Качающийся ветропривод

 

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветроприемный рабочий орган выполнен в виде по крайней мере одной горизонтальной аэродинамической лопасти 1 с плоскими концевыми шайбами 2, шарнирно закрепленной на коромысле 3, на котором установлены шарнирные упоры 4 и 5, тяга 6, которая с рычагом 7 лопасти 1 и с поворотным рычагом 8 составляет параллелограммный механизм, причем шарнирные соединения коромысла 3 и лопасти 1 размещены за центром давления этой поверхности. Коромысло 3 с помощью шарнира установлено на кронштейне 9, имеющем упоры 10 и 11 и двухпозиционный паз 12 для поворотного рычага 8. Кронштейн 9 установлен на поворотной головке 13 карусельного шарнира в верхней части башни 14, кроме того, в передней части коромысла имеются противовес крыла и шарнирное соединение тяги и штока поршневого гидронасоса. 3 ил.

Изобретение относится к ветроэнеpгетике и может быть использовано для разработки механических приводов возвратно-поступательных поршневых, а также центробежных гидронасосов и других потребителей механической энергии.

Известны конструкции ветроагрегатов с вертикальной осью вращения и поворотными лопастями (заявка ФРГ N 0 3534997, 02.04.87) и с мачтой и парусом, размещенными на вращающейся головке и кинематически связанными с гидронасосом (авт.св. СССР N 1560782, кл. F 03 D 5/00, 29.04.88).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство ветропривода с башней и поворотной головкой с коромыслом, кинематически соединенным с гидронасосом, и реверсивно поворачивающейся несущей плоскостью, установленной на коромысле (патент США N 4525122, кл. F 03 D 5/06, 25.06.85).

Это устройство отличается сложной, малонадежной и недолговечной системой реверсирования несущей плоскости в конце рабочего хода коромысла.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение КПД ветропривода.

Для этого ветроприемный рабочий орган выполнен в виде по крайней мере одной горизонтальной аэродинамической несущей поверхности симметричного профиля с плоскими концевыми шайбами, шарнирно закрепленной на задней части коромысла, на котором шарнирно установлены поворотные секторы и поворотный рычаг, соединенные с жесткой тягой с шарнирами в средней части и на концах и шарнирным упором для заднего поворотного сектора, установленной на рычаге несущей поверхности, поворотном рычаге и переднем поворотном секторе, и снабжен кронштейном, размещенным на поворотной головке с шарниром для коромысла, упорами для поворотных секторов, упорами и двухпозиционным пазом для поворотного рычага, один конец которого шарнирно закреплен на тяге, а другой шарнирно закреплен на коромысле, плоскими шайбами, расположенными с обоих торцов несущей поверхности симметричного профиля, и противовесом, установленным на коромысле.

На фиг. 1 показана конструкция ветропривода при повороте коромысла против часовой стрелки; на фиг. 2 то же, при повороте коромысла по часовой стрелке; на фиг. 3 ветропривод.

Ветроприемный рабочий орган выполнен в виде по крайней мере одной горизонтальной аэродинамической лопасти симметричного профиля прямоугольной, трапецевидной или стреловидной формы в плане с удлинением 5-10 и углом стреловидности до 30^о. Лопасть 1 с плоскими концевыми шайбами 2 треугольной формы шарнирно закреплена на коромысле 3, на котором установлены шарнирные упоры 4 и 5, жесткая тяга 6, которая с рычагом 7 лопасти 1 и поворотным рычагом 8 образует параллелограммный механизм, причем ось вращения лопасти 1 относительно коромысла 3 расположена за центром давления поверхности лопасти.

Коромысло 3 шарнирно установлено на кронштейне 9, имеющем упоры 10 и 11 для шарнирных упоров 4 и 5, а также двухпозиционный паз 12 с упорами для поворотного рычага 8. Кронштейн 9 установлен на поворотной головке 13 карусельного шарнира в верхней части башни 14. В передней части коромысла имеются противовес и шарнирное соединение тяги 15 с потребителем механической энергии, например штоком поршневого гидронасоса 16.

Лопасть 1 имеет вырез в средней части, обеспечивающий ее поворот относительно коромысла 3 и сохранение положительного угла атаки при подъеме задней части коромысла вверх. Возможен ветропривод с несущей поверхностью без выреза при условии обеспечения достаточной длины рычага.

Упрощение конструкции и повышение КПД предлагаемого ветропривода достигается тем, что рабочий ход потребителя механической энергии, например гидронасоса, обеспечивается тангенциальной составляющей полной аэродинамической силы несущей поверхности. Силовые элементы ветропривода воспринимают минимальные нагрузки, представляющие собой радиальную составляющую полной аэродинамической силы удобообтекаемого тела с концевыми шайбами, что позволяет с учетом необходимого запаса прочности реализовать меньшую по массе в сравнении с прототипом конструкцию ветропривода, снизить материалоемкость, стоимость, повысить безотказность, долговечность и конкурентоспособность. Повышение КПД предлагаемого ветропривода обеспечивается также тем, что реверсивный поворот несущей поверхности производится в самом конце рабочего хода и максимальная подъемная сила ветра более продолжительно воздействует на шток потребителя механической энергии, например гидронасоса, а также тем, что предлагаемый ветропривод снабжен более эффективной системой ориентации по ветру. Отсутствие высокочастотных колебаний воздушного потока делает предлагаемый привод по сравнению с ротационным экологически безопасным.

Ветропривод работает следующим образом.

Набегающий поток (ветер), воздействуя на лопасть 1, создает полную аэродинамическую силу, равнодействующая которой приложена в центре давления поверхности лопасти. Оптимальный угол атаки несущей поверхности лопасти 1 по отношению к набегающему потоку ветра обеспечивается постоянным в процессе поворота коромысла 3 (его рабочего хода) за счет прижимающего момента вследствие существенно переднего расположения центра давления несущей поверхности лопасти 1 по отношению к оси шарнирного соединения несущей поверхности и коромысла, а также регулируемых упоров крайних положений поворотного рычага 8 в двухпозиционном пазу 12 кронштейна 9.

Тангенциальная составляющая полной аэродинамической силы несущей поверхности 1 создает момент, за счет которого происходит поворот коромысла 3 относительно кронштейна 9 вокруг горизонтальной оси их шарнирного соединения. В процессе поворота коромысла 3, например, против часовой стрелки (фиг. 1) несущая поверхность 1 вращается относительно коромысла, сохраняя оптимальный и постоянный угол атаки ветра за счет того, что шарнирный момент несущей поверхности стремится повернуть ее по часовой стрелке, но жестко соединенный с ней рычаг 7 несущей поверхности лопасти работая на изгиб, растягивает жесткую тягу 6, выступ которой упирается в регулируемый задний упор двухпозиционного паза 12 кронштейна 9 и препятствует повороту несущей поверхности 1, при этом рычаг 7 несущей поверхности, жесткая тяга 6 (ее задняя часть) и поворотный рычаг 8, шарнирно закрепленные на коромысле 3, образуют параллелограммный механизм. Ось вращения поворотного рычага 8 совпадает с осью вращения коромысла 3.

Шарнирно закрепленная на коромысле 3 тяга 15 через сферический шарнир 17 передает возвратно-поступательное движение потребителю механической энергии, например поршневому гидронасосу 16 двустороннего действия.

При достижении штоком гидронасоса 16 положения, близкого к крайнему нижнему, передний шарнирный упор 4, шарнирно закрепленный на коромысле 3 и с передней частью жесткой тяги 6, соприкасается с передним упором 10 кронштейна 9. При дальнейшем перемещении штока вниз к крайнему нижнему положению под воздействием подъемной силы лопасти 1, направленной вверх, передняя часть коромысла 3 продолжает опускаться вниз, а передний шарнирный упор 4, упершись своей плоской нижней частью в роликовый упор 10, начинает поворачиваться против часовой стрелки вокруг оси его шарнирного крепления к коромыслу 3, перемещая тягу 6 вперед до контакта верхней части поворотного рычага 8 с передним регулируемым упором двухпозиционного паза 12. В процессе перемещения тяги 6 вперед несущая поверхность лопасти 1 посредством своего рычага 7 поворачивается против часовой стрелки на угол, равный двум оптимальным углам атаки для данной конфигурации и расчетной скорости ветра. Набегающий поток ветра создает шарнирный момент, который через рычаг 7, заднюю часть жесткой тяги 6 и поворотный рычаг 8 прижимает его верхнюю часть к переднему регулируемому упору двухпозиционного паза 12, фиксируя отрицательный по отношению к направлению ветра угол атаки несущей поверхности лопасти 1. Задняя часть тяги 6 при этом работает на сжатие. Под действием тангенциальной составляющей полной аэродинамической силы несущая поверхность лопасти 1 вместе с коромыслом начинает перемещаться вниз, поворачивая его по часовой стрелке (фиг. 2), что обеспечивает новый рабочий ход вверх штока гидронасоса 16. Динамика изменения угла атаки лопасти 1 на противоположный по знаку учитывается регулировками упоров двухпозиционного паза 12 и длины штока гидронасоса 16.

В процессе поворота коромысла 3 по часовой стрелке (фиг. 2) несущая поверхность лопасти 1 вращается относительно коромысла 3, сохраняя оптимальный и постоянный угол атаки, обеспечивающий максимальный КПД ветропривода. Шарнирный момент несущей поверхности лопасти 1 стремится повернуть ее против часовой стрелки, но этому препятствует контакт верхней части поворотного рычага 8, шарнирно соединенного с задней частью жесткой тяги 6, которая через рычаг 7 передает сжимающее усилие от шарнирного момента несущей поверхности лопасти 1, с передним регулируемым упором двухпозиционного паза 12 кронштейна 9.

При достижении штоком гидронасоса 16 положения, близкого к крайнему верхнему, задний шарнирный упор 5, закрепленный на коромысле 3 и постоянно упирающийся своей плоской верхней частью в роликовый выступ задней части жесткой тяги 6, соприкасается с задним упором 11 кронштейна 9 (фиг. 1). При дальнейшем перемещении штока и тяги 15 вверх к крайнему верхнему положению под воздействием тангенциальной составляющей полной аэродинамической силы несущей плоскости лопасти 1, направленной вниз, задняя часть коромысла 3 продолжает опускаться вниз, а задний шарнирный упор 5, соприкасаясь своей нижней плоской частью с роликовым упором 11, начинает поворачиваться по часовой стрелке вокруг оси своего шарнирного крепления к коромыслу 3, сдвигает тягу 6 назад до тех пор, пока поворотный рычаг 8, шарнирно соединенный с жесткой тягой 6, не упрется в задний регулируемый упор двухпозиционного паза 12. При этом жесткая тяга 6, сдвигаясь назад через рычаг 7 воздействует на несущую плоскость лопасти 1, поворачивая ее относительно коромысла 3 из положения носком вниз до положения носком вверх. Возникающая подъемная сила несущей плоскости, направленная вверх, начинает поднимать заднюю часть коромысла 3. Этот момент изображен на фиг. 1. Начинается новый рабочий ход гидронасоса 16 двухстороннего действия или любого другого потребителя механической энергии.

Ветропривод обеспечивает постоянное усилие на тяге 15 к потребителю на большей части рабочего хода при возвратно-качающемся движении несущей плоскости лопасти 1 за счет постоянного угла атаки.

Настройка угла атаки несущей плоскости лопасти 1 осуществляется с помощью регулируемых упоров крайних положений поворотного рычага 8 в двухпозиционном пазу 12, регулируемых упоров 10 и 11 крайних положений коромысла 3 по отношению к кронштейну 9 и изменяемой длиной тяги 6 с учетом относительной скорости перемещения несущей плоскости.

Установка несущей плоскости лопасти 1 на ветер и снижение ее индуктивного сопротивления обеспечиваются концевыми шайбами 2, вращением кронштейна 9, установленного на поворотной головке 13 карусельного шарнира в верхней части башни 14, вокруг вертикальной оси и плечом между этой вертикальной осью и центром давления концевых шайб 2. При изменении направления ветра боковая сила концевых шайб 2 создает разворачивающий момент, который обнуляется при ориентации ветропривода точно по ветру. Сферический шарнир 17 обеспечивает как поворот тяги 15 вместе с верхней частью ветропривода относительно вертикальной оси башни 14 при ориентации ветропривода по ветру, так и колебательное движение тяги 15 в вертикальной плоскости в процессе работы ветропривода.

В случае достаточно высокой башни 14 используется секционная жесткая тяга, прогиб которой ограничивается роликовыми опорами.

Формула изобретения

КАЧАЮЩИЙСЯ ВЕТРОПРИВОД, содержащий башню с поворотной головкой и коромыслом, кинематически соединенным с гидронасосом, и аэродинамическую несущую плоскость, установленную на коромысле, отличающийся тем, что ветропривод снабжен жесткой тягой с шарнирами в средней части и на концах и шарнирным упором в задней части, установленной на рычаге несущей поверхности, поворотном рычаге и переднем поворотном секторе и постоянно контактирующей своим шарнирным упором с задним поворотным сектором, которые шарнирно установлены на коромысле, кронштейном, размещенным на поворотной головке с шарниром для коромысла и упорами для поворотных секторов, коромысла и поворотного рычага, плоскими шайбами, расположенными с обоих торцев несущей поверхности симметричного профиля, и противовесом, установленным на коромысле.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3