RU2481498C2

RU2481498C2 - Механизм преобразования вращения ветроэнергетической установки

Info

Publication number: RU2481498C2
Application number: RU2010101827/06A
Authority: RU
Inventors: Юрий Юрьевич Громов; Сергей Владимирович Мищенко; Константин Алексеевич Набатов; Герман Алексеевич Петров; Василий Александрович Погонин
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2013-05-10
Also published as: RU2010101827A

Abstract

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Механизм преобразования вращения ветроэнергетической установки, снабженной валом, совершающим повороты, вызываемые периодическими колебаниями поперечной тяги установки переключением поворотных лопаток, маховиком и электрогенератором, выполнен в виде посаженной на вал входной шестерни, связанных с ней внешним зацеплением первой и второй ведущих шестерней, связанных с их валами своими входными валами соответственно первой и второй храповых муфт, посаженных на их выходные валы соответственно первой и второй промежуточных шестерней и связанной с ними соответственно внутренним и внешним зацеплением ведомой шестерни. Механизм дополнительно содержит храповую муфту, входной вал которой соединен с валом ведомой шестерни, а ее выходной вал последовательно связан с маховиком и ротором электрогенератора. Такое выполнение механизма обеспечит непрерывность вращения ротора электрогенератора в течение всего периода колебаний. 6 ил.

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию.

Известна (патент РФ №2002107, кл. F03D 3/00, F03D 3/06, F03D 5/00, F03D 7/06, опублик. 1993) ветровая энергетическая установка, содержащая закрепленный на горизонтальной опорной поверхности вертикальный вал, связанный с ним ротор, выполненный в виде горизонтальной платформы с флюгером, рабочая поверхность которого размещена в вертикальной плоскости, проходящей через вал, две направляющие, закрепленные на роторе на одинаковом расстоянии по разные стороны от вала параллельно друг другу и рабочей поверхности флюгера, две тележки, установленные с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющим, установленные на тележках вертикально и параллельно друг другу две опорные рамы, плоскости которых перпендикулярны направляющим, поворотные лопатки, образующие парусообразные плоскости и установленные на вертикальных осях в опорных рамах, радиальную раздвижную траверсу, шарнирно связанную своей средней точкой с валом и своими концами с тележками, шарнирно связанный с траверсой вал с винтовой поверхностью и размещенный на нем генератор, корпус которого шарнирно закреплен на горизонтальной платформе, причем вал с винтовой поверхностью разделен на два участка, закрутка которых выполнена в противоположные стороны и на каждом из них установлена храповая муфта.

Недостатком этого устройства является малый момент инерции ротора генератора, участвующего в однонаправленном вращении, что снижает энергоотдачу устройства из-за малой величины кинетической энергии, накапливаемой при избыточной скорости ветра и передаваемой генератору при малой скорости ветра.

Наиболее близкой по технической сущности является выбранная за прототип ветроэнергетическая установка, описанная в патенте РФ 2173791, МПК⁷ F03D 3/06. Ее кинематическая схема приведена на фиг.1. Ветроустановка содержит вертикальный вал 2, закрепленный с возможностью вращения относительно горизонтальной опорной поверхности 1, две опорные рамы 3 и 4, плоскости которых вертикальны и параллельны друг другу, установленные в опорных рамах на вертикальных осях поворотные лопатки 5, образующие рабочие парусообразные плоскости, горизонтально расположенный механизм параллелограммного типа, состоящий из связанной жестко своей средней точкой с валом 2 передней поперечной тяги 6, равной и параллельной ей задней поперечной тяги 7, связывающих шарнирно концы поперечных тяг боковых продольных тяг 8 и 9, на которых перпендикулярно к ним вертикально закреплены опорные рамы, параллельной боковым тягам средней продольной тяги 10, передняя и промежуточная точки которой связаны шарнирно соответственно с валом и с серединой задней поперечной тяги, закрепленный в конце средней продольной тяги вертикально и параллельно продольным тягам флюгер 11, выполненный в закрытом корпусе и прикрепленный снизу к опорной поверхности механизм преобразования вращения 12, входная ось которого связана с валом, последовательно установленные на выходной оси механизма преобразования вращения маховик 13 и электрогенератор 14, а также механизм поворота лопаток (не показан).

На фиг.2 приведена кинематическая схема механизма преобразования вращения, обеспечивающего преобразование колебательных движений вала в однонаправленное вращение. Механизм выполнен в виде посаженной на вал входной шестерни 15, связанных с ней внешним зацеплением первой 16 и второй 17 ведущих шестерней, связанных с их валами своими входными валами соответственно первой 18 и второй 19 храповых муфт, посаженных на их выходные валы соответственно первой 20 и второй 21 промежуточных шестерней и связанной с ними соответственно внешним и внутренним зацеплением ведомой шестерни 22, вал которой является выходным валом механизма 12. Временная диаграмма изменения угловой скорости вращения ротора электродвигателя ω_р для этого прототипа показана на фиг.3.

Недостатком конструкции механизма преобразования вращения является наличие постоянной жесткой связи между валом ведомой шестерни 22 и маховиком 13, что при изменении направления отклонения поперечных тяг 6 и 7 (фиг.1) от среднего положения вызывает периодическое торможение - вплоть до полной остановки - маховика и, следовательно, ротора электрогенератора. Таким образом, электрогенератор будет находиться в рабочем режиме лишь часть периода колебаний. Следовательно, средняя мощность вырабатываемой электроэнергии будет низкой. Кроме того, рассмотренные конструкции требуют применения генератора специальной конструкции, например, такой, какая предложена в первом прототипе.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение непрерывности вращения маховика и, соответственно, ротора электрогенератора в течение всего периода колебаний.

Сущность изобретения заключается в том, что в механизм преобразования вращения, содержащий входную шестерню, ведущие шестерни, храповые муфты, промежуточные шестерни, ведомую шестерню, выходной вал, добавлена третья храповая муфта таким образом, что ее входной вал соединен с валом ведомой шестерни, а выходной вал дополнительной храповой муфты последовательно связан с маховиком и ротором электрогенератора.

На фиг.4 показана кинематическая схема механизма преобразования вращения с дополнительной храповой муфтой. Механизм преобразования вращения содержит посаженную на вал 2 входную шестерню 15, связанные с ней внешним зацеплением первую 16 и вторую 17 ведущие шестерни, связанные с их валами своими входными валами соответственно первую 18 и вторую 19 храповые муфты, посаженные на их выходные валы, соответственно первую 20 и вторую 21 промежуточные шестерни, связанную с ними соответственно внутренним и внешним зацеплением ведомую шестерню 22, связанную с ее валом своим входным валом дополнительную храповую муфту 23, выходной вал которой является выходным валом всего механизма преобразования вращения и последовательно связан с маховиком и ротором электрогенератора. Временная диаграмма изменения угловых скоростей в предлагаемом изобретении показана на фиг.5.

Механизм преобразования вращения работает следующим образом. Периодические колебания передней поперечной тяги 6 (фиг.1) вызывают повороты вала 2 (фиг.4) и входной шестерни 15 механизма преобразования вращения. При этом входная шестерня своим внешним зацеплением вращает ведущие шестерни 16 и 17, что, в свою очередь, вызывает вращение входных валов первой 18 и второй 19 храповых муфт. Направление рабочего хода этих муфт различно, поэтому передача вращающего момента от вала 2 ведомой шестерне 22 происходит поочередно от первой 20 или второй 21 промежуточных шестерней в зависимости от направления перемещения опорных рам 3 и 4 (фиг.1). Следовательно, вращение ведомой шестерни 22 (фиг.4) будет однонаправленным. Оно передается входному валу дополнительной храповой муфты 23. Состояние дополнительной храповой муфты зависит от соотношения угловых скоростей вращения ведомой шестерни ω_B и ротора электрогенератора ω_P. Модуль ω_B периодически изменяется от нулевого значения (когда передняя поперечная тяга 6 на фиг.1 изменяет направление вращения после переключения поворотных лопаток 5 - момент времени t₀ на фиг.5) до определенного конечного значения, зависящего от параметров ветроустановки (момент времени t₁ на фиг.5). В моменты времени, когда ω_B меньше, чем ω_P (период t₁-t₂), дополнительная храповая муфта 23 находится в расцепленном состоянии, и ротор электрогенератора 14 получает вращающий момент от раскрученного маховика 13. При возрастании ω_B до значения, равного ω_р (момент времени t₂ на фиг.5), дополнительная храповая муфта 23 входит в зацепленное состояние, маховик 13 и, соответственно, ротор электрогенератора 14 получают ускорение от ветроустановки в течение периода времени t₁-t₃. При уменьшении ω_B (момент времени t₃) дополнительная храповая муфта 23 приходит в расцепленное состояние, не позволяя ветроустановке тормозить маховик 13. Временная диаграмма изменения угловой скорости вращения ротора электродвигателя ω_р в предлагаемом изобретении показана на фиг.6.

Таким образом, наличие дополнительной храповой муфты позволяет поддерживать рабочий режим электрогенератора в течение всего периода колебаний ветроустановки. Следовательно, средняя мощность вырабатываемого ветроэнергетической установкой электричества выше, чем в прототипе. Кроме того, применение данного изобретения позволит для выработки электричества использовать стандартные, т.е. более дешевые, электрогенераторы.

Claims

Механизм преобразования вращения ветроэнергетической установки, снабженной валом, совершающим повороты, вызываемые периодическими колебаниями поперечной тяги установки переключением поворотных лопаток, маховиком и электрогенератором, выполненный в виде посаженной на вал входной шестерни, связанных с ней внешним зацеплением первой и второй ведущих шестерней, связанных с их валами своими входными валами соответственно первой и второй храповых муфт, посаженных на их выходные валы соответственно первой и второй промежуточных шестерней и связанной с ними соответственно внутренним и внешним зацеплением ведомой шестерни, отличающийся тем, что дополнительно содержит храповую муфту, причем входной вал дополнительной храповой муфты соединен с валом ведомой шестерни, а ее выходной вал последовательно связан с маховиком и ротором электрогенератора.