RU25546U1 - Ветроагрегат - Google Patents

Description

МПК-7 F03D7/06

v

Ветроагрегат Область техники, к которой относится полезная модель Полезная модель относится к ветроэнергетике и в частности к ортогональным ветроагрегатам с лопастями, имеющими вертикальную ось поворота. Уровень техники Известен ветродвигатель, содержащий установленное на вертикальном валу рабочее колесо с верхними и нижними спицами, между которыми на их концах размещены поворотные балансирные лопасти, валы которых через муфты разгрузки связаны цепной передачей (передаточное отношение 1 : 2) с общим флюгером (SU 1483081А1, F03D3/02, 30.05.1989). Выполнение лопастей поворотными позволяет оптимально ориентировать их в процессед работы, что обеспечивает оптимальную аэродинамику лопастей при движении по потоку ветра и против. При этом появляется возможность регулировать нагрузку на лопастях двигателя. Однако, общий механизм поворота лопастей, представляющий собой цепную передачу, связывающую флюгер с каждой лопастью сложен, что снижает надежность устройства.

Кроме этого, цепная передача не может быть достаточно жесткой, что вызывает повышенный уровень автоколебаний и снижение виброустойчивости всей упругой конструкции, что в свою очередь является причиной внезапных отказов, а так же низкая эффективность самозащиты ветродвигателя от сильных ветров.

Известна ветроэнергетическая установка с осью вращения, пересекающей направление ветра, содержащая ротор с лопастями, установленными под углом (42 ) градусов к оси вращения ротора (RU 20995 89С1, F03D3/00, 20.12.1997). В данной установке предусмотрена возможность синхронного отклонения всех лопастей относительно их нижних опор под действием центробежных сил. Данное -техническое решение обеспечивает увеличение момента инерции ротора с лопастями при увеличении скорости вращения. Таким образом обеспечивается защита электрогенератора от перегрузки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому изобретению является ветроагрегат, содержащий рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на котором установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с осью поворота лопасти (RU 2119094С1, F03D7/06, 20.09.1998). Снабжение каждой поворотной лопасти отдельным механизмом поворота позволяет увеличить мощность ветродвигателя, повышает надежность устройства при общем упрощении конструкции и снижении металлоемкости. Однако, цепные передачи требуют применения натяжных устройств, тщательного ухода, быстро изнашиваются, передаточное отношение цепной передачи не остается постоянным вследствие колебаний скорости движения цепи. В указанном наиболее близком аналоге не предусмотрена возможность аварийного отключения ветроагрегата в момент, когда нагрузка

превысит допустимый уровень. Кроме этого, работа по повороту лопасти из положения с наибольшим аэродинамическим сопротивлением, когда плоскость лопасти совпадает с радиусом рабочего колеса, совершалась исключительно за счет механизма поворота и флюгера. В результате этого механизм поворота лопасти работает в нагруженном режиме, поскольку возрастает противодействие лопасти флюгеру, что снижает ресурс и надежность работы.

Суш,ность полезной модели

Задачей настоящей полезной модели является разработка и создание ветроагрегата, обладающего улучшенными характеристиками при порывах ветра.

В результате решения данной задачи появляется возможность получения технических результатов, заключающихся в том, что обеспечена возможность аварийного отключения лопастей от механизма поворота в момент, когда режим работы ветроагрегата выйдет за пределы допустимого. Использование в механизме поворота редуктора, вследствие его высокой нагрузочной способности по сравнению с иными кинематическими передачами, позволяет увеличить габариты лопасти и, следовательно, мощность ветроагрегата в целом. В предложенном решении поворот лопасти из положения с наибольшим аэродинамическим сопротивлением осуществляется за счет вращающего момента, возникающего от действия ветрового потока на лопасть, имеющую в этот момент асимметрию площадей относительно вертикальной оси своего поворота, что снижает нагрузку на механизм поворота лопасти. Появляется также возможность получения дополнительного технического результата, заключающегося в повышении коэффициента полезного действия ветроагрегата в результате увеличения отдаваемой мощности. Данные технические результаты достигаются тем, что в ветроагрегате, содержащем рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на котором установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с лопастью, флюгер кинематически соединен с лопастью посредством планетарного редуктора, входной вал которого связан с флюгером, а выходной вал связан с осью поворота лопасти, причем лопасти также имеют индивидуальный механизм разгрузки, содержащий предохранительную муфту, установленную на оси вращения лопасти и систему рычагов и тяг для одновременного отключения всех предохранительных муфт, при этом каждая предохранительная муфта выполнена в виде двух подпружиненных полумуфт и, по крайней мере, одна полумуфта кинематически соединена с системой рычагов и тяг, обеспечивающих ее отключение. Отличительная особенность настоящей полезной модели состоит в том, что флюгер связан с осью поворота лопасти посредством планетарного редуктора, а также предусмотрена возможность отключения лопастей от их механизмов поворота. Данное отключение обеспечивается предохранительными муфтами, выполненными в виде двух подпружиненных полумуфт, при этом отключение возможно в двух случаях. Если момент на валу привода поворота лопасти, например от порыва ветра, превысит допустимое значение тогда полумуфты начнут проскальзывать относительно друг друга. Отключить лопасти от их механизмов поворота также возможно с помощью системы рычагов и тяг, например для выполнения осмотра механизмов и технического обслуживания ветроагрегата. Предпочтительно, чтобы верхний конец каждой лопасти был выполнен с возможностью отклонения в плоскости лопасти симметрично относительно вертикальной оси на расстояние не более В/5,27, где В - максимальное значение ширины лопасти. В результате этого отклонения уменьшается лопасти, взаимодействующая с потоком ветра с наветренной стороны, а с подветренной увеличивается и лопасть приобретает функцию флюгера, что в свою очередь значительно разгружает собственно флюгер. Экспериментально установлено, что отклонение верхнего конца лопасти в полости лопасти относительно вертикальной оси не должно превышать В/5,27, поскольку в противном случае существенно возрастает сопротивление потоку воздуха и резко снижается эффективность ветроагрегата. Кинематическое соединение флюгера с лопастью предпочтительно обеспечивать с передаточным отношением 1:2. Целесообразно выполнить лопасти в виде парусов. Лопасти могут быть выполнены также в форме прямоугольника или овала, а отношение максимального значения ширины лопасти к высоте лопасти целесообразно выбрать от 0,1 до 1,3. Предпочтительно выбрать отношение площади флюгера к площади лопасти от 1 : 12 до 1 : 18. Перечень фигур чертежей На фиг.1 представлен общий вид ветроагрегата, на фиг.2 представлена кинематическая схема механизма поворота лопасти и механизма разгрузки лопасти, на фиг.З схематично представлено положение лопасти в момент наибольшего (положение А на фиг.1) аэродинамического сопротивления ветровому потоку, на фиг.4 схематично представлено положение лопасти в момент наименьшего (положение В на фигЛ) аэродинамического сопротивления ветровому потоку, а также балансирный узел лопасти, на фиг.5 показано в плане отклонение лопасти в своей плоскости относительно вертикальной оси, на фиг.6 показано выполнение лопасти в виде пузо образного паруса. Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной Ветроагрегат содержит установленное на вертикальном валу 1 с опорой 2 рабочее колесо, содержащее верхние и нижние спицы 3, на концах которых р мещены лопасти 4, имеющие верхние и нижние опоры. Лопасти выполнены поворотными вокруг вертикальных осей, проходящих через нижние опоры 7 лопастей. Ветроагрегат содержит механизмы поворота 8 и разгрузки 9 лопастей 4. Как говорилось выше, каждая лопасть имеет свой автономный привод поворота. По существу механизм поворота управляет углом атаки лопасти. Механизм поворота лопасти содержит флюгер 10, кинематически соединенный посредством планетарного редуктора 8 с осью поворота лопасти. Целесообразно, чтобы кинематическая связь флюгера с осью поворота лопасти имела передаточное отношение 1 : 2, обеспечивая тем самым один оборот лопасти на два оборота флюгера. На фиг.2 изображен механизм разгрузки, обеспечивающий разъединение кинематической связи между лопастью и флюгером. Как говорилось выше, каждая лопасть имеет свой автономный механизм разгрузки. Механизм разгрузки может представлять собой, например, предохранительную муфту 9, составленную из двух подпружиненнь1х нормально замкнутых полумуфт 11, 12. Механизм разгрузки может быть модели

установлен как на входном валу редуктора 8 (фиг.3,4), так и на выходном (фиг.2).

Каждая нредохранительная муфта 9 может отключаться независимо от других в случае, если вращающий момент, действующий на лопасть превысит допустимый уровень. Также предусмотрена возможность одновременного отключения оператором всех сразу предохранительных муфт 9 с помощью системы рычагов и тяг.

Система рычагов и тяг содержит двуплечий, щарнирно установленный рычаг 13, который одним плечом сообщает одной из полумуфт движение, в результате которого полумуфты выходят из зацепления и кинематическая связь лопасти с механизмом поворота разрываемся. Другое плечо рычага 13 тягой 14, проходящей внутри верхней спицы 3 рабочего колеса, связано с одним плечом двуплечего, щарнирно установленного рычага 15. Другое плечо рычага вертикальной тягой 16, проходящей внутри вертикального вала 1, связано с серединой рычага 17, один конец которого шарнирно связан с опорой. Очевидно, что рычаг 17 и тяга 16 являются общим приводом для всех предохранительных муфт 9. Количество рычагов 14, 12 и тяг 13 равно количеств лопастей, поскольку все лопасти имеют идентичные механизмы разгрузки.

Флюгера 10 всегда занимают такое угловое положение, при котором их аэродинамическое сопротивление потоку ветра минимально. Благодаря кинематической связи с флюгером и в результате вращения рабочего колеса каждая лопасть поворачивается вокруг вертикальной оси, при этом автоматически устанавливается угол атаки, т.е. лопасть так ориентируется по направлению ветра, что обеспечивается наилучщая аэродинамика ветроагрегата. Передаточное отнощение 1 : 2 позволяет лопастям совершать только пол-оборота за полный оборот

7(df/W

рабочего колеса, т.е. весь рабочий цикл лопасть совершает за половину своего оборота.

В результате проведенных исследований установлено, что оптимальные эксплуатационные показатели ветроагрегата достигаются при отношении площади флюгера к площади лопасти от 1 : 12 до 1 : 18, но возможно и иное отношение.

Верхние концы лопастей 4 целесообразно выполнить с возможностью горизонтального возвратно-поступательного отклонения в плоскостях лопастей симметрично от вертикальной оси. Очевидно, что при этом сами лопасти 4 совершают возвратно-качательные движения в своих плоскостях относительно вертикальных осей, проходящих через их нижние опоры. Возвратно-поступательные перемещения верхних концов лопастей 4 совершаются с помощью узлов, схематично представленных на фиг.2-4, которыми снабжена каждая лопасть 4.

Можно предложить большое конструктивное разнообразие таких узлов. Каждый узел может представлять собой, например, полоз 5 и направляющую 6. При этом, каждый полоз 5 жестко связан с рамой своей лопасти и находится с ней в одной плоскости, как это показано на фиг.2-4. Направляющая 6 охватывает полоз 5 так, что полоз может совершать в ней возвратно-поступательные перемещения. Таким образом, каждый узел полоз-направляющая образует кинематическую поступательную пару.

Для обеспечения возвратно-качательного движения нижние опоры лопастей 4 должны иметь три угловых степени свободы и могут быть выполнены, например в виде шаровых опор 7.

Конструкции лопастей могут бать различными. Лопасти могут содержать легкие рамы 20, например прямоугольные (или овальные), с дугами жесткости 21, от центра которых к углам рамы протянуты тросовые или стержневые стяжки (не показаны) для обеспечения преднатяжения р п о л амы. Образованный таким образом каркас может быть обтянут по ериметру полотном 22, т. е. в этом случае лопасть выполнена в виде пузо бразного паруса. Вместо полотна на каркасе могут быть закреплены егкие штампованные панели, например из алюминий-магниевых сплавов. Экспериментально установлено, что наиболее оптимальным является отношение ширины лопасти к высоте от 0,1 до 1,3. Такой диапазон обусловлен инерционными свойствами лопасти и динамикой ее работы. Устройство функционирует следуюш;им образом. Осуш,ествляют монтаж установки, подключают электрогенератор 18 через передачи 19 к валу 1 рабочего колеса. Работа установки начинается с момента появления ветрового потока, сообщаюш,его рабочему колесу суммарный враш,ающий момент больший, чем момент трения в опорах и момент сопротивления в генераторе. Под действием ветра каждый флюгер 10, поворачиваясь, устанавливает свою лопасть 4 на необходимый угол атаки. Лопасть 4 от потока ветра воздействует на спицы 3 и создает вращаюш,ий момент на рабочем колесе, приводя его во враш;ение. Если вращающий момент, действующий на лопасть от потока ветра превысит допустимый уровень, предохранительная муфта 9 отключит лопасть от механизма поворота и лопасть займет положение, практически компланарное флюгеру, с минимальным аэродинамическим сопротивлением. Предохранительная муфта 9 может быть выполнена в виде двух подпружиненных полумуфт 11, 12. В этом случае уровень допустимой нагрузки определяется силой сжатия пружины. В случае необходимости остановки колеса, например для технического 9obdCdfiV ц обслуживания или ремонта, оператор воздействует на свободный конец рычага 17. Усилие оператора последовательно передается от рычага 17 вертикальной тяге 16, двуплечим рычагам 15, тягам 14, двуплечим рычагам 13, которые сообщают одним из полумуфт И или 12 перемещение, в результате которого полумуфты выходят из зацепления, разрывая связи лопастей с их механизмами поворота. При этом. Каждая лопасть занимает, поворачиваясь, положение близкое к флюгерному, уменьшая угол атаки и флюгер также занимает положение с минимальным углом атаки. В результате вращения рабочего колеса на лопасти действуют центробежные силы. В момент, когда плоскость лопасти совпадает с радиусом рабочего колеса (положение А на фиг.1), лопасть обладает наибольшим аэродинамическим сопротивлением. Вследствие этого верхний конец лопасти начинает отклоняется в плоскости лопасти относительно вертикальной оси на расстояние равное С не более В/5,27 в направлении действия центробежной силы, поворачивая лопасть относительно опоры 7, как это показано на фиг.З. Следует отметить, что в этот момент лопасть относительно вертикальной оси поворота О-О, проходящей через нижнюю опору 7 расположена несимметрично. Ось поворота лопасти О-О осталась той же самой, поскольку она проходит через нижнюю опору 7, которая не изменила своего положения. Благодаря возникающей асимметрии площадей, равной удвоенной площади заштрихованного треугольника, относительно оси поворота лопасти, на лопасти возникает вращающий момент, стремящийся повернуть лопасть в положение с наименьшим аэродинамическим сопротивлением. При движении лопасти навстречу воздушному потоку, когда лопасть и флюгер расположены параллельно, лопасть сама устанавливается в положение, при котором сопротивление воздушному (im

потоку минимально. Таким образом, в результате вращения рабочего колеса лопасть поворачивается под воздействием момента, возникшего вследствие асимметрии площадей лопасти относительно оси поворота, уменьшая свое сопротивление ветру.

Возникший момент поворота лопасти передается флюгеру, который поворачивается в ту же сторону, что и лопасть, подставляя свою плоскость под поток ветра, в результате чего на валу флюгера образуется момент, противодействующий и уравновешивающий момент поворота лопасти. При этом, момент поворота флюгера ни в коем случае не должен быть меньше момента поворота лопасти. Это условие обеспечивается выбором соответствующего размера площади флюгера.

Далее лопасть последовательно проходит положение с наименьшим аэродинамическим сопротивлением (положение В на фиг.1) двигаясь навстречу воздушному потоку, лопасть и флюгер расположены параллельно, при этом сопротивление воздушному потоку минимально и вновь приближается к положению А с наибольшим аэродинамическим сопротивлением. К этому времени рабочее колесо сделало полный оборот. Однако, благодаря тому, что передаточное отношение механизма поворота лопасти 1 : 2, лопасть повернулась только на 180 градусов. В момент очередного совпадения плоскости лопасти с радиусом рабочего колеса, под действием центробежных сил верхний конец лопасти смещается в направлении действия центробежной силы, отклоняя лопасть, как это показано на фиг.З, т. е. повторяется описанный выше процесс.

Таким образом, за один оборот рабочего колеса лопасть совершает качательное отклонение один раз, т. е. частота возвратно-качательных отклонений лопасти от вертикальной оси в плоскости лопасти равна частоте вращения рабочего колеса.

11( : Поскольку все лопасти выполнены идентичными очевидно, что все лопасти отклоняются по мере вращения рабочего колес поочередно описанным выше образом. При этом за один оборот рабочего колеса каждая лопасть отклоняется по одному разу. 12MGMI Jf

Claims (6)

1. Ветроагрегат, содержащий рабочее колесо с вертикальной осью вращения, на котором установлены с возможностью поворота вокруг вертикальных осей лопасти, имеющие индивидуальный механизм поворота, выполненный в виде флюгера, кинематически соединенного с лопастью, отличающийся тем, что флюгер кинематически соединен с лопастью посредством планетарного редуктора, входной вал которого связан с флюгером, а выходной вал связан с осью поворота лопасти, причем лопасти также имеют индивидуальный механизм разгрузки, содержащий предохранительную муфту, установленную на оси вращения лопасти, и систему рычагов и тяг для одновременного отключения всех предохранительных муфт, при этом каждая предохранительная муфта выполнена в виде двух подпружиненных полумуфт, и, по крайней мере, одна полумуфта кинематически соединена с системой рычагов и тяг, обеспечивающих ее отключение.

2. Ветроагрегат по п.1, отличающийся тем, что верхний конец каждой лопасти выполнен с возможностью отклонения в плоскости лопасти симметрично относительно вертикальной оси на расстояние не более В/5,27, где В - максимальное значение ширины лопасти.

3. Ветроагрегат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что лопасти выполнены в виде парусов.

4. Ветроагрегат по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что лопасти выполнены в форме прямоугольника или овала, а отношение максимального значения ширины лопасти к высоте лопасти составляет от 0,1 до 1,3.

5. Ветроагрегат по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что отношение площади флюгера к площади лопасти составляет от 1:12 до 1:18.

6. Ветроагрегат по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что планетарный редуктор имеет передаточное отношение 1:2.