RU2788777C1 - Wind turbine speed limiter - Google Patents

Wind turbine speed limiter Download PDF

Info

Publication number
RU2788777C1
RU2788777C1 RU2022113667A RU2022113667A RU2788777C1 RU 2788777 C1 RU2788777 C1 RU 2788777C1 RU 2022113667 A RU2022113667 A RU 2022113667A RU 2022113667 A RU2022113667 A RU 2022113667A RU 2788777 C1 RU2788777 C1 RU 2788777C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wind turbine
drum
swing
blade
head
Prior art date
Application number
RU2022113667A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Борисович Колесников
Александр Сергеевич Садчиков
Виктор Гаврилович Петько
Ирина Валерьевна Колесникова
Ильмира Агзамовна Рахимжанова
Максим Борисович Фомин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Тюльганский электро механический завод"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Тюльганский электро механический завод" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Тюльганский электро механический завод"
Application granted granted Critical
Publication of RU2788777C1 publication Critical patent/RU2788777C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: wind energy.
SUBSTANCE: invention relates to wind energy and can be used to stabilize the rotational speed of a wind turbine when the wind speed is higher than the calculated one. The wind turbine speed limiter contains a load placed in the peripheral part of the cavity of each wind turbine blade or the blade swing. The blade swing is mounted with the possibility of rotation in bearings installed at a certain distance from the wind turbine shaft in a head fixedly mounted on the shaft. The swing axis is displaced relative to the axial line of the wind turbine shaft, on which the drum is mounted with the possibility of rotation, mechanically connected on one side with the load, and on the other side through a hinge-lever connection - with a swing. The drum is fixed in a position corresponding to the optimal angle of the blade installation, with a stop fixed on the head, and a counteracting spring attached at one end to the head, and at the other end to the drum. The lever-hinge connection includes the first spherical hinge eccentrically attached to the end of the swing and the second spherical hinge eccentrically attached to the end of the drum connected by a rigid rod.
EFFECT: increasing the load capacity, reducing the required weight of cargo.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для стабилизации частоты вращения ветротурбины при скорости ветра выше расчётной.The invention relates to wind energy and can be used to stabilize the rotational speed of a wind turbine when the wind speed is higher than the calculated one.

Известна ветроэнергетическая установка АВЭУ6-4М [1, 2] ограничение частоты вращения, в которой осуществляется центробежным регулятором частоты вращения прямого действия. Её недостатком является то, что грузы, за счёт которых осуществляется поворот лопастей, расположены в непосредственной близости к центру вращения, их силовое воздействие на лопасти направлено под углом к плоскости поворота близким к 90° за счёт этого для обеспечения достаточного момента требуется значительная масса грузов. Это также влияет и на точность ограничения частоты вращения.Known wind turbine AVEU6-4M [1, 2] limiting the speed, which is carried out by a centrifugal speed controller direct action. Its disadvantage is that the weights, due to which the rotation of the blades is carried out, are located in close proximity to the center of rotation, their force effect on the blades is directed at an angle to the plane of rotation close to 90 ° due to this, a significant mass of cargo is required to ensure sufficient moment. This also affects the accuracy of the speed limit.

От этого недостатка в значительной степени свободен принятый за прототип ограничитель частоты вращения ветротурбины с горизонтальной осью вращения, защищённый патентом SU 3203 А1, ошибочно поименованный, как «вертикальный ветряной двигатель» [3]. В нём лопасти прикреплены к махам, свободно вращающимся во втулках (в патенте фиг. 1), выполняющих функцию подшипников, установленных на определённом расстоянии от оси ветротурбины в жёстко связанной с осью головке ветроагрегата. В периферийной части полости махов каждой лопасти ветротурбины размещен груз (в патенте фиг. 16, 17), который с помощью троса (или штанги) может поворачивать барабан, свободно насаженный на вал ветротурбины, оттягиваемый в обратную сторону пружинами, прикреплёнными с одной стороны к головке ветроагрегата и, следовательно, к оси ветротурбины, а с другой стороны к пальцам, отходящим от барабана. From this shortcoming, the speed limiter of a wind turbine with a horizontal axis of rotation, adopted as a prototype, protected by patent SU 3203 A1, erroneously named as a “ vertical wind turbine” [3], is largely free from this drawback. In it, the blades are attached to the swings, freely rotating in bushings (fig. 1 in the patent), which act as bearings installed at a certain distance from the axis of the wind turbine in the head of the wind turbine rigidly connected to the axis. In the peripheral part of the cavity of the swings of each blade of the wind turbine there is a load (in the patent Fig. 16, 17), which, with the help of a cable (or rod), can turn the drum, loosely mounted on the wind turbine shaft, pulled in the opposite direction by springs attached on one side to the head wind turbine and, therefore, to the axis of the wind turbine, and on the other hand to the fingers extending from the drum.

При усилении ветра под действием центробежной силы груз преодолевает сопротивление пружины и поворачивает барабан. Барабан при этом через шарнирно-рычажное соединение (два диаметрально расположенных на барабане цилиндрических шарнира, V-образный рычаг и второй V-образный рычаг, связанный с махом через два диаметрально расположенных цилиндрических шарнира, установленных на махе на удалении от оси ветротурбины, превышающем расстояние от оси до подшипника) увеличивает угол установки лопасти, ограничивая тем самым частоту вращения ветротурбины. При этом рычаги, так как их взаимное перемещение при повороте барабана осуществляется в двух плоскостях, связаны между собой посредством сферического шарнира.When the wind increases under the action of centrifugal force, the load overcomes the resistance of the spring and turns the drum. In this case, the drum through a hinge-lever connection (two cylindrical hinges diametrically located on the drum, a V-shaped lever and a second V-shaped lever connected to the swing through two diametrically located cylindrical hinges installed on the swing at a distance from the axis of the wind turbine, exceeding the distance from axis to the bearing) increases the angle of installation of the blade, thereby limiting the speed of the wind turbine. In this case, the levers, since their mutual movement during rotation of the drum is carried out in two planes, are interconnected by means of a spherical hinge.

Так как в данном ограничителе второй рычаг поворота лопасти закреплён на махе на большом расстоянии от барабана, передача усилия между барабаном и рычагом осуществляется промежуточным рычагом достаточно больших размеров, работающим к тому же на изгиб. Это вынуждает связывать его с барабаном также с помощью двух смещённых относительно друг друга на некоторое расстояние цилиндрических шарниров. Всё это повышает габариты центральной части ограничителя частоты вращения, увеличивает число подвижных деталей и сочленений и в итоге негативно сказывается на надёжности и стоимости изделия. Кроме того поскольку плечо приложения силы, оказываемой на барабан со стороны груза, значительно меньше плеча приложения силы на рычаг поворота лопасти со стороны барабана для уверенного воздействия на лопасть требуется увеличенная масса груза. Всё это в совокупности снижает эксплуатационные свойства данного ограничителя частоты вращения.Since in this limiter the second lever for turning the blade is fixed on the swing at a large distance from the drum, the transfer of force between the drum and the lever is carried out by an intermediate lever of a sufficiently large size, which also works in bending. This forces it to be connected to the drum also with the help of two cylindrical hinges displaced relative to each other by a certain distance. All this increases the dimensions of the central part of the speed limiter, increases the number of moving parts and joints and, as a result, negatively affects the reliability and cost of the product. In addition, since the shoulder for applying the force exerted on the drum from the side of the load is much less than the shoulder for applying the force to the lever for turning the blade from the side of the drum, an increased mass of the load is required for a confident impact on the blade. All this together reduces the operational properties of this speed limiter.

Цель настоящего изобретения - повышение эксплуатационных свойств ограничителя частоты вращения ветротурбины.The purpose of the present invention is to improve the operational properties of the wind turbine speed limiter.

Эта цель достигается за счёт того, что в ограничителе частоты вращения ветротурбины, содержащем размещённый в периферийной части полости каждой лопасти ветротурбины или маха лопасти груз, мах лопасти установлен с возможностью поворота в подшипниках, установленных на определённом расстоянии от вала ветротурбины в неподвижно насаженной на вал головке, при этом ось маха смещена относительно осевой линии вала ветротурбины, на котором установлен с возможностью поворота барабан, механически связанный с одной стороны с грузом, а с другой стороны через шарнирно-рычажное соединение - с махом, при этом барабан зафиксирован в положении, соответствующем оптимальному углу установки лопасти, упором, закреплённым на головке, и противодействующей пружиной, прикреплённой одним концом к головке, а другим концом к барабану, рычажно-шарнирное соединение включает связанные жёсткой тягой эксцентрично прикреплённый к торцу маха первый сферический шарнир и эксцентрично прикреплённый к торцу барабана второй сферический шарнир.This goal is achieved due to the fact that in the wind turbine speed limiter, which contains a load placed in the peripheral part of the cavity of each wind turbine blade or blade stroke, the blade stroke is installed with the possibility of rotation in bearings installed at a certain distance from the wind turbine shaft in a head fixedly mounted on the shaft , while the swing axis is displaced relative to the axial line of the wind turbine shaft, on which the drum is installed with the possibility of rotation, mechanically connected on one side with the load, and on the other hand through a hinged-lever connection - with a swing, while the drum is fixed in a position corresponding to the optimal angle of installation of the blade, with a stop fixed on the head, and a counteracting spring attached at one end to the head, and at the other end to the drum, the lever-hinge connection includes the first spherical hinge eccentrically attached to the end of the swing connected by a rigid rod and the second spherical hinge eccentrically attached to the end of the drum eric hinge.

Схематично заявляемый ограничитель частоты вращения ветротурбины изображен на фигуре 1.Schematically claimed wind turbine speed limiter is shown in figure 1.

Он содержит размещённые в периферийной части полости 1 каждой лопасти 2 ветротурбины груз 3. При конкретном выполнении устройства из конструктивных соображений возможно размещение груза в полости маха 4, установленного с возможностью поворота в подшипнике 5. На чертеже изображён для каждой отдельной лопасти один конический подшипник скольжения, установленный на определённом расстоянии от вала 6 ветротурбины в неподвижно насаженной на вал головке 7. При конкретном выполнении устройства возможно применение двух разнесённых по радиусу подшипников самого различного типа (шариковых, роликовых, цилиндрических, конических, однорядных, двухрядных). Ось маха 4 смещена относительно осевой линии вала 6, на котором установлен с возможностью поворота барабан 8, механически связанный штангой 9 с грузом 3, а с другой стороны через шарнирно-рычажное соединение - с махом 4. Рычажно-шарнирное соединение включает связанные жёсткой тягой 10 эксцентрично закреплённые на торцах маха первый сферический шарнир 11 и барабана второй сферический шарнир 12.It contains placed in the peripheral part of the cavity 1 of each blade 2 of the wind turbine load 3. With a specific implementation of the device, for structural reasons, it is possible to place a load in the cavity of the swing 4, mounted with the possibility of rotation in the bearing 5. The drawing shows one tapered plain bearing for each individual blade, installed at a certain distance from the shaft 6 of the wind turbine in a head 7 fixed on the shaft. With a specific design of the device, it is possible to use two radially spaced bearings of various types (ball, roller, cylindrical, conical, single-row, double-row). The axis of the swing 4 is shifted relative to the center line of the shaft 6, on which the drum 8 is mounted with the possibility of rotation, mechanically connected by a rod 9 with a load 3, and on the other hand through a hinged-lever connection - with a swing 4. The lever-hinged connection includes connected by a rigid rod 10 the first spherical hinge 11 and the second spherical hinge 12 eccentrically fixed at the ends of the swing.

Барабан зафиксирован в положении, при котором угол установки лопасти соответствует расчётному (оптимальному) углу установки, упором 13, закреплённым на головке, и противодействующей в данном конкретном исполнении спиральной пружиной 14, прикреплённой одним концом к головке ветроагрегата, а другим концом к барабану.The drum is fixed in a position in which the blade installation angle corresponds to the calculated (optimal) installation angle, with a stop 13 fixed on the head, and a spiral spring 14 counteracting in this particular design, attached at one end to the head of the wind turbine, and at the other end to the drum.

Работает ограничитель частоты вращения ветротурбины следующим образом. В исходном состоянии барабан 8 силой пружины 14 повёрнут в положение, изображённое на рисунке (против часовой стрелки до упора). Поскольку лопасти при этом повёрнуты на расчётный угол установки, при наличии ветра ветротурбина начинает вращаться. На грузы 3, действует при этом центробежная силаThe wind turbine speed limiter works as follows. In the initial state, the drum 8 is turned by the force of the spring 14 into the position shown in the figure (counterclockwise until it stops). Since the blades are turned at the calculated installation angle, in the presence of wind, the wind turbine begins to rotate. On loads 3, the centrifugal force acts in this case

F=mω 2 R, F=mω 2 R ,

где m - масса грузов, кг;where m is the mass of goods, kg;

ω = πn/30 - угловая скорость вращения ветротурбины, рад/с;ω = π n /30 - angular speed of rotation of the wind turbine, rad/s;

n - частота вращения, об/мин; n - speed, rpm;

R - расстояние от оси вращения ветротурбины до центра массы грузов, м. R is the distance from the axis of rotation of the wind turbine to the center of mass of the cargo, m.

При частоте вращения ниже расчётной эта сила недостаточна для преодоления силы сопротивления пружины, поэтому лопасти продолжают находиться в начальном (расчётном) положении. И как только частота вращения вследствие усиления ветра или сброса нагрузки на валу ветротурбины станет несколько превышать заданную величину грузы, преодолевая сопротивление пружины, начнут поворачивать барабан (на чертеже по часовой стрелке) и через него посредством тяг 10 поворачивать лопасти в сторону флюгерного положения. Поскольку оси поворота лопастей и барабана не параллельны, закреплённые на них шарниры применены именно сферического типа. Коэффициент использования мощности ветрового потока при повороте лопастей уменьшается, а нарастание частоты вращения ветротурбины с возрастанием скорости ветра существенно замедляется. Она будет поддерживаться практически неизменной тем точнее, чем жёстче статическая характеристика ограничителя. Уровень ограничения задаётся при изготовлении ветроагрегата или при переналадке в предпусковой период путём изменением силы нажатия пружины.At a rotational speed below the calculated one, this force is insufficient to overcome the resistance force of the spring, so the blades continue to be in the initial (calculated) position. And as soon as the rotation frequency due to increased wind or load shedding on the wind turbine shaft becomes somewhat higher than the specified value, the loads, overcoming the resistance of the spring, will begin to turn the drum (clockwise in the drawing) and through it, by means of rods 10, turn the blades towards the vane position. Since the axes of rotation of the blades and the drum are not parallel, the hinges attached to them are of the spherical type. The coefficient of use of the power of the wind flow when turning the blades decreases, and the increase in the frequency of rotation of the wind turbine with increasing wind speed slows down significantly. It will be maintained practically unchanged the more precisely, the more rigid the static characteristic of the limiter. The limit level is set during the manufacture of the wind turbine or during readjustment during the pre-launch period by changing the force of the spring.

Таким образом, за счёт крепления шарниров 11 на торцах махов в области между подшипниками 5 и валом ветротурбины в непосредственной близости от расположенного на валу ветротурбины барабана 8 упрощается передача усилий от барабана к махам, уменьшаются габариты всей системы передачи усилий (барабан - шарниры - тяги), уменьшается количество шарниров (2 против 5 в прототипе). Тяги передачи усилий в заявляемом ограничителе частоты вращения работают не на изгиб, как рычаги в прототипе, а на растяжение и сжатие, что повышает их нагрузочную способность. Кроме того для обеспечения достаточного усилия на поворот лопастей требуется меньшая масса грузов. В этом и заключается полезный эффект предлагаемого изобретения.Thus, due to the fastening of the hinges 11 at the ends of the swings in the area between the bearings 5 and the wind turbine shaft in the immediate vicinity of the drum 8 located on the wind turbine shaft, the transfer of forces from the drum to the swings is simplified, the dimensions of the entire force transmission system (drum - hinges - thrust) are reduced , reduces the number of hinges (2 versus 5 in the prototype). The power transmission rods in the inventive speed limiter do not work in bending, like levers in the prototype, but in tension and compression, which increases their load capacity. In addition, to provide sufficient force to turn the blades, a smaller mass of weights is required. This is the beneficial effect of the present invention.

Источники информации.Sources of information.

1. Агрегат ветроэлектрический унифицированный типа АВЭУ6-4М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: ВЕТРОЭН, 1986. - 34 с.1. Unified wind power unit type AVEU6-4M. Technical description and operating instructions. - M.: VETROEN, 1986. - 34 p.

2. А.В. Бастрон, Н.В. Коровайкин, Л.П. Костюченко, Н.Б. Михеева, А.В. Чебодаев. Практикум по применению гидроветроэнергетических установок в сельском хозяйстве. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», Красноярск 2014, С. 18…21. [Элекотронный ресурс]. URL: http://www.kgau.ru/sveden/2017/energo/metod_350306_2.pdf2. A.V. Bastron, N.V. Korovaikin, L.P. Kostyuchenko, N.B. Mikheeva, A.V. Chebodaev. Workshop on the use of hydro-wind power plants in agriculture. Ministry of Agriculture of the Russian Federation, Krasnoyarsk State Agrarian University, Krasnoyarsk 2014, pp. 18…21. [Electronic resource]. URL: http://www.kgau.ru/sveden/2017/energo/method_350306_2.pdf

3. Патент SU 3203 А1. МПК F03D 7/02. Вертикальный ветряной двигатель / Уфимцев А..Г., заявитель и патентообладатель Уфимцев А.Г. Заявка №5229, опубл. 30.06.1927.3. Patent SU 3203 A1. IPC F03D 7/02. Vertical wind turbine / Ufimtsev A.G., applicant and patentee Ufimtsev A.G. Application No. 5229, publ. 06/30/1927.

Claims (1)

Ограничитель частоты вращения ветротурбины, содержащий размещённый в периферийной части полости каждой лопасти ветротурбины или маха лопасти груз, мах лопасти установлен с возможностью поворота в подшипниках, установленных на определённом расстоянии от вала ветротурбины в неподвижно насаженной на вал головке, при этом ось маха смещена относительно осевой линии вала ветротурбины, на котором установлен с возможностью поворота барабан, механически связанный с одной стороны с грузом, а с другой стороны через шарнирно-рычажное соединение - с махом, при этом барабан зафиксирован в положении, соответствующем оптимальному углу установки лопасти, упором, закреплённым на головке, и противодействующей пружиной, прикреплённой одним концом к головке, а другим концом - к барабану, отличающийся тем, что рычажно-шарнирное соединение включает связанные жёсткой тягой эксцентрично прикреплённый к торцу маха первый сферический шарнир и эксцентрично прикреплённый к торцу барабана второй сферический шарнир.Wind turbine speed limiter, containing a load placed in the peripheral part of the cavity of each wind turbine blade or blade swing, the blade swing is mounted with the possibility of rotation in bearings installed at a certain distance from the wind turbine shaft in a head fixedly mounted on the shaft, while the swing axis is displaced relative to the center line wind turbine shaft, on which a drum is installed with the possibility of rotation, mechanically connected on one side with the load, and on the other side through a hinged-lever connection - with a swing, while the drum is fixed in a position corresponding to the optimal blade installation angle, with a stop fixed on the head , and an opposing spring attached at one end to the head, and at the other end to the drum, characterized in that the lever-hinge connection includes the first spherical hinge eccentrically attached to the end of the swing and the second spherical hinge eccentrically attached to the end of the drum.
RU2022113667A 2022-05-23 Wind turbine speed limiter RU2788777C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2788777C1 true RU2788777C1 (en) 2023-01-24

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2809264C1 (en) * 2023-01-27 2023-12-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет" Wind wheel of wind power generator

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU3203A1 (en) * 1925-12-05 1927-06-30 А.Г. Уфимцев Vertical wind motor
FR2300233A1 (en) * 1975-02-06 1976-09-03 Girodin Marius Windmill with variable pitch blades - pitch of blade is automatically reduced as wind force increases
CN101936260A (en) * 2010-08-26 2011-01-05 黄石华科新能源科技有限公司 Pitch and revolving angle-changing wind power generator
WO2012111913A2 (en) * 2011-02-16 2012-08-23 Lee Seung Geun Rotary body for a wind power generating apparatus
RU2696161C2 (en) * 2015-10-20 2019-07-31 Роман Николаевич Поляков Wind wheel with alternating moment of inertia blades

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU3203A1 (en) * 1925-12-05 1927-06-30 А.Г. Уфимцев Vertical wind motor
FR2300233A1 (en) * 1975-02-06 1976-09-03 Girodin Marius Windmill with variable pitch blades - pitch of blade is automatically reduced as wind force increases
CN101936260A (en) * 2010-08-26 2011-01-05 黄石华科新能源科技有限公司 Pitch and revolving angle-changing wind power generator
WO2012111913A2 (en) * 2011-02-16 2012-08-23 Lee Seung Geun Rotary body for a wind power generating apparatus
RU2696161C2 (en) * 2015-10-20 2019-07-31 Роман Николаевич Поляков Wind wheel with alternating moment of inertia blades

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2809264C1 (en) * 2023-01-27 2023-12-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный технический университет" Wind wheel of wind power generator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6979175B2 (en) Downstream wind turbine
US4533297A (en) Rotor system for horizontal axis wind turbines
US4183715A (en) Adjustable vane windmills
JP4690776B2 (en) Horizontal axis windmill
US9803616B2 (en) Wind turbine having a plurality of airfoil rings and counter rotating generators
US20160208772A1 (en) Wind Turbine Of Low Wind Speeds
NL2005954C2 (en) Wind turbine.
US4909703A (en) Motion damping apparatus for wind driven propellers
US20130216378A1 (en) Passive Governor for Windpower Applications
CA1135628A (en) Windmill
GB1599653A (en) Form of windmill
US4653982A (en) Windmill with controller for controlling rotor RPM
RU2788777C1 (en) Wind turbine speed limiter
US4443154A (en) Windmill tower shadow eliminator
US8702390B2 (en) Automatic blade pitch angle control mechanism for small horizontal axis wind turbines
WO2008053134A1 (en) Wind generator
US20170334549A1 (en) Smooth Pitch Control for Propellers and Rotors
US20140227094A1 (en) Sailing windmill, fully responsive vawt
WO2017009943A1 (en) Downwind-type wind power generation system and method for controlling downwind-type wind power generation system
KR20120083586A (en) Blade for vertical axis turbine system able to ragulate auto-pitch
JP6216918B2 (en) Vertical axis windmill braking device
KR101061315B1 (en) Wind generator that varies air resistance according to wind speed
JP2014145293A (en) Wind turbine
RU2021113630A (en) Wind turbine speed limiter
RU2159355C2 (en) Rotor of windmill-electric generating plant with independently secured blades