Саморегулирующаяся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки

(51) 03 7/04 (2006.01) 03 9/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(72) Иванов Константин СамсоновичЯрославцева Елена Константиновна Динасылов Алмас ДаменовичШингисов Бейбит Туменбаевич(73) Некоммерческое акционерное общество Алматинский университет энергетики и связи(54) САМОРЕГУЛИРУЮЩАЯСЯ АДАПТИВНАЯ ЗУБЧАТАЯ ПЕРЕДАЧА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ(57) Изобретение относится к машиностроению, а именно к адаптивным зубчатым механизмам, и может использоваться в качестве привода генератора ветроэнергетической установки. Задача изобретения создание саморегулирующейся адаптивной зубчатой передачи ветроэнергетической установки,обеспечивающей постоянную скорость вращения вала автономного генератора при переменной скорости вращения ветроколеса,упрощение конструкции, увеличение диапазона регулирования,повышение КПД и улучшение эксплуатационных качеств. Саморегулирующаяся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки,содержащая входное водило, выходное водило и размещенный между ними замкнутый контур из центральных зубчатых колес и сателлитов,замкнутый контур выполнен в виде зубчатой бесступенчатой саморегулирующейся передачи в сочетании со вспомогательным электродвигателем,обеспечивающим движние вала генератора с заданной частотой вращения. Саморегулирующаяся зубчатая передача в виде зубчатого дифференциального механизма с замкнутым контуром из зубчатых колес размещена между ветроколесом и валом генератора,противоположный конец которого присоединен со вспомогательным электродвигателем с заданной частотой вращения, равной частоте генератора. Предлагаемая саморегулирующаяся адаптивна зубчатая передача ветроэнергетической установки обеспечивает надежность работы при пуске и в режиме установившегося движения, обеспечивает упрощение конструкции, обеспечивает увеличение диапазона регулирования соответствующего переменному по мощности ветровому потоку,коэффициент полезного действия является коэффициентом полезного действия только зубчатого дифференциального механизма. Изобретение относится к машиностроению, а именно к адаптивным зубчатым механизмам, и может использоваться в качестве привода генератора ветроэнергетической установки. Известны адаптивные передачи от ветрового колеса к генератору, позволяющие преобразовать переменную скорость вращения ветроколеса в постоянную скорость вращения вала электрического генератора. Адаптивная передача содержит зубчатый мультипликатор,зубчатый дифференциальный механизм с двумя степенями свободы и замыкающий механизм. Зубчатый мультипликатор увеличивает скорость вращения и уменьшает крутящий момент. Зубчатый дифференциальный механизм с двумя степенями свободы создает внутреннюю циркуляцию потока мощности. Замыкающий механизм соединяет звенья дифференциального механизма с возможностью их относительного движения. Замыкающий механизм имеет переменное передаточное отношение и обеспечивает саморегулирование передачи. Существующие передачи используют различные виды замыкающих механизмов. В передачеиспользуется гидродинамическая передача. В передаче // используется гидростатическая передача Хендерсона., М. , М. .... - 2108.2. . . 2-4.10.2010. . 1095- 1106). Недостатки известных концепции передачи энергии ветра, основанные на гидростатической или гидродинамической бесступенчато-регулируемой передаче ( , Виндтек/виков Орбитал),имеют низкую эффективность и надежность из-за использования гидравлических преобразователей. Кроме того, они имеют чрезвычайно сложную конструкцию. Известна адаптивная бесступенчато регулируемая передача Милтеновича, в которой замыкающий механизм выполнен в виде фрикционного клиноременного механизма со стальным ремнем. Однако фрикционные бесступенчато-регулируемые передачи в виде вариаторов,в том числе металлическая бесступенчато-регулируемая ременная передача Милтеновича, также обладают низкой надежностью при высокой конструктивной сложности. Известна адаптивная передача, содержащая зубчатый дифференциал и замыкающий механизм в виде бесступенчатой регулируемой передачи. Бесступенчатая регулируемая передача выполнена в виде фрикционной муфты с двумя дисками, один из которых жестко размещен на выходном валу,связанном с центральным колесом, а другой - на скользящей посадке и связан с другим центральным колесом через центробежный регулятор. Фрикционная муфта вместе с центробежным регулятором играет роль подвижного замыкающего механизма, устанавливающего дополнительную регулируемую связь между центральными колесами. В этой передаче имеют место большие потери на трение в фрикционной муфте, а также повышенный нагрев из-за постоянного трения между дисками муфты. Кроме того, передача имеет сложную конструкцию,включающую центробежный регулятор. Известна не переключаемая, непрерывно выравнивающая механическая передача,обеспечивающая адаптацию выходного момента к внешней нагрузке. Эта передача содержит входное устройство подачи мощности в виде гидромуфты,содержащей два входных звена,и два дифференциальных зубчатых механизма с двумя междифференциальными связями в виде двух пар жестко связанных центральных зубчатых колес(соответственно - солнечных и эпициклических),причем одно из входных звеньев гидромуфты соединено с водилом, а второе - с общим эпициклическим колесом первого дифференциала, а выходное звено снятия мощности выполнено в виде водила второго дифференциала. (Патент 4932928, класс 16 47/08, 1990). Эта передача представляет собой механизм, в котором устройство подачи мощности в виде гидромуфты и связанных с ней двух подвижных звеньев первого дифференциала, содержит два входных звена. Необходимость использования двух дифференциальных механизмов совместно с гидромуфтой значительно снижает диапазон регулирования и КПД передачи, существенно усложняет конструкцию, уменьшает надежность устройства как механической системы. Такая механическая система в общем случае не может обеспечить надежное троганье с места в режиме с одной степенью свободы (когда выходное звено неподвижно). Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является адаптивная зубчатая передача обеспечивающая адаптацию выходного момента к внешней нагрузке. Эта адаптивная зубчатая передача содержит два дифференциальных зубчатых механизма с двумя междифференциальными звеньями между ними.(Предварительный патент РК 14477, публикация 15.06.2004 г., бюл.6). Недостатки этой передачи 1) Низкая надежность при троганьи с места из-за отсутствия учета взаимосвязи параметров передачи в режиме пуска (при неподвижном выходном звене),когда механизм работает в состоянии с одной степенью свободы и низкая надежность работы в режиме с двумя степенями свободы. При произвольно задаваемых параметрах передачи условия равновесия механизма при пуске не соблюдаются, и он не в состоянии обеспечить начало движения выходного звена. 2) В режиме с двумя степенями свободы отсутствие учета взаимосвязи параметров передачи приводит к неработоспособности передачи из-за невозможности перехода в режим установившегося движения. 3) Возможность адаптации вала электрического генератора к переменной скорости ветра только в условиях работы генератора в сети, вынуждающей постоянную частоту вращения вала генератора. Если же генератор работает автономно, скорость вращения вала генератора будет переменной. Задача изобретения является создание саморегулирующейся адаптивной зубчатой передачи, обеспечивающей постоянную скорость вращения вала автономного генератора при переменной скорости вращения ветроколеса,упрощение конструкции, увеличение диапазона регулирования, повышение КПД и улучшение эксплуатационных качеств. Это достигается тем, что саморегулирующаяся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки, содержащая входное водило, выходное водило и размещенный между ними замкнутый контур из центральных зубчатых колес и сателлитов, в соответствии с изобретением,замкнутый контур выполнен в виде зубчатой бесступенчатой саморегулирующейся передачи в сочетании со вспомогательным электродвигателем,обеспечивающим движение вала генератора с заданной частотой вращения. Саморегулирующая зубчатая передача в виде зубчатого дифференциального механизма с замкнутым контуром из зубчатых колес размещена между ветроколесом и валом генератора,противоположный конец которого присоединен со вспомогательным электродвигателем с заданной частотой вращения, равной частоте генератора. Изобретение поясняется чертежом. На фиг.1 показана схема Саморегулирующейся адаптивной зубчатой передачи ветроэнергетической установки. Саморегулирующаяся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки работает следующим образом. Саморегулирующейся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки является механизмом с двумя степенями свободы. Она содержит входной зубчатый дифференциал,имеющий входное водило Н 1, солнечное колесо 1,сателлит 2, эпициклическое колесо 3 и выходной зубчатый дифференциал, имеющий солнечное колесо 4, сателлит эпициклическое колесо и выходное водило Н 2. Зубчатые дифференциалы имеют две междифференциальные связи солнечные колеса 1 и 4 жестко связаны между собой и эпициклические колеса 3 и 6 жестко связаны между собой. Размеры звеньев дифференциалов обеспечивают при наличии обычного внутреннего трения троганье с места механизма с преодолением выходного момента на неподвижном выходном звене и надежную работу в режиме установившегося движения. При пуске выходное водило Н 2 с приложенным к нему выходным моментом МН 2 неподвижно. Передача с входным звеном Н 1, и с подвижными звеньями 1, 2, 3, 6, 5, 4 движется как система с одной степенью свободы. Предлагаемая саморегулирующаяся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки работает следующим образом. Саморегулирующаяся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки работает представляет собой механизм с двумя степенями свободы. Троганье с места такого механизма происходит, когда выходное звено неподвижно и на нем имеет место пусковой момент сопротивления М. Троганье с места может произойти только в том случае, если в механизме при остановленном выходном звене имеет место момент сопротивления. Таким моментом сопротивления является внутренний момент трения и момент от сил инерции(при достаточно больших массах звеньев). В момент пуска при неподвижном выходном звене должно выполняться условие равновесия( - )(1) Здесь 1,2 - радиусы выходного и входного звеньев 1, Н 2- входная сила на звене 1,- внутренний момент сопротивления в механизме, приведенный к звену 5. Если силами инерции пренебречь, то внутренний момент сопротивления будет соответствовать моменту трения в соединении сателлита 5 с водилом Н 2. Выразим входную силу через входной момент М. В момент пуска входной момент равен выходному моменту сопротивленияММ. После подстановки этих значений в формулу Обозначимотношение внутреннего ивнешнего моментов формулы (2) получим Формула (3) устанавливает связь между размерами радиусов входного и выходного звеньев механизма через отношениевнутреннего и внешнего моментов сопротивления в момент пуска. После троганья с места передача работает как механизм с двумя степенями свободы. Для такого механизма взаимосвязь параметров обеспечивается на основе принципа возможных перемещений. Сумма работ (мощностей) всех внешних сил(включая силы инерции) на возможных перемещениях равна нулю.0.(4) При равенстве работы внешних движущих сил работе сил сопротивления механизм переходит в режим установившегося движения при равномерном движении всех звеньев. В этом случае взаимосвязь параметров имеет вид 11(52 )220. (5) Формула(5) определяет условие работоспособности механизма в режиме установившегося движения,поскольку она представляет собой необходимое и достаточное 3 Формула (6) определяет адаптацию передачи к переменному выходному моменту сопротивления ММ 2 при постоянной входной мощности РМ 1 1 на входном звене Н 1. Угловая скорость 2 выходного звена самостоятельно приводится механизмом передачи в соответствие с переменной внешней нагрузкой М 2. Анализ формулы (6) показывает аналитическую взаимосвязь параметров механизма в режиме с одной и с двумя степенями свободы. В режиме с одной степенью свободы при неподвижном звене Н 2 взаимосвязь параметров определяется условием равновесия по принципу возможных работ 1150.(7) После подстановки этого значения в формулу (6) получим 20, что подтверждает существование механизма в режиме с одной степенью свободы. При этом в режиме с одной степенью свободы согласно формуле (7) требуемый входной момент М 1 зависит от заданного момента трения М 151 механизма в режиме с одной степенью свободы,определяемое через размеры звеньев. Для перехода механизма в режим движения с двумя степенями свободы необходимо выполнить условие 1150.(9) Из формулы (9) следует, что для перехода механизма в режим движения с двумя степенями свободы необходимо выполнить условие 151 .(10) Отсюда следует, что предлагаемую адаптивную коробку передач можно использовать также и как муфту сцепления - увеличивая входной момент 1, можно добиться троганья с места, так как после выполнения условия (10) механизм переходит в режим движения с двумя степенями свободы. Диапазон регулирования передаточного отношения в эксплуатационном режиме движения с двумя степенями свободы определяется изменением выходной угловой скорости в пределах от 10 до 21. При этом согласно формуле (6) достигается абсолютная плавность регулирования передаточного отношения без использования какихлибо управляющих устройств. Абсолютная плавность автоматического регулирования передаточного отношения передачи без управляющих устройств при наличии постоянное зацепления зубчатых колес и возможность использования передачи как муфты сцепления определяет улучшение эксплуатационных качеств передачи. Реально существующий в механизме обычный внутренний момент тренияиграет роль регулирующего силового фактора,обеспечивающего работоспособность механизма при троганьи с места и адаптацию механизма к переменной внешней нагрузке при постоянной входной мощности в режиме с двумя степенями свободы. Таким образом,предлагаемая саморегулирующаяся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки обеспечивает надежность работы при пуске и в режиме установившегося движения,обеспечивает упрощение конструкции, поскольку она не содержит каких-либо дополнительных регулирующих устройств, обеспечивающих адаптацию. Роль регулирующего силового фактора в этой передаче играет реально существующий (как в любой передаче) малый по величине обычный внутренний момент трения. Кроме того, предлагаемая саморегулирующаяся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки обеспечивает увеличение диапазона регулирования соответствующего переменному по мощности ветровому потоку, по сравнению с другими аналогами, поскольку эта передача является передачей с теоретически неограниченным диапазоном изменения входной угловой скорости. Коэффициент полезного действия предлагаемой саморегулирующейся адаптивной зубчатой передачи ветроэнергетической установки является коэффициентом полезного действия только зубчатого дифференциальною механизма. По сравнению с аналогичными передачами коэффициент полезного действия значительно выше, поскольку в ней отсутствуют механические потери в дополнительных регулирующих устройствах(типа гидравлической или фрикционной муфты). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Саморегулирующаяся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки,содержащая входное водило, выходное водило и размещенный между ними замкнутый контур из центральных зубчатых колес и сателлитов,отличающаяся тем, что замкнутый контур выполнен в виде зубчатой бесступенчатой саморегулирующейся передачи в сочетании со вспомогательным электродвигателем. 2. Саморегулирующаяся адаптивная зубчатая передача ветроэнергетической установки по п.1,отличающаяся тем, что замкнутый контур размещен между ветроколесом и валом генератора,противоположный конец которого присоединен со вспомогательным электродвигателем с частотой вращения, равной частоте генератора.