RU2248466C2

RU2248466C2 - Planetary windmill

Info

Publication number: RU2248466C2
Application number: RU2002129381/06A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Гданский (RU); Н.И. Гданский; С.В. Мальцевский (RU); С.В. Мальцевский; А.М. Соловьёв (RU); А.М. Соловьёв; Р.В. Григорьев (RU); Р.В. Григорьев
Original assignee: Московский государственный университет инженерной экологии (МГУИЭ)
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2005-03-20

Abstract

FIELD: wind power engineering.

SUBSTANCE: invention is designed for use in areas with low wind velocities. Proposed planetary windmill includes frame with movable blades rotating on base and rotary shaft. Blades are coupled with rotary shaft by means of transmission mechanism, constant ratio 1:2. Rotary shaft is furnished with movable wind vane being coupled with shaft through control device consisting of slider-crank mechanism, connecting rod, adjusting plate and pull-back spring. Belt-gear drive is used as transfer mechanism.

EFFECT: improved reliability of windmill owing to provision of control of blade movement.

6 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено преимущественно к применению в местностях с невысокими скоростями ветра.The invention relates to wind energy and is intended primarily for use in areas with low wind speeds.

Известен ветряной агрегат Патент РФ №2070659, класс F 03 D 3/02, 7/06, 1994, в котором на центральном валу установлен каркас с вертикально расположенными лопастями, которые могут вращаться вокруг своих осей и связаны зубчатыми передачами с ведущей шестерней, жестко соединенной с флюгером, нагруженным в сторону зацепления, причем соотношение зубчатой передачи от флюгера к лопастям составляет 1:2 при нормальной скорости ветра, в случае буревого ветра передача размыкается.Known wind turbine RF Patent No. 2070659, class F 03 D 3/02, 7/06, 1994, in which a frame with vertically arranged blades that can rotate around its axes and connected by gears with a pinion gear rigidly connected to the central shaft is installed with a weather vane loaded in the direction of engagement, the ratio of the gear transmission from the weather vane to the blades is 1: 2 at normal wind speed, in the case of a storm wind, the transmission is opened.

Основными недостатками известного ветряного агрегата являются: использование зубчатых передач довольно сложной конструкции и дискретный характер срабатывания механизма, предохраняющего агрегат от буревых ветров. Зубчатые передачи для эффективной работы требуют регулировки зацеплений и постоянного наличия смазки в контактах, что значительно усложняет конструкцию, повышает ее стоимость и снижает надежность. Также данные передачи значительно повышают инертность всей конструкции во вращательном движении, что снижает ее эффективность при малых скоростях ветра. Дискретный характер срабатывания предохраняющего механизма приводит к тому, что остановка агрегата и ориентация его лопастей по ветру должны выполняться при достижении максимально возможной скорости ветра и, соответственно, максимальных оборотах каркаса с лопастями. При этом в конструкции будут возникать значительные инерционные нагрузки.The main disadvantages of the known wind power unit are: the use of gears of a rather complicated design and the discrete nature of the operation of the mechanism that protects the power unit from storm winds. Toothed gears for efficient operation require adjustment of gears and the constant presence of lubricant in the contacts, which greatly complicates the design, increases its cost and reduces reliability. Also, these gears significantly increase the inertia of the entire structure in rotational motion, which reduces its effectiveness at low wind speeds. The discrete nature of the operation of the safety mechanism leads to the fact that the unit is stopped and its blades oriented in the wind should be reached when the maximum possible wind speed and, correspondingly, the maximum frame speed with blades are reached. In this case, significant inertial loads will occur in the structure.

Наиболее близкой по совокупности признаков является ветроэлектроустановка планетарного типа Патент РФ №2030777, класс F 03 D 3/02, 7/06, 1995, включающая вращающуюся на основании раму с подвижными лопастями и поворотный вал, причем лопасти связаны с поворотным валом передаточным механизмом с постоянным отношением 1:2. Недостатком данной конструкции является использование горизонтально расположенных цепных передач, которые для эффективной продолжительной работы требуют смазки трущихся деталей и наличия направляющих устройств, обеспечивающих правильное набегание цепей на звездочки. Также существенными недостатками являются: необходимость в дополнительном устройстве, обеспечивающем ориентацию установки по ветру, и отсутствие механизма, предохраняющего ее от буревых ветров.The closest in combination of features is a planetary type wind turbine RF Patent No. 2030777, class F 03 D 3/02, 7/06, 1995, including a rotating frame with movable blades and a rotary shaft, the blades being connected to the rotary shaft by a constant-speed transmission mechanism 1: 2 ratio. The disadvantage of this design is the use of horizontally arranged chain transmissions, which for effective continuous operation require lubrication of the rubbing parts and the presence of guiding devices that ensure the chains run correctly onto the sprockets. Also significant disadvantages are: the need for an additional device that provides installation orientation in the wind, and the absence of a mechanism that protects it from storm winds.

Задачей изобретения является повышение надежности двигателя путем управления законом движения лопастей.The objective of the invention is to increase the reliability of the engine by controlling the law of motion of the blades.

Это достигается тем, что в ветродвигателе, включающем вращающуюся на основании раму с подвижными лопастями, поворотный вал, лопасти, связанные с поворотным валом передаточным механизмом с постоянным отношением 1:2, согласно изобретению, поворотный вал снабжен подвижно установленным флюгером и связан с ним управляющим устройством, состоящим из кривошипно-ползунного механизма, шатуна, регулирующей пластины и возвратной пружины, а в качестве передаточного механизма использована ременная зубчатая передача.This is achieved by the fact that in the wind turbine, including a rotating frame with movable blades on the base, a rotary shaft, blades connected to the rotary shaft by a transmission mechanism with a constant ratio of 1: 2, according to the invention, the rotary shaft is equipped with a movably mounted weather vane and a control device is connected with it consisting of a crank-slide mechanism, a connecting rod, a control plate and a return spring, and a belt gear is used as a transmission mechanism.

1. На фиг.1 изображен эскиз конструкции ветроагрегата.1. Figure 1 shows a sketch of the design of the wind turbine.

2. На фиг.2 изображены последовательные положения лопасти ветродвигателя при нормальной скорости ветра.2. Figure 2 shows the successive positions of the wind turbine blade at normal wind speed.

3. На фиг.3 показаны движущие моменты сил M₁, М₂ от действия лопастей 3 при нормальной скорости ветра.3. Figure 3 shows the driving moments of forces M ₁ , M ₂ from the action of the blades 3 at normal wind speed.

4. На фиг.4 показаны последовательные положения лопасти при достижении предельной скорости ветра.4. Figure 4 shows the successive positions of the blade when reaching the maximum wind speed.

5. На фиг.5 показаны движущие моменты сил M₁, M₂ от действия лопастей 3 при достижении предельной скорости ветра.5. Figure 5 shows the driving moments of the forces M ₁ , M ₂ from the action of the blades 3 when reaching the maximum wind speed.

6. На фиг.6 показано устойчивое положение лопастей 3 после достижения предельной скорости ветра.6. Figure 6 shows the stable position of the blades 3 after reaching the maximum wind speed.

Ветродвигатель состоит из неподвижного основания 1, установленной на нем поворотной рамы 2, лопастей 3, подвижно установленных на раме 2, поворотного вала 4 и флюгера 5, установленного на поворотном валу 4 с возможностью вращения и связанного с ним управляющим устройством 6.The wind turbine consists of a fixed base 1, a rotary frame 2 mounted on it, blades 3, movably mounted on the frame 2, a rotary shaft 4 and a weather vane 5 mounted on the rotary shaft 4 with the possibility of rotation and associated control device 6.

Лопасти 3 установлены парно для того, чтобы уравновесить опрокидывающий момент сил.The blades 3 are mounted in pairs in order to balance the overturning moment of forces.

Лопасти связаны с поворотным валом ременной зубчатой передачей 7 с отношением 1:2 от вала 4 к лопастям 3.The blades are connected to the rotary shaft by a belt gear 7 with a ratio of 1: 2 from the shaft 4 to the blades 3.

Управляющее устройство 6 состоит из кривошипно-ползунного механизма, включающего рычаг 8, жестко связанный с валом 4, шатун 9, ползун 10, а также из шатуна 11, регулирующей пластины 12 и возвратной пружины 13.The control device 6 consists of a crank-slide mechanism, including a lever 8, rigidly connected to the shaft 4, the connecting rod 9, the slider 10, as well as from the connecting rod 11, the control plate 12 and the return spring 13.

Ветродвигатель работает следующим образом. При силе ветра, находящейся в оптимальном диапазоне скоростей [ϑ_min, ϑ_opt], регулирующая пластина 12 под действием своего веса и возвратной пружины 13 находится в нижнем положении. В этом случае обеспечивается оптимальный закон движения лопастей 3 относительно ветра. На фиг.2 показаны последовательные положения лопасти при ее повороте на 0, 90, 180 и 270 градусов относительно оси, задаваемой флюгером. На фиг.3 показаны движущие моменты сил М₁, М₂, создаваемые на поворотной раме парой лопастей 3, установленных на ней со сдвигом 180 градусов, а также суммарный момент сил МΣ от действия обеих лопастей.The wind turbine operates as follows. When the wind force is in the optimal speed range [ϑ _min , ϑ _opt ], the control plate 12 under the influence of its weight and return spring 13 is in the lower position. In this case, the optimal law of motion of the blades 3 relative to the wind is ensured. Figure 2 shows the successive positions of the blade when it is rotated 0, 90, 180 and 270 degrees relative to the axis defined by the wind vane. Figure 3 shows the driving moments of the forces M ₁ , M ₂ created on the rotary frame by a pair of blades 3 mounted on it with a shift of 180 degrees, as well as the total moment of forces MΣ from the action of both blades.

При увеличении силы ветра свыше некоторой величины ϑ_opt под действием ветра регулирующая пластина 12 поднимается и через управляющее устройство, состоящее из рычага 8, шатуна 9, ползуна 10 и шатуна 11, поворачивает относительно флюгера 5 поворотный вал 4 вместе с закрепленными на нем малыми шкивами ременных передач 7. При этом средние значения М₁, М₂ и МΣ будут постепенно уменьшаться по сравнению с их оптимальными значениями. При достижении предельной скорости ветра ϑ_пред регулирующая пластина 12 займет крайнее верхнее положение, повернув вал 4 на 90 градусов по отношению к оптимальному положению. На фиг.4 показаны последовательные положения лопасти при достижении предельной скорости ветра и повороте ее на 0, 90, 180 и 270 градусов относительно оси, задаваемой флюгером. На фиг.5 показаны движущие моменты сил M₁, М₂, создаваемые на поворотной раме парой лопастей 3, установленных на ней со сдвигом 180 градусов, а также суммарный момент сил МΣ от действия обеих лопастей в этом случае. Как видно, средние значения M₁, М₂ и МΣ равны нулю и рама ветродвигателя через некоторое время останавливается в устойчивом положении, при котором моменты сил на обеих лопастях уравновешивают друг друга (фиг.6).When the wind force increases above a certain value ϑ _opt under the influence of wind, the control plate 12 rises and, through the control device, consisting of a lever 8, a connecting rod 9, a slider 10 and a connecting rod 11, rotates the rotary shaft 4 relative to the weather vane 5 together with small belt pulleys fixed to it gears 7. In this case, the average values of M ₁ , M ₂ and MΣ will gradually decrease in comparison with their optimal values. When reaching the maximum wind speed ϑ _{before the} control plate 12 will take its highest position by turning the shaft 4 by 90 degrees with respect to the optimal position. Figure 4 shows the successive positions of the blade when reaching the maximum wind speed and turning it at 0, 90, 180 and 270 degrees relative to the axis defined by the wind vane. Figure 5 shows the driving moments of the forces M ₁ , M ₂ created on the rotary frame by a pair of blades 3 mounted on it with a shift of 180 degrees, as well as the total moment of forces MΣ from the action of both blades in this case. As you can see, the average values of M ₁ , M ₂ and MΣ are equal to zero and the wind turbine frame after a while stops in a stable position, in which the moments of force on both blades balance each other (Fig.6).

Ременные зубчатые передачи, в отличие от зубчатых и цепных передач, не требуют смазки, более просты по конструкции и при монтаже, что увеличивает надежность и долговечность всей конструкции в целом. Управляющее устройство 6 позволяет плавно управлять движением рамы 2 и лопастей 3 таким образом, что при превышении скорости ветра порогового значения ветродвигатель начинает затормаживаться за счет изменения закона движения лопастей относительно ветрового потока, а при предельной скорости и вовсе останавливается, занимая устойчивое равновесное состояние (фиг.6).Belt gears, unlike gears and chain transmissions, do not require lubrication, are simpler in design and installation, which increases the reliability and durability of the whole structure as a whole. The control device 6 allows you to smoothly control the movement of the frame 2 and blades 3 in such a way that when the wind speed exceeds a threshold value, the wind turbine starts to slow down due to a change in the law of motion of the blades relative to the wind flow, and at the maximum speed it stops completely, occupying a stable equilibrium state (Fig. 6).

Авторами спроектирована и изготовлена действующая модель ветродвигателя планетарного типа заявленной конструкции с расчетной мощностью 400 Вт при силе ветра 5 м/с. Модель была представлена на выставке НТТМ-2002, проходившей в июне - июле 2002 года, где была награждена дипломом.The authors designed and manufactured the current model of a planetary type wind turbine of the claimed design with a rated power of 400 W with a wind force of 5 m / s. The model was presented at the NTTM-2002 exhibition, which was held in June - July 2002, where it was awarded a diploma.

Claims

A planetary type wind turbine, including a rotating frame with movable blades on the base and a rotary shaft, the blades being connected to the rotary shaft by a transmission mechanism with a constant ratio of 1: 2, characterized in that the rotary shaft is equipped with a movably mounted weather vane and is connected to it by a control device consisting of crank-slide mechanism, connecting rod, control plate and return spring, and a belt gear was used as a transmission mechanism.