Ветродвигатель

 

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: повышение мощности, увеличение коэффициента использования энергии ветра и расширение диапазона рабочих скоростей ветра обеспечивается тем, что ветродвигатель содержит ветроколесо с телескопическими лопастями 2, включающими основную и выдвижную 7 лопасти и привод выдвижной лопасти. Основная и выдвижная 7 лопасти выполнены с различными углами закрутки. У основной лопасти выполнены продольные силовые стенки с направляющими двойной кривизны, размещенными в соответствии с углами закрутки выдвижной лопасти 7. На выдвижной лопасти 7 установлены опорные элементы, взаимодействующие с направляющими. Пара опорных элементов размещена на балансире, установленном с возможностью поворота относительно продольной оси. Привод выдвижной лопасти 7 выполнен самотормозящимся, в виде винта, жестко прикрепленного к выдвижной лопасти 7, гайки, установленной на полом валу, связанном с валом электродвигателя. 2 з. п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветроэнергетических установок с ветроколесами изменяемого диаметра.

Известен ветродвигатель, содержащий ветроколесо с телескопическими лопастями, включающими основную и выдвижную лопасти и привод выдвижной лопасти (а.с. N 1726843, кл. F03d 7/04, 1990 г.).

Данное устройство является наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату.

Недостатком данного устройства является то, что в нем выдвижная и основная лопасть не имеют закрутки относительно продольной оси, оно не обеспечивает выполнение основной и выдвижной лопастей с разными переменными по длине лопасти углами закрутки, оптимальными для различных скоростей ветра и возможность остановки выдвижной лопасти в требуемом положении при остановленном ветроколесе и его вращении по сигналам системы управления ветродвигателя. Это уменьшает эффективность преобразования энергии ветра.

Целью изобретения является повышение мощности и увеличение коэффициента использования энергии ветра, расширение диапазона рабочих скоростей ветра.

Поставленная цель достигается тем, что выдвижная и основная лопасти выполнены с различными углами закрутки, у основной во внутренней полости выполнены силовые продольные стенки с направляющими двойной кривизны, размещенными в соответствии с углами закрутки выдвижной лопасти, выдвижная лопасть снабжена опорными элементами, взаимодействующими с направляющими, привод выдвижной лопасти выполнен самотормозящим.

Кроме того, выдвижная лопасть снабжена балансиром с парой опорных элементов, установленным на конце корневой части лопасти с возможностью поворота относительно продольной оси лопасти.

Дополнительным отличием является то, что привод выполнен электромеханическим, состоящим из электродвигателя, установленного на основной полости направляющего цилиндра, закрепленного на корпусе электродвигателя соосно с его валом и размещенным в отверстии, выполненном в торце корневой части выдвижной лопасти, полого вала, связанного одним концом с валом электродвигателя, гайки, установленной на другом конце полого вала, подшипников, размещенных между полым валом и направляющим цилиндром, и ходового винта, жестко прикрепленного к выдвижной лопасти и размещенного внутри полого вала.

На фиг. 1 схематически изображен общий вид ветродвигателя, на фиг. 1 - продольный разрез лопасти по А-А, на фиг. 2 разрез по Б-Б, на фиг. 3 - разрез по В-В, на фиг. 4 изменение угла установки сечения лопасти относительно плоскости вращения в зависимости от радиуса: в пределах основной лопасти (r_k.R_o и выдвижной ее части (R_o.R_k).

Ветродвигатель состоит из ветроколеса 1 с телескопическими лопастями 2, вала 3, поворотной гандолы 4 и башни 5.

Телескопическая лопасть содержит основную лопасть 6, выдвижную лопасть 7 и привод выдвижной лопасти 8.

В основной лопасти 6 выполнены продольные стенки 9 и 10, на которых установлены направляющие 11 и 12, на корневой части 13 выдвижной лопасти размещены опорные элементы 14 и 15, выполненные в виде роликов.

Основная 6 и выдвижная 7 лопасти имеют углы закрутки α и b, переменные по длине лопасти.

Направляющие 11 выполнены двоякой кривизны в соответствии с углами закрутки выдвижной лопасти.

Углы закрутки основной лопасти выбираются оптимальными из условия получения максимального коэффициента мощности в сечениях. По мере увеличения радиуса из-за изменения направления результирующей вектора скорости потока, вследствие увеличения окружной скорости U = ω·R, угол закрутки лопасти изменяется по длине. Мощность ветроколеса растет пропорционально квадрату радиуса, поэтому периферийным зонам лопастей уделяется особое внимание. Из-за большой окружной скорости V≫ V∞ (V∞ скорость набегающего на ВЭУ потока ветра) изменение угла Δϕ_в (R) (см. фиг. 4) выражено слабее, чем для основной части.

Для лопастей ветроколеса, предназначенного для работы в области малых скоростей ветров V∞ < 6 м/c, зона регулирования положения лопасти ветроколеса относительно плоскости вращения очень узка и изменение установки на величину 2.4^o способно привести к потере мощности ветроколеса. Поэтому ветроколесо, у которого не только основная, но и выдвижная часть лопасти имеет закрутку на оптимальные углы, является эффективным и значительно повышает мощность ветроколеса, в особенности в зонах ветров с малыми скоростями.

Пара опорных элементов 15 может быть размещена на балансире 16, установленном на конце корневой части выдвижной лопасти с возможностью поворота вокруг продольной оси, в этом случае не требуется точная выставка и выполнение направляющих 12 такой же формы, как направляющих 11, а разница в закрутке основной и выдвижной частей лопасти компенсируется за счет поворота балансира.

Привод выдвижной лопасти состоит из электродвигателя 17, направляющего цилиндра 18, прикрепленного к корпусу электродвигателя, полого вала 20, связанного одним концом с валом 21 электродвигателя, гайки 22 и ходового винта 23, прикрепленного к выдвижной лопасти, а также подшипниковых узлов 24 и уплотнений 25 (фиг. 2, Б-Б).

Ветродвигатель работает следующим образом. Перед запуском лопасти выдвигаются из исходного положения по сигналу системы управления в крайнее положение. При вращении от вала 21 электродвигателем 17 полого вала 20 ходовой винт 23 перемещается в радиальном направлении, за счет чего выдвигается часть 7 лопасти. Остановка в крайнем положении производится по сигналу от конечного выключателя. Работа ветродвигателя с выдвинутыми лопастями производится при низких скоростях ветра, например 4,5.4,8 м/с.

При скорости ветра больше V_ном (скорость ветра, при которой ветродвигатель выходит на номинальную мощность) выдвижные лопасти по сигналу системы управления убираются. Остановка лопасти в убранном положении производится по сигналу от конечного выключателя. Регулировка скорости вращения ветроколеса и отбираемой от потока мощности осуществляется за счет поворота лопастей вокруг продольной оси.

Установка направляющих двоякой кривизны на продольных силовых элементах основной лопасти позволяет повысить жесткость выдвижной лопасти на кручение.

Ветродвигатель имеет при выдвинутых лопастях высокие разгонные характеристики при слабых ветрах и выход на номинальную мощность при значительно меньших скоростях ветра, нежели известные аналоги.

При сильных ветрах, например более 8.10 м/с, когда необходимо ограничивать мощность, развиваемую ветроколесом, при убранных выдвижных лопастях ветроколесо и башня подвергаются значительно меньшим нагрузкам. По существу заявляемое решение позволяет на практике реализовать идею ветроколеса с "изменяемой геометрией" с достижением оптимального коэффициента мощности в расширенном диапазоне скоростей ветра.

Так, если у известных решений диапазон рабочих скоростей ветра составляет 5.6 20 м/с, т.е. V_max/V_min 4, что обеспечивается по существу видом кривой Ср(Z) для выбранного аэродинамического профиля, то заявленное решение обеспечивает эффективную работу в диапазоне скоростей 2,5.2,8 20 м/с при V_max/V_min 8 за счет по меньшей мере "двойной" характеристики Ср(Z) при выдвинутых и убранных лопастях при соблюдении оптимальных углов и получение энергии от низкоскоростных потоков.

Преимущественной областью применения заявляемого решения является использование низкоскоростных потоков воздуха, которые распространены в центрально-материковых районах континентов, а также других регионов, в которых среднегодовая скорость ветра лежит в диапазоне 3,6.4,6 м/с.

Формула изобретения

1. Ветродвигатель, содержащий ветроколесо с телескопическими лопастями, включающими основную и выдвижную лопасти и привод выдвижной лопасти, отличающийся тем, что выдвижная и основная лопасти выполнены с различными углами закрутки, у основной лопасти выполнены силовые продольные стенки с направляющими двоякой кривизны, размещенными в соответствии с углами закрутки выдвижной лопасти, выдвижная лопасть снабжена опорными элементами, взаимодействующими с направляющими, а привод выдвижной лопасти выполнен самотормозящимся.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что выдвижная лопасть снабжена балансиром с парой опорных элементов, установленным на конце корневой части лопасти с возможностью поворота относительно продольной оси лопасти.

3. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что привод выполнен электромеханическим, состоящим из электродвигателя, установленного на основной лопасти, направляющего цилиндра, закрепленного на корпусе электродвигателя соосно с его валом и размещенного в отверстии, выполненном в торце корневой части выдвижной лопасти, полого вала, связанного одним концом с валом электродвигателя, гайки, установленной на другом конце полого вала, подшинников, размощенных между полым валом и направляющим цилиндром, и ходового винта, жестко прикрепленного к выдвижной лопасти и размещенного внутри полого вала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4