 29 и может регулироваться с помощью винтовой стяжки 30. The orientation mechanism of the wind wheel also contains a shoe brake (see Fig. 3), made in the form of a terminal 8 with friction pads 27, covering the axis 1 of the wind wheel. The terminal is connected to the flange 25 (see FIG. 2) by means of a finger 28. On the side opposite to the finger 28, the flat parts of both halves of the terminal cover the cam 23. In the position shown in FIG. 3, the distance between the flat parts of the halves of the terminal such that the cam is not pinched. The force of coverage of the axis 1 (braking force) is determined by compression of the spring 29 and can be adjusted using a screw tie 30.

Колодочный тормоз 8 удерживает кривошип 4 от проворачивания при отсутствии смещающего ветрового воздействия на флюгер 9, не препятствуя при этом свободным колебаниям флюгера в горизонтальной плоскости в пределах угла до 20^o. Установка требуемой величины угла свободных колебаний флюгера осуществляется путем конструктивного варьирования горизонтального хода пальца 21 в прорези консоли 20, а также профиля разжимного кулачка 23.The block brake 8 keeps the crank 4 from turning in the absence of biasing wind action on the weather vane 9, without interfering with the free vibrations of the weather vane in the horizontal plane within an angle of up to 20 ^o . Setting the desired value of the angle of free vibrations of the weather vane is carried out by constructively varying the horizontal stroke of the pin 21 in the slot of the console 20, as well as the profile of the expanding cam 23.

Ветродвигатель работает следующим образом (см. фиг. 1 и 4). The wind turbine operates as follows (see Fig. 1 and 4).

Воспринимая ветровую нагрузку, плоскость 15 лопасти, находящейся в положении I (фиг. 4) перпендикулярно направлению ветропотока, начинает вращать через радиальную штангу 10 ступицу 2 ветроколеса с установленными в ней сателлитами 6, приводя ветроприемное устройство во вращение. Сателлит 6, набегая своим пазом на ролик 5 зафиксированного колодочным тормозом 8 кривошипа 4, начинает поворот по часовой стрелке. Вращение сателлита через пару зубчатых колес 3, карданную передачу 17, передаточное звено 12 и вал 13 передается с обратным знаком на соответствующую лопасть, которая начинает прерывистую фазу разворота вокруг собственной оси против часовой стрелки. Одновременно эта же лопасть вращением ветроколеса поворачивается по часовой стрелке. Сложение двух указанных движений лопасти сохраняет перпендикулярное к ветропотоку расположение ее плоскости вплоть до положения II дуги поворота ветроколеса. Sensing the wind load, the plane 15 of the blade located in position I (Fig. 4) perpendicular to the direction of the wind flow starts to rotate through the radial rod 10 the hub 2 of the wind wheel with the satellites 6 installed in it, bringing the wind receiving device into rotation. Satellite 6, running its groove on the roller 5 of the crank 4 fixed by the shoe brake 8, starts a clockwise rotation. The rotation of the satellite through a pair of gears 3, cardan gear 17, transmission link 12 and shaft 13 is transmitted with the opposite sign to the corresponding blade, which begins the intermittent phase of rotation around its own axis counterclockwise. At the same time, the same blade rotates clockwise by rotating the wind wheel. The addition of the two indicated motions of the blade retains its plane perpendicular to the wind flow up to position II of the arc of rotation of the wind wheel.

На фазе поворота II - III лопасть вращается с ветроколесом как единое целое, оставаясь неподвижной по отношению к собственной оси. Начиная с положения III, к вращению лопасти с ветроколесом добавляется прерывистое вращение ее сателлитом в результате зацепления последнего с вторым роликом кривошипа 4. Таким образом, на этой фазе разворота обеспечивается удержание плоскости лопасти параллельно направлению ветропотока вплоть до положения IV. Фаза поворота на участке IV - I аналогична фазе поворота на участке II - III. Далее описанный цикл разворота лопастей повторяется. In the phase of rotation II - III, the blade rotates with the wind wheel as a whole, while remaining motionless with respect to its own axis. Starting from position III, discontinuous rotation of its satellite is added to the rotation of the blade with the wind wheel as a result of the latter engaging the second roller of the crank 4. Thus, at this phase of the rotation, the plane of the blade is held parallel to the direction of the wind flow up to position IV. The rotation phase in section IV - I is similar to the phase of rotation in section II - III. Further, the described cycle of rotation of the blades is repeated.

Рысканье лопасти (отклонение ее плоскости от оптимального расположения, как описано выше) на фазах поворота ветроколеса I - II и III - IV, обусловленное особенностью кинематики мальтийского механизма, устраняется применением некруглых зубчатых колес в составе зубчатой пары 3. The yaw of the blade (deviation of its plane from the optimal location, as described above) at the phases of rotation of the wind wheel I - II and III - IV, due to the kinematics of the Maltese mechanism, is eliminated by the use of non-circular gears in the gear pair 3.

Конструкция механизма разворота лопастей и механизма ориентирования ветроприемного устройства обеспечивает жесткую кинематическую связь всех лопастей между собой и с кривошипом 4, управляемым через колодочный тормоз 8 флюгером 9, осуществляющим оптимальную ориентацию всего ветроприемного устройства (ветроколеса и лопастей) по отношению к направлению ветрового потока. Это достигается следующим образом. The design of the blade rotation mechanism and the orientation mechanism of the wind receiving device provides a rigid kinematic connection of all the blades with each other and with the crank 4, controlled via the brake 8 using a weather vane 9, which provides the optimal orientation of the entire wind receiving device (wind wheel and blades) with respect to the direction of the wind flow. This is achieved as follows.

При отсутствии отклоняющего воздействия ветра на флюгер 9 механизм ориентирования ветроприемного устройства находится в положении, показанном на фиг. 2 и 3. Под действием пружины 29 клемма 8 прижимает колодки 27 к неподвижной оси 1, чем обеспечивается неподвижность клеммы. В этом положении остаются также неподвижными связанные с клеммой фланец 25, поворотная колонка 26 и кривошип 4. In the absence of a wind deflecting effect on the wind vane 9, the orientation mechanism of the wind receiving device is in the position shown in FIG. 2 and 3. Under the action of the spring 29, the terminal 8 presses the pads 27 against the fixed axis 1, which ensures the immobility of the terminal. In this position, the flange 25 connected to the terminal, the rotary column 26 and the crank 4 also remain stationary.

При изменении направления ветра в том случае, когда возникшее в связи с этим отклоняющее усилие на флюгер превышает величину, определяемую сжатием пружины 29, разжимной кулачок 23 начинает поворачиваться вокруг своей оси, раздвигая клемму 8. При этом фрикционные колодки 27 отжимаются от оси 3 и клемма 8 начинает поворачиваться вслед за флюгером вплоть до положения, соответствующего новому направлению ветропотока. При ослаблении отклоняющего усилия на флюгер кулачок возвращается в исходное положение, и клемма вновь оказывается зафиксированной на оси. Вместе с клеммой в новое положение поворачиваются также фланец 25, поворотная колонка 26 и кривошип 4, что и обеспечивает оптимальную ориентацию ветроприемного устройства относительно направления ветрового потока. When changing the direction of the wind in the case when the resulting deflecting force on the wind vane exceeds the value determined by the compression of the spring 29, the expanding cam 23 starts to rotate around its axis, pushing the terminal 8. In this case, the friction pads 27 are pressed away from the axis 3 and the terminal 8 begins to turn after the wind vane up to the position corresponding to the new direction of the wind flow. When the deflecting force on the wind vane is weakened, the cam returns to its original position, and the terminal is again fixed on the axis. Together with the terminal, the flange 25, the rotary column 26 and the crank 4 are also rotated to a new position, which ensures the optimal orientation of the wind receiving device relative to the direction of the wind flow.

Установленное на лопасти устройство защиты от перегрузки работает следующим образом. Installed on the blades of the device overload protection works as follows.

При превышении расчетно-допустимой величины ветровой нагрузки (т.е. нагрузки, которая может вызвать повреждение лопасти или нарушение работы механизмов ветроприемного устройства) плоскость лопасти начинает упругое отклонение от вертикального положения, обеспечиваемое предохранительной муфтой 16. Если при этом угол отклонения плоскости лопасти от вертикали не превышает 70^o, то упругая муфта 16 после уменьшения нагрузки до допустимой величины автоматически (под действием силы упругости муфты) возвращает лопасть в исходное положение. Критическая ветровая нагрузка, приводящая к отклонению плоскости на угол свыше 70^o, вызывает переключение муфты в положение, обеспечивающее перевод плоскости в горизонтальное (нерабочее) положение. В этом случае установка плоскости лопасти в рабочее положение осуществляется вручную или при помощи дополнительных приспособлений.If the calculated allowable value of the wind load (i.e., the load that may cause damage to the blade or disruption of the mechanisms of the wind receiving device) is exceeded, the plane of the blade begins to deviate from the vertical position, provided by the safety clutch 16. If the angle of the blade plane deviates from the vertical does not exceed 70 ^o , then the elastic coupling 16 after reducing the load to an acceptable value automatically (under the action of the elastic force of the coupling) returns the blade to its original position. The critical wind load, leading to a deviation of the plane by an angle of more than 70 ^o , causes the clutch to switch to a position that ensures the plane is in a horizontal (inoperative) position. In this case, the installation of the plane of the blade in the working position is carried out manually or using additional devices.

Конструкция ветроприемного устройства не накладывает технических ограничений на установку любого потребного количества лопастей, их тип и конструкцию (например парус, крыло и т. п.), размер и конфигурацию, что позволяет реализовать различные принципы совместного аэродинамического взаимодействия лопастей с ветровым потоком (такие как сила сопротивления, подъемная сила, эффект диффузора и т.п.). Это позволяет получить максимальное значение коэффициента использования энергии ветра в каждом конкретном случае применения ветродвигателя и является еще одним дополнительным достоинством предлагаемой конструкции. The design of the wind receiving device does not impose technical restrictions on the installation of any required number of blades, their type and design (for example, sail, wing, etc.), size and configuration, which allows implementing various principles of the joint aerodynamic interaction of the blades with the wind flow (such as force drag, lift, diffuser effect, etc.). This allows you to get the maximum value of the coefficient of utilization of wind energy in each specific case of the use of a wind turbine and is another additional advantage of the proposed design.

Claims

1. A wind turbine containing a wind receiving device made in the form of a wind wheel mounted rotatably around a fixed vertical axis and equipped with blades with planes mounted on shafts rotatably around its own vertical axes and placed at the ends of the radial rods connecting the hub of the wind wheel with bearings shafts, the mechanism of rotation of the blades depending on the angle of rotation of the wind wheel, the orientation mechanism of the wind receiving device with respect to the direction the direction of the wind flow, characterized in that each blade is equipped with an overload protection device, the orientation mechanism of the wind receiving device includes a weather vane mounted for rotation around the axis of the wind wheel, and a shoe brake controlled by the weather vane, and the blade rotation mechanism is made of spatially separate nodes located in the hub of a windwheel of the planetary gear containing the number of satellites equal to the number of blades in the form of four-blade Maltese crosses, the Maltese gear with external gears, mounted with the possibility of rotation around axles fixed in the hub of the wind wheel and interacting with a central link made in the form of a crank with two rollers, mounted with the possibility of rotation around the axis of the wind wheel and connected to the weather vane via a block brake, fixing the position of the central link relative to the axis of the wind wheel, as well as gears installed at the ends of the radial rods, each of which kinematically rigidly connects the blade shaft with the corresponding satellite m by means of a pair of gears and flexible mechanical transmission.

2. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the overload protection device is made in the form of an elastic coupling connecting the plane of the blade to its shaft and providing the blade to move into a horizontal position as the calculated value of the wind load exceeds.

3. The wind turbine according to claims 1 and 2, characterized in that the blades are installed with the ability to automatically return the plane to a vertical position when the angle deviates from the vertical by up to 70 ^o after reducing the wind load to the calculated value.

4. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the wind vane is installed with the possibility of free oscillation around the axis of the wind wheel within an angle of up to 20 ^o without a control effect on the shoe brake.

5. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the satellites are located in one or more horizontal rows.

6. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the flexible mechanical transmission is made in the form of a cardan transmission.

7. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the pair of gears contains non-circular gears.

8. The wind turbine according to claim 1, characterized in that the transmission mechanism comprises a pair of bevel gears.

9. The wind turbine according to claim 1, characterized in that all the mechanisms of the wind wheel are closed.