Ветродвигатель с буревой защитой

(51) 03 1/00 (2011.01) 03 7/04 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ момента и мощности при исходном оптимальном положении лопастей по углу заклинения,соответствующим указанным характеристикам, в снижении частоты вращения при скоростях ветра,превышающих рабочие (18 - 20 м/с), и в выведении лопастей во флюгерное положение при порывах ветра до 25 м/с с последующим полным остановом ветроколеса. Изложенные функции обеспечиваются применением специального экрана небольшой площади,эстетично расположенного над ветроколесом, воспринимающим лобовое давление и передающим движение через двуплечий рычаг,усиливающий момент передачи, центральную тягу и шарнирные двухзвенные рычаги на валики поворотных лопастей. При ураганном ветре лопасти автоматически стопорятся во флюгерном положении.(72) Шумейко Иван Алексеевич Коваль Юрий Александрович(73) Республиканское государственное казенное предприятие Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова Министерства образования и науки Республики Казахстан(57) Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветродвигателям с горизонтальной осью вращения ветроколеса. Технический результат,заключающийся в обеспечении постоянной частоты вращения, 26174 Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветродвигателям с горизонтальной осью вращения ветроколеса. Известны способы автоматического регулирования частоты вращения ветроколеса посредством центробежных механизмов 1,2220321 1, 03 7/042172864 2, 03 7/04 2. В центробежном регуляторе угла поворота лопастей 1,2220321 1, 03 7/04,содержащем размещенный в опорах вращения вал с механизмами 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, центробежные грузы связаны непосредственно с валом центробежного регулятора рычажными механизмами, каждый из которых является шарнирным двухкоромысловым четырехзвенником, расположенным в плоскости,параллельной плоскости вращения колеса. Передача движения на поворот лопастей обеспечивается конической зубчатой передачей. Однако, данный механизм регулирования частоты вращения ветроколеса, обеспечивающий значительное снижение частоты вращения при порывах ветра, превышающих рабочие скорости воздушного потока, имеет следующие недостатки 1) сложность механизма регулировки и, как следствие, невозможность применения описанного механизма в ветроколесе с числом лопастей более двух 2) принципиально центробежные механизмы не допускают возможности полного останова ветроколеса и фиксации лопастей во флюгерном состоянии. Конструкция ветроколеса со складывающимися лопастями 2,2172864 2, 03 7/04, в которой ротор с вращающимися вокруг оси ротора подвижными элементами взаимодействуют с воздушным потоком, усилие дополнительного торможения преобразуют в усилие отклонения каждого подвижного элемента в направлении вектора скорости потока и пропорционального ему усилия поворота каждого подвижного элемента вокруг его продольной оси также имеет недостаток требуется дополнительные сложные устройства для полного останова ветроколеса при ураганных порывах ветра. Наиболее близким решением к предлагаемому изобретению является техническое решение 3,2165544 1, 03 1/00. Постоянство частоты вращения ветроколеса в упомянутом техническом решении при любой скорости ветра обеспечивается за счет того, что в ветродвигателе, содержащем несущий вал, установленное на нем рабочее колесо со ступицей, выполненного в виде подвижного вдоль оси зацепления, при этом валики поворотных лопастей кинематически связаны между собой и с несущим валом при помощи тяговой тарелки,закрепленной на торце несущего вала, и шарнирных двухзвенных рычагов, а регулятор мощности выполнен в виде пружины, надетой на вал между 2 упором и подвижной ступицей, на которой закреплен регулируемый трубчатый упор. При отсутствии ветра пружина сдвигает ступицу по несущему валу в исходное крайнее положение. Угол заклинения лопастей установлен равным 55 - 60. При малой скорости ветра (1-3 м/с) на ветроколесе создается крутящий момент, ветродвигатель приходит в движение. На лопасти действуют силы лобового давления, направленные параллельно оси вала, которые стремятся сдвинуть ступицу и сжать пружину. При малых скоростях ветра (1-3 м/с) усилия пружины хватает, чтобы удержать ступицу в исходном положении и сохранить установленные углы заклинения (55-60). При дальнейшем увеличении скорости ветра увеличивается сила лобового сопротивления ветроколеса, которая сдвигает ступицу, сжимая пружину, при этом происходит разворот валиков осей лопастей под действием шарнирных двухзвенных рычагов и тяговой тарелки. Таким образом автоматически меняется угол заклинения в зависимости от скорости ветра. С увеличением скорости ветра угол заклинения уменьшается, с уменьшением скорости ветра угол заклинения увеличивается. При этом скорость вращения ветродвигателя остается практически постоянной. При увеличении скорости ветра выше расчетной(10 м/с) лобовое сопротивление ветродвигателя растет, рабочая пружина сжимается ступицей до тех пор, пока трубчатый упор не будет контактировать с упорной шайбой, соответственно угол заклинения уменьшится до 0-3, что соответствует остановке ветроколеса. Описанный ветродвигатель имеет следующие недостатки 1) сила, смещающая рабочее колесо вдоль оси и обеспечивающая поворот лопастей, меньше силы лобового давления, действующей на лопасти ветроколеса, на величину потерь на трение в механизмах 2) сила лобового давления не остается постоянной даже при постоянной скорости воздушного потока, а зависит от угла заклинения,который в процессе регулирования частоты вращения ветроколеса меняется от 55-60 до 0-3 3) при достижении максимальной частоты вращения на скорости ветра, превышающей расчетную (10 м/с и более), угол заклинения становится равным 0-10, что соответствует наибольшему давлению на лопасти ветроколеса и что может повлечь за собой изгиб лопастей и выход из строя ветродвигателя, особенно при порывах ветра до ураганного. Технический результат заключается в достижении постоянной частоты вращения ветроколеса при скоростях ветра от расчетной (6 м/с) и до 15 - 18 м/с (т.е. в рабочем диапазоне) при номинальной мощности и нарастающей частоте вращения и мощности от минимальных значений при скоростях ветра от минимальной до расчетной,или (второй вариант) в достижении постоянной частоты вращения и мощности, начиная со скорости ветра 2,5 - 3 м/с и далее во всем рабочем диапазоне скоростей ветра (до 15-18 м/с), но при пониженных значениях частоты вращения и мощности, и фиксации лопастей во флюгерном положении при ураганных порывах ветра с целью исключения выхода из строя ветроколеса. Технический результат достигается применением в конструкции экрана,воспринимающего лобовое давление,результирующая сила которого в 8 - 10 раз меньше силы, необходимой для поворота лопастей с учетом потерь на трение, передачей движения от экрана через двуплечий рычаг(обеспечивающий увеличение силы) на приводную ступицу и далее через тягу с тарелкой на комплекс шарнирных двухзвенных механизмов, выполняющих функцию поворота лопастей. Оптимальное число управляемых лопастей может быть от двух до восьми, дальнейшее увеличение числа управляемых лопастей вызывает увеличение диаметра ступицы ветроколеса. Фиксация лопастей во флюгерном положении при ураганных порывах ветра осуществляется с помощью специальной защелки,выводимой из положения фиксации вручную при восстановлении благоприятных условий. Ветродвигатель с буревой защитой (Фиг. 1) содержит следующие детали 1 - вал, 2 - ступица ветроколеса, 3 - подшипники, 4 - валики поворота лопастей, 5 - тяга, 6 - тарелка тяговая, 7 - рычаги шарнирные двухзвенные, 8 - втулка приводная, 9 гайка регулировочная, 10 - пружина, 11 - штифт, 12- рычаг двуплечий, 13 - опора, 14 - экран, 15 подшипник, 16 - рычаг телескопический, 17 защелка. Механизм буревой защиты работает следующим образом вал 1 со ступицей 2 ветроколеса вращается в подшипниках 3. Валики поворота лопастей 4 кинематически связаны между собой и тягой 5 при помощи тяговой тарелки 6, закрепленной на торце тяги 5, и шарнирных двухзвенных рычагов 7. Крайнее правое (исходное) положение приводной втулки 8, соответствующее оптимальному углу заклинения (т.е. углу, который обеспечивает максимальную мощность),определяется регулировочной гайкой 9 и пружиной 10,поджимающей втулку 8 к гайке 9. Последняя используется для исключения воздействия ударных нагрузок на штифт 11, передающий поступательное движение от приводной втулки 8 тяге 5 через сквозной паз, выполненный в вале 1 ветроколеса. Приводная втулка 8 перемещается вдоль оси вала с помощью двуплечего рычага 12 с отношением плеч 28. Плечо 1 определяет точку приложения силы Р 1 относительно опоры 13, равной силе упругости пружины и потерь на трение в механизмах устройства, плечо 2 определяет положение равнодействующей лобового давления в центре экрана 14 относительно той же опоры 13. Передача усилия от рычага к приводной втулке 8 осуществляется с помощью подшипника 15,уменьшающего потери на трение. В конструкции механизма буревой защиты предусмотрен телескопический рычаг 16 с защелкой 17,фиксирующей лопасти 4 ветроколеса во флюгерном положении в случае ураганных порывов ветра. Ветродвигатель работает следующим образом при отсутствии ветра и при наличии ветра со скоростью,меньшей расчетной (6 м/с), под действием пружины 10 приводная втулка 8 занимает крайнее исходное положение, соответствующее оптимальному углу заклинения лопастей и вертикальному положению рычага 12 с экраном 14. При скорости ветра,превышающей расчетную, момент силы Р 2 относительно опоры 12 становится больше момента,создаваемого моментом силы Р 1 и рычаг 12 поворачивается по часовой стрелке. Приводная втулка 8 перемещается влево, преодолевая сопротивление пружины,через штифт 11 перемещает тягу 5, которая через тарелку 6 и двухзвенные рычаги 7 поворачивает валики лопастей на увеличение угла заклинения. Частота вращения при этом падает. Чем больше скорость ветра превышает расчетную, тем больше угол заклинения и тем значительнее падают обороты ветроколеса. При ураганных порывах ветра (20 - 25 м/с) рычаг 12 отклоняется настолько, что защелка 17 телескопического рычага 16 западает в паз трубы рычага и удерживает экран 14 в наклонном состоянии, предохраняя его от поломки, а лопасти ветроколеса устанавливаются в это время во флюгерное положение. Возврат в исходное рабочее состояние осуществляется вручную путем вывода защелки с помощью специального тросика. Сведения,подтверждающие возможность осуществления изобретения. На основе разработанной схемы устройства управления частотой вращения ветроколеса и буревой защиты проектирована и изготовлена модель ветродвигателя(Фиг. 2). Диаметр ветроколеса модели принят равным 500 мм, число лопастей - шесть, форма лопасти в сечении - традиционная (форма крыла самолета), размеры лопасти - 170100 мм,первоначальный угол заклинения 7,максимальный угол заклинения, ограниченный длиной хода приводной втулки со штифтом и определяемой длиной паза вала ветроколеса - 60 размеры экрана 285175 мм (0,05 м 2) размеры плеч рычага экрана (расстояние от точек приложения сил до оси опоры) 1 80 мм,2240 мм (Фиг. 1),преднамеренно с заниженным соотношением плеч. При выбранной жесткости пружины усилие Р 2,приложенное в центре экрана и измеренное динамометром, оказалось равным 7 Н в момент трогания с места приводной втулки в момент поворота лопастей на максимальный угол заклинения (60 усилие Р 2 оказалось равным 10 Н. Испытания модели производились при помощи искусственно созданного потока воздуха для скоростей ветра 12 м/с,13 м/с,34 м/с, 4 4 м/с. Измерение скоростей осуществлялось с помощью ручного чашечного анемометра, частота вращения ветроколеса - с помощью электронного 3 тахометра, момент оценивался с помощью колодочного тормоза и динамометра на основе предварительно выполненной тарировки. Результаты испытаний и расчетные значения мощности сведены в таблицу 1. Изначальная установка лопастей на угол заклинения, равный 30 (опыт 5), при скорости ветра 5 м/с привела к практически полной остановке ветроколеса, т.е. при угле заклинения, равном 3060 - 783. Результаты испытаний модели, как видно из таблицы, показали, что частота вращения ветроколеса модели остается практически постоянной в диапазоне скоростей ветра 3-5 м/с, при скоростях ветра 3-3,5 м/с частота вращения и мощность нарастают, при скорости ветра 6 м/с и более ветроколесо модели останавливается (при условии увеличения хода приводной втулки). Таблица 1 Результаты испытаний модели ветродвигателя и расчетные значения мощности Угловые положения двуплечего рычага относительно вертикали,град. 0 0 0 Таким образом можно установить любые параметры регулирования (частота вращения,момент и мощность), оптимальные для данной ветроэнергетической установки, варьируя площадью экрана, соотношением плеч двуплечего рычага и жесткостью пружины. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Ветродвигатель с буревой защитой, содержащий несущий вал, установленное на нем ветроколесо со ступицей и шарнирно закрепленными на ней лопастями с приводом на поворот с помощью Ручная задержка в данном положении Ручная задержка в данном положении Ручная задержка в данном положении Ручная задержка в данном положении Ручная задержка в данном положении приводной втулки через тягу, с закрепленной на ней тарелкой и двухзвенных рычагов и имеющих первоначальное наиболее оптимальное угловое расположение, отличающийся тем, что применен экран,воспринимающий лобовое давление воздушного потока, результирующая сила которого в 8-10 раз меньше силы, необходимой для поворота лопастей, и двуплечий рычаг (обеспечивающий увеличение силы) с приводной втулкой,передающей движение от экрана через тягу с тарелкой на комплекс шарнирных двухзвенных механизмов, выполняющих функцию поворота лопастей.