Ветроэлектрическая установка с инерционно-напорным устройством для регулирования лопастей

(51) 03 1/00 (2011.01) 03 7/00 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ напорным и содержит ветряную лопату,установленную на одном конце двуплечего рычага,который шарнирно закреплен к поворотной головке,а другой конец двуплечего рычага посредством соединительных тяг, рычагов и уравновешивающего механизма связан со ступицами лопастей ветроколеса. Вал ветроколеса выполнен полым и установлен на поворотной головке с возможностью поворота вокруг своей оси. К полому валу с наветренной ее стороны жестко закреплена головка со ступицами. К ступицам крепятся лопасти ветроколеса. Ветряная лопата установлена на поворотной головке с подветренной стороны ветроколеса параллельно плоскости его вращения и перпендикулярно направлению воздушного потока с возможностью отклонения из вертикальной в горизонтальную плоскость и наоборот, и имеет кинематическую связь через соединительные тяги,рычаги и уравновешивающий механизм со ступицей ветроколеса.(72) Абдикаиров Абдигали Евтифеев Анатолий Геннадьевич Сарбасов Дастан Джурмаханбетович Нурпеисова Гулнара Байболовна Утешев Валерий Леонидович(73) Товарищество с ограниченной ответственностью Казахский научноисследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства(56) Предварительный патент РК 18480, кл. 03 1/00, 03 7/02, 2007.(54) ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ИНЕРЦИОННО-НАПОРНЫМ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЛОПАСТЕЙ(57) Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических и ветроводоподъемных установках с аэродинамическими лопастями. Механизм регулирования угла установки(заклинения) лопастей выполнен инерционно 25486 Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических и ветроводоподъемных установках с аэродинамическими лопастями. Известен ветродвигатель(Предпатент Республики Казахстан 2310, кл. 03 1/00,15.09.1995) с осью вращения ветроколеса,совпадающей с направлением ветра. Ветродвигатель содержит мачту, головку с приводом, ветроколесо,установленное за мачтой, и жестко соединенное с головкой боковую лопату, установленную под тупым углом равным 110 130 относительно горизонтальной оси ветроколеса. Боковая лопата выполнена с отверстиями, отношение суммарной поверхности которых к общей поверхности лопаты лежит в пределах 0,40,7. При скоростях ветра больших рабочей скорости давление на боковую лопату увеличивается, что создает дополнительный момент, который поворачивает ветроколесо с боковой лопатой относительно вертикальной оси мачты тем самым, уводя его из-под ветра. Однако, как показывает практика, из-за частого изменения направления ветра в горизонтальной плоскости эффективность работы такого устройства,особенно при сильных ветрах, значительно снижается. Кроме того, такое устройство можно использовать только в тихоходных ветродвигателях. Известна ветроэнергетическая установка с горизонтальной осью вращения ветровой турбины(Европатент 1890034 А 1, кл. 03 7/00,03 7/04, от 22.05.2006). При превышении предельнодопустимой скорости ветра в ветровой установке действует тормоз поворота и переводит все лопасти во флюгирующее положение. Затем последовательно переводят лопасти в обратное флюгирующее положение до восстановления рабочего режима. В результате выполнения перечисленных выше операций,гондола поворачивается в направлении ветра, ротор располагается с подветренной стороны мачты в направлении ветра, а передние кромки лопастей ветровой турбины обращены против ветра. В другом варианте гондолу поворачивают на угол 90 относительно направления ветра, и удерживают тормозом в этом положении. Система регулирования ступенчатая, связанная с поворотом лопастей ветроколеса, а затем и самой гондолы и ступенчатым возвратом их в исходное положение, что усложняет конструкцию и, снижает надежность работы и скорость ее реагирования на частые изменения скорости ветра. Известно ветроколесо ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа (Патент РФ 2235902 С 1, кл. 03 7/04, 10.09.2004). Изобретение направлено на обеспечение устойчивости ветроколеса ветроэнергетической установки с центробежным регулятором угла поворота лопастей при любых режимах работы. Ветроколесо ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа, содержащее лопасти,валы которых размещены через радиальные подшипники качения в опорах, выполненных в виде закрепленных на ступице ветроколеса стаканов 2 центробежный регулятор угла поворота лопастей,включающий центробежные грузы и пружинный механизм, дополнительно содержит закрепленные на валах лопастей втулки, контактирующие с дном стакана и образующие с ним пару трения, при этом втулка выполнена целиком или содержит вкладыш или покрытие из антифрикционного материала. Известен также центробежный регулятор угла поворота лопастей ветроэнергетической установки(Патент РФ 2220321 С 1, кл. 03 7/04,27.12.2003). Изобретение направлено на снижение габаритов и массы центробежного регулятора,повышении технологичности конструкции и надежности регулятора. Для этого центробежный регулятор угла поворота лопастей, содержащий размещенный в опорах вращения вал с механизмом передачи его вращения к лопастям, рычажные механизмы с центробежными грузами и ограничителями хода грузов, имеющими в своем составе по две пружины разной жесткости с обеспечением возможности их последовательного включения в работу, согласно изобретению центробежные грузы связаны непосредственно с валом центробежного регулятора рычажными механизмами, каждый из которых является шарнирным двухкоромысловым четырехзвенником, расположенным в плоскости вращения ветроколеса. Недостатками данных устройств являются сложность конструкции центробежных регуляторов,высокие требования к точности и качеству изготовления и сборки, что в конечном итоге приводит к их удорожанию. Известен механизм пассивно-активного изменения угла установки и наклона лопасти ветроколеса (Патент Японии 4104037 В 2, кл. 03 7/00, от 18.06.2008). Механизм содержит цилиндрические элементы, поддерживающие в состоянии свободного вращения валы лопастей рычаги управления шагом поворота валов,сцепленные с концами этих валов, пропущенных через элементы силовой цилиндр, сцепленный через соединительные элементы с рычагами пружинные амортизаторы, поддерживающие в нормальном положении оси. Цилиндр поворачивает ось и изменяет угол установки лопасти. Недостатком механизма является сложность конструкции, необходимость силового агрегата для работы механизма. Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является ветроагрегат с защитой от ураганных ветров(Предпатент Республики Казахстан 18480, кл. 03 1/00, 15.05.2007). Ветроколеса при ураганных ветрах, в положении установки ветроагрегата на ветер, поворачиваются из вертикального положения в горизонтальное положение. Верхние части ветроколес поворачиваются по направлению воздушного потока, а нижние части - наоборот. Ветроагрегат содержит два ветроколеса,выполненные аналогично друг другу и расположенные симметрично относительно поворотной головки. Они установлены в ступицах, 25486 жестко закрепленных на концах поперечных им консольных балках, другие концы этих балок закреплены на поворотной головке противоположно друг другу с возможностью поворота вокруг своей оси. К головке, перпендикулярно поперечным консольным балкам, закреплена ферма с хвостом. Ветряная лопата закреплена на консольных балках параллельно плоскости вращения ветроколес и перпендикулярно направлению воздушного потока с возможностью отклонения из фронтальной в горизонтальную плоскость и наоборот. Такая система регулирования частоты вращения ветроколеса (буревая защита) с использованием силы давления ветра (напора воздушного потока) высокоэффективна. Однако эту конструкцию можно применить только для тихоходных многолопастных ветровых установок, где лопасти закреплены без возможности изменения их угла установки. Для быстроходных малолопастных ветродвигателей с аэродинамическими лопастями такая конструкция для регулирования частоты вращения ветроколеса непригодна. Задача изобретения создание ветроэлектрической установки с устройством для регулирования угла установки(заклинения) лопастей ветроколеса,использующего силу давления, создаваемого воздушным потоком при ветре. Так как именно увеличение скорости ветра выше расчетных значений является главной причиной как поломок и разрушений ветроколеса,так и опрокидывания самой ветровой установки. Решение задачи позволило бы упростить конструкцию ветроэлектрической установки,уменьшить ветровую нагрузку на установку и повысить ее устойчивость против опрокидывания при сильных ветрах. Технический результат,получаемый изобретением,заключается в упрощении конструкции ветроэлектрической установки с устройством для регулирования положения лопастей ветроколеса в снижении ветровой нагрузки в целом на конструкцию установки в повышении устойчивости установки против опрокидывания при сильных ветрах,а следовательно, и в повышении надежности, срока службы и эффективности работы ветроэлектрической установки. Задача изобретения решается следующим образом ветряная лопата под действием давления ветра отклоняется из вертикальной плоскости в горизонтальную плоскость и, за счет наличия кинематической связи ветряной лопаты посредством соединительных тяг, рычагов и уравновешивающего механизма со ступицами лопастей ветроколеса производит изменение угла установки (заклинения) лопастей. При этом ветряная лопата, являясь инерционно-напорным устройством, нивелирует резкие порывы ветра, за счет поддержания необходимого соотношения между усилием сопротивления уравновешивающего механизма и средним значением силы давления воздушного потока (ветра) на ветряную лопату за определенный промежуток времени. Таким образом,3 поддерживается расчетная частота вращения ветроколеса. При ураганных ветрах угол заклинения лопастей становится отрицательным, что приводит к самоторможению ветроколеса,следовательно,снижаются центробежные силы и предотвращается возможность поломки лопастей. При уменьшении скорости ветра под воздействием силы сопротивления уравновешивающего механизма ветряная лопата начинает возвращаться в исходное положение,а лопасти устанавливаются с оптимальным для данной скорости ветра углом заклинения. Технически это осуществлено следующим образом. Механизм регулирования угла установки(заклинения) лопастей выполнен инерционнонапорным и содержит ветряную лопату,установленную на одном конце двуплечего рычага,который шарнирно закреплен к поворотной головке,а другой конец двуплечего рычага посредством соединительных тяг, рычагов и уравновешивающего механизма связан со ступицами лопастей ветроколеса. Вал ветроколеса выполнен полым и установлен на поворотной головке с возможностью поворота вокруг своей оси. К полому валу с наветренной ее стороны жестко закреплена головка со ступицами. К ступицам крепятся лопасти ветроколеса. Ветряная лопата установлена на поворотной головке с подветренной стороны ветроколеса параллельно плоскости его вращения и перпендикулярно направлению воздушного потока с возможностью отклонения из вертикальной плоскости в горизонтальную плоскость и, имеет кинематическую связь через соединительные тяги,уравновешивающий механизм, состоящий из рычага с грузом, штока, диска с пружинами и регулировочными винтами,со ступицей ветроколеса. На фиг.1 изображен общий вид ветроэлектрической установки на фиг. 2 устройство для регулирования угла установки(заклинения) лопастей ветроколеса на фиг. 3 фрагмент устройства для регулирования угла установки (заклинения) лопастей. Ветроэлектрическая установка (фиг. 1 - фиг. 3) состоит из мачты 1 поворотной головки 2 ветроколеса 3 флюгирующего устройства 4 генератора, привода от ветроколеса к генератору,щита управления, блока аккумуляторов и комплекта соединительных проводов (на чертеже не показаны) устройства для регулирования угла установки(заклинения) лопастей ветроколеса, состоящего из ветряной лопаты 5, установленной в верхней части двуплечего рычага 6, соединительных тяг 8 и 18,уравновешивающего механизма, включающего в себя рычаг 11 с грузом 12, шток 13, диск 10,пружины 14 и регулировочные винты 15. Поворотная головка 2 установлена на мачте 1 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости. К поворотной головке перпендикулярно к плоскости вращения ветроколеса 3 крепится флюгирующее устройство 4 для установки ветроколеса на ветер. Мачта 1 выполнена в виде сборно-разборной конструкции, состоящей из труб. Колесо ветровое 3 выполнено также сборным состоит из ступицы 16 и лопастей 17. Привод состоит из полого вала 7, цепной передачи и натяжного устройства (на чертеже не показаны). При наличии ветра воздушный поток одновременно воздействует на ветроколесо 3 и ветряную лопату 5. Вращаясь, ветроколесо, через цепную передачу, приводит во вращение генератор. В диапазоне рабочих скоростей ветра, давление,создаваемое на ветряную лопату, уравновешивается моментом, создаваемым силой сопротивления уравновешивающего механизма (пружин и тяжести груза). При скорости ветра, превышающей рабочую скорость, давление, создаваемое на ветряную лопату, увеличивается, и оно преодолевает момент сопротивления уравновешивающего механизма. Ветряная лопата начинает отклоняться из вертикальной плоскости в горизонтальную плоскость и, через соединительную тягу 8 и рычаг 11 перемещает шток 13, расположенный внутри полого вала 7, который через диск 10,соединительные тяги 18 и рычаги 9 поворачивает лопасти ветроколеса. При скорости ветра,превышающей рабочую скорость, ветряная лопата начинает отклоняться из вертикального положения и занимает некоторое наклонное положение (в зависимости от скорости ветра возможно и близкое горизонтальной), а при сильных ветрах угол заклинения лопастей принимает отрицательное значение, при котором ветроколесо тормозиться и вращается с малой частотой или вовсе останавливается. В результате этого резко снижается или исключается центробежная нагрузка на ветроколесо (лопасти), а устойчивость ветроэлектрической установки против опрокидывания, за счет снижения лобового сопротивления, увеличивается. При снижении скорости ветра ветряная лопата отклоняется в обратную сторону и принимает исходное положение за счет действия силы сопротивления уравновешивающего механизма. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ветроэлектрическая установка с устройством для регулирования лопастей, состоящая из мачты,ветроколеса, установленного с наветренной стороны поворотной головки, флугирующего устройства,ветряной лопаты, отличающаяся тем, что механизм регулирования угла заклинения лопастей выполнен инерционно-напорным и содержит ветряную лопату, установленную на одном конце двуплечего рычага, который шарнирно закреплен к поворотной головке, а другой конец двуплечего рычага посредством соединительных тяг, рычагов и уравновешивающего механизма связан со ступицами лопастей ветроколеса. 2. Ветроэлектрическая установка по п.1,отличающаяся тем, что вал ветроколеса выполнен полым и установлен на поворотной головке с возможностью вращения вокруг своей оси, к которому с наветренной его стороны жестко закреплена головка со ступицами для крепления лопастей ветроколеса. 3. Ветроэлектрическая установка по п.1,отличающаяся тем, что уравновешивающий механизм состоит из штока, на одном конце которого с возможностью отклонения установлен рычаг с грузом, а на другом конце к жестко закрепленному диску прикреплены пружины,проходящие через отверстия в головке со ступицами ветроколес и соединенные с регулировочными винтами.