Ветроустановка

(57) Использован энергии ветра в эле изобретения: тяги, с ными лопастями, в снабженных регулир тикальные оси шарн ны с центрами ма подпружинены, чем работы. 9 ил. ие: преобразование ктричество. Сущность оединенные с поворотыполнены в виде кулис, овочными грузами. Вериров лопастей совмещесс лопастей, а кулисы повышена надежность й я 19,ЬЭ Ьаавй(56) Авторское свидетельство СССРЬЬ 992800, кл. Е 03 0 3/00, 1983,Патент США й. 4180367, кл, 416 - 1опубл. 1979,Изобретение относится к устроиствам для преобразования энергии ветра в механическую энергию и может использоваться в конструкциях ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения с ветроколесами быстроходного типа с приведенной мощностью до 50 кВт на каждую лопасть.Цель изобретения - повышение надежности работы ветроустановки.Изобретение поясняется чертежами, На фиг,1 изображена установка; на фиг.2 - конструктивное исполнение, шарнирного соединения лопасти с траверсой по выноске 1 на фиг.1; на фиг,3 - вид в плане сечения А-А на фиг.2; на фиг.4 - расположение силовых элементов в оболочке лопасти; на фиг,5 - схема положений лопасти в различных точках окружности ротора; на фиг.б - схема положения лопастей в номинальном режиме работы; на фиг.7 - положение лопастей в безветрие; на фиг,8 - положение лопастей во время пуска (при появлении ветра); на фиг,9 - положение лопастей при штормовой скорости ветра. Ветроустановка состоит из опорной башни 1, внутри которой проходит вертикальный вал 2 отбора мощности, мультипликатора 3, установленного на вершине башни 1, и ветроколеса 4, состоящего из лопастей 5 и траверс 6, соединенных между собой с помощью вертикального шарнира 7 (см, фиг,1). Ветроколесо удерживается на башне системой растяжек. Механическая энергия преобразуется в электрическую генераторами, на валах которых закреплены маховики. Лопасть состоит из двух частей, жестко соединяемыхмежду собой с помощью муфты 8, представляющей собой аэродинамической формы двойной желоб 9, в каждом из которых закрепляется верхняя или нижняя часть лопасти, Оба желоба свариваются между собой обтекаемой формы патрубками 10, образуя в средней части муфты свободное пространство, в котором размещается узлы крепления лопасти с траверсой: ось 11, кронштейн 12 с подшипником 13.скольжения, ось кулисы 14 и сама кулиса 15 со штоком 16 (см. фиг,2 и 3).Каждая лопасть упрочнена лонжероном 17, вертикальные ребра которогодоходятдо внутреннего кольца желоба 9, а нервюры располагаются между кольцами.Оболочка 18 жестко прикреплена к нервюрам.Сам лонжерон 17 так расположен внутри оболочки 18, что центр тяжести всей лопасти С (см. фиг.4) расположен на осевой линии оси 11. Технически это достигается применением дополнительных балансировочных грузиков (условно не показанных), закрепляемых любым известным способом на донышках желобов муфты 8,Внутри траверсы б со стороны хвостовой части лопасти устанавливается шток 16, удерживаемый двумя пружинами 19 и 20. Пружина 19 меньшей жесткости, чем пружина 20. На передней части штока устанавливается одна из необходимых мерных масс 21, представляющих собой разрезанную втулку, закрепленную на штоке по торцам от осевого перемещения и по наружному диаметру съемным пружинным разрезным кольцом,При испытаниях подбирается необходимая масса груза, чтобы компенсировать неточности в изготовлении: величины массы лопасти, точности расположения центра ее тяжести и жесткости пружин 19 и 20. Угол поворота лопасти из положения 1 в положение 111 регулируется установкой пружинных упорных колец 22 в соответствующую канавку штока,Работает ветроустановка следующим образом.Во время безветрия (см. фиг,7) хорды лопастей расположены под углом узап к оси траверсы, На фиг.З это положение обозначено штрихпунктирной лииией Н, Такое положение обеспечивается усилием пружины 19. Пружина 20 находится в свободном состоянии и не касается шайбы и кольца 22.С появлением ветра со скоростью, достаточной для запуска установки (см. фиг.8), лопасти, находящиеся в различных точках ротора, испытывают неодинаковые воздействия потока воздуха,В положении 1 лопасть образует с набегающим потоком угол атаки 1 В.Разность моментову В соз(упи -В) - х В з 1 п(упяп -1 ВО.То есть на лопасти будет возникать положительный крутящий момент.В положенииветер воздействует на лопасть как на парус,Создается также положительный крутящий момент, равный Т В.В точке 11 лопасть начинает поворэчи.ваться вокруг своего вертикального шарни 5 ра б,увеличивая угол с 7 ап до упром,Величина этого угла прямо пропорциональна расстоянию д см. фиг.4) и силе ветра иобратно пропорциональна жесткости пружин и величине размера т их установки в10 траверсе (см. фиг.З),На лопасти также будет возникать разность моментову 1 В соз 0- х 1 В з 1 п О,15В зависимости от угла О эта разностьможет быть величиной как положительной, так и отрицательной.Геометрически угол О можно представить как0= 180 - ф 1-промУглы пром и 31 однозначно взаимосвя 25заны друг с другом: с ростом упром будет натакую же величину уменьшен,О.Величины у и х в значительной мерезависят от промПоэтому, чтобы во время запуска ветроустановки в работу, разность моментов вточке 111 не сказывалась отрицательно, вышеописанные параметры подбирают такими, чтобы 7 пром90Конструктивно это значит, что минимальная скорость ветра, достаточная для запуска, должна в состоянии покоя ротораповернуть лопасть вокруг своей вертикальной оси, в зоне т,111 траектории вращенияротора на угол, при котором хорда лопастибудет занимать промежуточное положениемежду 1 Н и 11 Н 1(см, фиг.З), то есть, чтобыначала сжиматься пружина 20.При этом с ростом угла О у В соз 0уменьшается, а х 1 В з 1 п О увеличивается,Максимальное отрицательное значениеразность моментов будет иметь при О, близком к с 0. На лопастях ротора, находящихсяв точках и 11.в момент времени, когда угол0 для 111 точки будет близким к 90 о, величины положительных моментов будут всегдабольшими отрицательного в точке 11. Суммарный же крутящий момент всегда будетпожительным. Колесо начнет раскручивать 55С увеличением числа оборотов возрастает и центробежная сила штока и закрепленной на нем мерной массы 21. Пружина19 под их действием начинает сжиматься.Угол упром увеличивается, 18200245 10 15 00 (см. фиг.4), Для расчета нагрузок и напряжений такой величиной можно, в прин- .20 25 30 35 будет возникать уже положительный момент, поворачивающий ротор колеса в на поворота трэверсы. После точки сила лобового сопротивления создает на лопасти 50 Положение лопастей относительно трэверс в момент раскручивания ротора, в также при скоростях ветра в пределах 4-7 м(с показано на фиг.5, Так как практически никогда не представляется возможным идеально точно и навсегда сбалансировать массу ротора относительно ее оси, то на фиг.5 показан условно момент, действующий на лопасть из-за смещения центра тяжести относительно вертикальной оси крепления ее к траверсе. Так как хвостовая часть лопасти длиннее ее носовой части, то из-за таких факторов как налипание пыли, оседание влаги, эрозия поверхностей и т.п, центр тяжести вероятнее всего будет смещен (а процессе эксплуатации) в среднюю часть хорды лопасти. Величина смещения составит приблизительно 1 расстояния ципе, и пренебречь, но при определении изменения ",.раектории ее берут в учет.В точке 1 (см. фиг,5) хорда лопасти расположена параллельно вектору скорости. Это достигается действием момента от центробежной силы штока и груза, умноженной на плечо 1(фиг,З), момента Мо и скоростного напора потока воздуха, обтекаемого лопасть сверху, Пружина 19 сжалась на половину своего рабочего хода, Шток 16 выдвинулся до контакта с пружиной 20. В точке 1 и на пути к ней хорда лопасти. продолжает сохранять параллельность вектору скорости ветра. Угол между хордой и.осью траверсы с 90 уменьшается до упи. Точкаявляется переходной. До нее ветроколесо тратило энергию на перемещение лопасти, а после ее пересечения на лопасти правлении, указанном стрелкой,После т,хорда лопасти образует с вектором скорости ветра Ч угол атаки, увеличивающийся пропорционально углу также положительный момент относительно оси вращения ветроколеса. В дальнейшем, вместе с подъемной силой, они представляют собой основную движущую силу, в том числе и в точках Ч и Ч. На схеме момент от этих сил обозначен Мд. В точке Ч 1 хорда лопасти становится параллельно вектору скорости ветра,Сила прижэтия лопасти к штоку, а значит и реакция й на зту силу равна О.Дебалансный момент Ма начинает поворачивать лопасть вокруг вертикальной оси по часовой стрелке, В последующих положениях дополнительным поворотным моментом, действующим в том же направлении, будетмомент Мл, В положении И 1 лопасть под действием моментов Мс, и Мдповорачивается хордой перпендикулярно оситраверсы. При этом сжимается пружина 19.Крутящий момент на валу ветроколеса будетбольше, чем в Ч положении, так как увеличилась парусность лопасти, В положенииЧ 11 и 1 Х величина крутящего момента будеттем больше, чем ближе будет угол у к адахВ точке Х хорда вновь становится параллельно векторускорости ветра. Начиная сэтой точки, ветроколесо вынуждено тратитьэнергию на перемещение лопасти вовстречном потоке ветра. Но так как хорда завсе время движения остается параллельнойветропотоку, то эти затраты незначительныпо сравнению с конструкциями, в которхлопасти жестко закреплены к траверсам.Последующее увеличение угловой скорости щ увеличивает центробежную силуштока с мерными массами и лопасти. Но таккак центр тяжести лопасти сбалансированна вертикальную ось шарнира, которым онкрепится к траверсе, то ее собственная цен-тробежная сила не будет изменять угол поворота 7. Основными факторами,. определяющими положение лопасти в п 1 остранстве, будут: сила ветра, скорость вращения а, массы штока с мерными грузами,жесткость пружин 19 и 20, а также радиусветроколеса. Центробежная сила штокастремится увеличить угол у на всех точкахтраектории лопасти, От точки И до точки Хв направлении вращения ветроколеса(фиг.5) направления центробежной силы, искорости ветра совпадают. Это способствует увеличению крутящего момента и снижейию энергетических затрат на перемещениелопасти во встречном потоке ветра. С точкидо точки И скоростной напор ветропотока, скользя по нижней обшивке лопасти,вместе с усилием пружин 19 преодолеваетцентробежные силы штока и прижимает лопасть к кулисе, удерживая угол ущип. Этопозволяет ветроколесу ускоренно выйти наноминальное число оборотов,, При скоростях. ветра 8 - 10 м/с и выше,когда более эффективной будет работа ветроустановки с быстроходностью выше 4, центробежные силы возрастают и лопасти вовремя работы в номинальном режиме занимают положение, изображенное на фиг,6,В дальнейшем с увеличением скорости5 ветра выше номинального значения будетувеличиваться и угловая скорость в, Центробежная сила штока и мерных грузов будетпри этом возрастать пропорциональноквадрату угловой скорости, Угол у во всехточках траектории лопасти будет увеличиваться от 90 до ушах(см. фиг.9), Теперь уже лопасть будет двигаться во встречном потоке (с положения Х до положения 11) хордой не под нулевым углом к направлению ветра. Существенно возрастает сопротивление перемещению лопасти, что повлечет снижение а,Уменьшению угловой скорости будет дополнительно способствовать также далеко не оптимальное значение угла атаки при движении лопасти на траектории от точки 111 до точки Ч 1. Все это будет стабилизировать вращение ротора и не позволит разогнать его при штормовых ветрах до опасных значений й, когда может произойти разрушение лопастей или траверс, а значит обеспечит надежную работу установки.Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет, не применяя специальных средств, осуществлять самозапуск ветроустановки в работу при возникновении достаточной минимальной скорости ветра и удерживать предельно допустимое число оборотов ротора при штормовых ветрах, не превышая механических перегрузок узлов ветроустановки, Это позволяет существенно повысить экономичность во время эксплуатации, снизить капитальные затраты при изготовлении и увеличить надежность во время работы.Формула изобретения Ветроустановка, содержащая размещенный в опорной башне вертикальный вал с радиальными полыми траверсами, связанными вертикально-осевыми шарнирами с лопастями, подпружиненные тяги, установленные в полостях траверс и шарнирно соединенные с лопастями, и генератор, связанный с валом при помощи мультипликатора, отл ича ю ща я с ятем, что, с целью повышения надежности работы, тяги выполнены в виде кулис, снабженных установленными на них регулировочными грузами, и подпружинены с помощью пар коаксиально установленных цилиндрических пружин, при этом вертикальные оси шарниров совмещены с центрами масс лопастей.182 ОО 24 Составитель Н. Харченк ехред М.Моргентал Редактор Т. федотов Т Корректор П. Гереш Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 аз 2013 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Рауаская наб., 4/5