RU2273765C1

RU2273765C1 - Wind motor

Info

Publication number: RU2273765C1
Application number: RU2004132395/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Иванович Гданский (RU); Николай Иванович Гданский; Владислав Васильевич Мальцевский (RU); Владислав Васильевич Мальцевский
Original assignee: Московский государственный университет инженерной экологии
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-04-10

Abstract

FIELD: wind-power engineering; application in regions at low wind velocity.

SUBSTANCE: proposed wind motor includes frame mounted in fixed housing and used for installation of shafts with rigidly secured blades and turnable shaft; turnable shaft and blade shafts are provided with sprockets and hubs connected by chain transmissions at constant ratio of angular velocities of 2:1. Vane is rigidly secured on turnable shaft; half of sprockets of turnable shaft are mounted for turn through 180°; hub is provided with longitudinal slot; turnable shaft is hollow and is provided with profiled slot and splines in lower part; mounted inside this shaft is rod with pin received by profiled slot and slot for sprocket hub; mounted turnably on opposite end of rod is splined bush with stop; bush is received by splines of turnable shaft; translational motion drive with movable actuating member is mounted inside fixed housing; end of rod is connected with actuating member for relative turn.

EFFECT: enhanced reliability due to automatic orientation of blades relative to wind flow and protection of wind motor against overloading in case of gale.

5 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для применения в местностях с невысокими скоростями ветра. Данная конструкция позволяет повысить надежность ветродвигателя при буревых ветрах.The invention relates to wind energy and is intended for use in areas with low wind speeds. This design allows you to increase the reliability of the wind turbine when the wind is windy.

Известен ветряной агрегат (патент РФ №2070659, кл. 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.A 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 is installed on the central shaft rigidly connected to the weather vane, loaded in the direction of engagement, and the ratio of gear transmission from the weather vane to the blades is 1: 2.

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.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 stops and the orientation of its blades in the wind should be performed when the maximum possible wind speed and, accordingly, the maximum speed of the frame with the blades are reached.

Наиболее близкой по совокупности признаков является ветроэлектроустановка (патент РФ №2030777, кл. F 03 D 3/02, 7/06, 1995), содержащая в неподвижном корпусе вертикальный поворотный вал с траверсами, на которых с возможностью поворота установлены валы лопастей, причем поворотный вал и валы лопастей снабжены звездочками, которые связаны цепными передачами с постоянным отношением угловых скоростей 2:1. Ориентация по ветру поворотного вала с блоком звездочек осуществляется через дополнительный передаточный механизм при помощи дополнительных устройств, учитывающих направление ветра.Closest to the totality of features is a wind turbine (RF patent No. 2030777, class F 03 D 3/02, 7/06, 1995), containing in a stationary housing a vertical rotary shaft with traverses, on which the shaft of the blades are mounted for rotation, and the rotary the shaft and shafts of the blades are equipped with sprockets, which are connected by chain gears with a constant ratio of angular velocities of 2: 1. The orientation in the wind of the rotary shaft with a block of sprockets is carried out through an additional gear mechanism using additional devices that take into account the direction of the wind.

Основными недостатками данной конструкции являются:The main disadvantages of this design are:

1) необходимость в дополнительном устройстве, обеспечивающем ориентацию установки по ветру,1) the need for an additional device that provides installation orientation in the wind,

2) отсутствие механизма, предохраняющего ее от буревых ветров.2) the lack of a mechanism that protects it from storm winds.

Задачей изобретения является повышение надежности конструкции за счет обеспечения автоматической ориентации лопастей относительно ветрового потока и предохранения ветродвигателя от перегрузок при буревых ветрах.The objective of the invention is to increase the reliability of the structure by providing automatic orientation of the blades relative to the wind flow and to protect the wind turbine from overloads during storm winds.

Поставленная задача достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем вращающуюся в неподвижном корпусе раму, на которой с возможностью вращения установлены валы с жестко закрепленными на них лопастями и поворотный вал, причем поворотный вал и валы лопастей снабжены звездочками со ступицами, которые связаны цепными передачами с постоянным отношением угловых скоростей 2:1, согласно изобретению, на поворотном валу жестко закреплен флюгер, половина звездочек поворотного вала установлены с возможностью поворота на 180°, а в ступице выполнена продольная прорезь, при этом поворотный вал выполнен полым с профилированной прорезью и шлицами в нижней части, внутри него установлен шток с пальцем, входящим в профилированную прорезь и прорезь ступицы звездочки, а на обратном конце штока установлена с возможностью поворота шлицевая втулка со стопором, входящая в шлицы поворотного вала, причем в неподвижном корпусе установлен привод поступательного движения с подвижным исполнительным элементом, с которым с возможностью относительного поворота связан конец штока.The problem is achieved in that in a wind turbine containing a frame rotating in a fixed housing, on which shafts with blades rigidly fixed on them and a rotary shaft are mounted, the rotary shaft and blade shafts are equipped with sprockets with hubs, which are connected by constant-speed chain transmissions the ratio of angular velocities 2: 1, according to the invention, a weather vane is rigidly fixed on the rotary shaft, half of the rotary shaft sprockets are mounted rotatably 180 °, and in the hub a longitudinal slot, while the rotary shaft is hollow with a profiled slot and slots in the lower part, a rod with a finger installed inside the profiled slot and the sprocket hub slot is installed inside it, and a splined sleeve with a stopper included in splines of the rotary shaft, and in a fixed housing a translational motion drive with a movable actuating element is installed, with which the end of the rod is connected with the possibility of relative rotation.

На фиг.1 дан поперечный разрез конструкции, на фиг.2 - вид А-А, на фиг.3 - разрез Б-Б, на фиг.4 - вид ветродвигателя сверху при рабочем положении ветродвигателя, на фиг.5 - вид ветродвигателя сверху при остановленном положении ветродвигателя.Figure 1 shows a cross section of the structure, figure 2 is a view aa, figure 3 is a section bb, figure 4 is a top view of the wind turbine with the operating position of the wind turbine, figure 5 is a top view of the wind turbine with the stopped position of the wind turbine.

В неподвижном корпусе 1 на подшипниках 2 установлен вал 3 поворотной рамы 4 ветродвигателя. Внутри вала 3 на подшипниках 5 установлен поворотный вал 6. На валу флюгера 6 жестко закреплены флюгер 7 и звездочка 8 цепной передачи. Также на поворотном валу 6 с возможностью поворота на 180° установлена поворотная звездочка 9 цепной передачи, имеющая продольную прорезь 10 в ступице 11. На раме 4 в подшипниках 12 установлены валы 13 с жестко закрепленными на них звездочками 14, 15 и лопастями 16, 17. Поворотная звездочка 9 связана со звездочками 14 цепью 18 с постоянным отношением угловых скоростей 2:1 (от звездочки 9 к звездочкам 14). Неподвижная звездочка 8 поворотного вала 6 аналогично связана со звездочками 15 при помощи цепи 19. Внутри поворотного вала 6 установлен шток 20, палец 21 которого входит в винтовую прорезь 22 поворотного вала 6. В нижней части шток 20 через поворотно установленную шлицевую втулку 23 связан с валом 3 и входит в подшипники 24. На шлицевой втулке 23 жестко закреплен стопор 25. В корпусе 1 жестко установлены концевые выключатели 26, 27. Привод поступательного движения выполнен в виде мотор-редуктора 28, у которого роль подвижного исполнительного элемента выполняет гайка 30, входящая в зацепление с винтом 29, жестко закрепленным на выходном валу мотор-редуктора 28. От вращения гайка 30 удерживается выступами 31, входящими в прорези корпуса 1. Гайка 30 через втулку 32 жестко связана с наружными кольцами подшипников 24. Также на корпусе 1 установлен датчик скорости ветра 33.In the stationary housing 1 on the bearings 2, a shaft 3 of the rotary frame 4 of the wind turbine is installed. A rotary shaft 6 is installed inside the shaft 3 on the bearings 5. The weather vane 7 and the chain sprocket 8 are rigidly fixed to the vane shaft 6. Also, a rotary sprocket 9 of a chain drive with a longitudinal slot 10 in the hub 11 is installed on the rotary shaft 6 with the possibility of rotation through 180 °. Shafts 13 with sprockets 14, 15 and blades 16, 17 are rigidly mounted on the frame 4 in the bearings 12. The swivel sprocket 9 is connected to sprockets 14 by chain 18 with a constant ratio of angular velocities of 2: 1 (from sprocket 9 to sprockets 14). The fixed sprocket 8 of the rotary shaft 6 is likewise connected to the sprockets 15 by means of the chain 19. Inside the rotary shaft 6, a rod 20 is installed, the pin 21 of which is included in the screw slot 22 of the rotary shaft 6. In the lower part, the rod 20 is connected to the shaft through a rotary mounted spline sleeve 23 3 and enters the bearings 24. A stopper 25 is rigidly fixed to the spline sleeve 23. Limit switches 26, 27 are rigidly mounted in the housing 1. The translational drive is made in the form of a gear motor 28, in which the role of the movable actuating element is nut 30, which engages with a screw 29, is rigidly fixed to the output shaft of the gear motor 28. From rotation, the nut 30 is held by the protrusions 31 entering the slots of the housing 1. The nut 30 through the sleeve 32 is rigidly connected with the outer rings of the bearings 24. Also on case 1 installed a wind speed sensor 33.

Рассмотрим функционирование ветродвигателя на примере четырехлопастной конструкции.Consider the operation of a wind turbine using the four-blade design as an example.

В рабочем положении при скорости ветра v, не превышающей критическую ν_кр (ν≤ν_кр), рама 4 ветродвигателя (фиг.4) вращается за счет разности лобового сопротивления лопастей набегающему ветровому потоку против часовой стрелки с некоторой угловой скоростью ω. Шток 20 находится в крайнем нижнем положении. Его палец 21 через винтовую прорезь 22 поворотного вала 6 и продольную прорезь 10 в ступице удерживает поворотную звездочку 9 в положении, при котором лопасти 16 и 17 ветродвигателя поворачиваются относительно корпуса с угловой скоростью ω/2, занимая наиболее выгодное положение по отношению к ветровому потоку. Ориентацию звездочек 8 и 9, установленных на поворотном валу 6, по отношению к ветровому потоку обеспечивает флюгер 7.In the working position at a wind speed v not exceeding the critical ν _cr (ν≤ν _cr ), the wind turbine frame 4 (Fig. 4) rotates due to the difference in the drag of the blades to the incident wind flow counterclockwise with a certain angular velocity ω. Stem 20 is in its lowest position. His finger 21 through the screw slot 22 of the rotary shaft 6 and the longitudinal slot 10 in the hub holds the rotary sprocket 9 in a position in which the blades 16 and 17 of the wind turbine rotate relative to the casing with an angular velocity ω / 2, occupying the most favorable position with respect to the wind flow. The orientation of the sprockets 8 and 9 mounted on the rotary shaft 6 with respect to the wind flow is provided by the weather vane 7.

При превышении скорости ветра ν критической величины ν_кр (ν>ν_кр) по сигналу от датчика скорости ветра 33 включается мотор-редуктор 28, перемещая при помощи гайки 30 шток 20 вверх внутри вала флюгера 6 до тех пор, пока питающая цепь мотор-редуктора 28 не разомкнется конечным выключателем 26. При этом осуществляются два действия:If the wind speed ν exceeds the critical value ν _cr (ν> ν _cr ), the gearmotor 28 is turned on by a signal from the wind speed sensor 33, moving the rod 20 upward inside the vane 6 shaft using nut 30 until the motor gearmotor feed circuit 28 does not open with limit switch 26. In this case, two actions are carried out:

1) палец 21 штока 20 через винтовую прорезь 22 поворотного вала 6 и продольную прорезь 10 в ступице разворачивает поворотную звездочку 9 на 180°, разворачивая через цепную передачу лопасти 15 на 90° по ходу движения (на фиг.5 штриховыми линиями показано положение лопастей 16 при рабочем положении ветродвигателя),1) the pin 21 of the rod 20 through the screw slot 22 of the rotary shaft 6 and the longitudinal slot 10 in the hub turns the rotary sprocket 9 through 180 °, turning through the chain transmission of the blade 15 by 90 ° in the direction of travel (figure 5 shows the position of the blades 16 in dashed lines with the working position of the wind turbine),

2) вал 3 поворотной рамы 4 ветродвигателя фиксируется относительно поворотного вала 6 при помощи стопора 25, упирающегося в замок, выполненный в стенке поворотного вала 6.2) the shaft 3 of the rotary frame 4 of the wind turbine is fixed relative to the rotary shaft 6 using the stopper 25, abutting against a lock made in the wall of the rotary shaft 6.

При этом лопасти ветродвигателя занимают постоянные симметричные положения под углами ±22,5° по отношению к направлению ветрового потока, что обеспечивает значительное снижение аэродинамического сопротивления всей конструкции.In this case, the blades of the wind turbine occupy constant symmetrical positions at angles of ± 22.5 ° with respect to the direction of the wind flow, which provides a significant reduction in the aerodynamic drag of the entire structure.

При уменьшении скорости ниже критического значения по сигналу от датчика скорости ветра 33 реверсируется мотор-редуктор 28, опуская при помощи гайки 30 шток 20 вниз до тех пор, пока питающая цепь мотор-редуктора 28 не разомкнется конечным выключателем 27. При этом размыкается связь вала 3 поворотной рамы 4 ветродвигателя с поворотным валом 6 и лопасти 16 возвращаются в рабочее состояние, после чего ветродвигатель начинает обычное функционирование.When the speed decreases below a critical value, the gearmotor 28 is reversed by a signal from the wind speed sensor 33, lowering the rod 20 down with the nut 30 until the power supply circuit of the gearmotor 28 is opened by the limit switch 27. In this case, the shaft 3 connection is opened the rotary frame 4 of the wind turbine with the rotary shaft 6 and the blades 16 are returned to working condition, after which the wind turbine begins its normal operation.

Таким образом, за счет обеспечения автоматической ориентации лопастей по ветру, а также фиксации рамы ветродвигателя относительно флюгера с уменьшением парусности всего ветродвигателя достигается повышение надежности всей конструкции.Thus, by ensuring the automatic orientation of the blades in the wind, as well as fixing the wind turbine frame relative to the wind vane with a decrease in the windage of the entire wind turbine, an increase in the reliability of the whole structure is achieved.

Claims

A wind turbine comprising a frame rotating in a fixed housing, on which shafts with blades rigidly fixed on them and a rotary shaft are mounted, the rotary shaft and the blade shafts are equipped with sprockets with hubs, which are connected by chain transmissions with a constant ratio of angular speeds of 2: 1, characterized in that the weather vane is rigidly fixed on the rotary shaft, half of the rotary shaft sprockets are mounted rotatable 180 °, and a longitudinal slot is made in the hub, while the rotary shaft l is made hollow with a profiled slot and slots in the lower part, a rod with a finger installed inside the profiled slot and the sprocket hub is installed inside it, and a splined sleeve with a stopper included in the splines of the rotary shaft is mounted with the possibility of rotation the motionless drive has a translational motion drive with a movable actuating element with which the end of the rod is connected with the possibility of relative rotation.