Ротор ветроэнергетической установки с независимым креплением лопастей

 

Изобретение относится к устройствам, использующим энергию воздушных масс для выработки электрической энергии. Технический результат, заключающийся в расширении диапазона рабочих скоростей ветра для ветроэнергетических установок (ВЭУ) с одновременным снижением осевого давления воздушного потока на ветроколесо, увеличении ресурса лопастей и ограничении приемистости ротора при порывах ветра, достигается за счет того, что в роторе ветроэнергетической установки с независимым креплением лопастей, состоящем из лопастей, махов и вала, каждая лопасть закреплена на махе при помощи горизонтального шарнира, который обеспечивает независимое отклонение лопасти от плоскости вращения и передачу крутящего момента с лопасти на мах и далее на вал. 5 з. п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к устройствам, использующим энергию воздушных масс для выработки электрической энергии.

Известен способ управления частотой вращения ротора ветроэнергетической установки (ВЭУ) (SU, 1076617, 28.02.1984, F 03 D 1/00) путем поворота лопастей ветроколеса относительно продольной оси лопасти с целью изменения углов набегания потока, что обеспечивает косвенное изменение уровня динамической нагрузки на элементы и ротор ВЭУ в целом. Однако, большая инерционность вращающихся масс не позволяет достичь снижения нагрузки на лопасти, особенно в плоскости наименьшей жесткости. Так как поворот лопастей осуществляется по интегральному сигналу измерительного устройства (частота вращения всего ротора), то распределение нагрузки по размаху отдельной лопасти может оказаться чрезвычайно неблагоприятным и вызвать интенсивные сложные (кручение с изгибом) колебания лопастей.

Известна конструкция ветродвигателя (SU, N 1337547 от 15.09.1987, кл. F 03 D 7/02) со складывающимися лопастями. Однако такая конструкция является сложной. Применение складывания лопастей под воздействием резких порывов ветра и их последующий разворот способствуют возникновению автоколебаний: возможно смещение оси центров давления лопасти вперед по отношению к оси поворота лопасти. При повороте лопасти неизбежно возникнет нестационарность обтекания лопасти из-за больших (более 30 градусов) углов атаки. Конструктивная особенность тихоходного ветроклеса требует одновременного отклонения всех лопастей независимо от режима обтекания отдельной лопасти. Это приводит к увеличению колебательности частоты вращения ротора.

Известно применение упругих лопастей для ограничения отбираемой мощности при порывах ветра (SU, N 1560780 от 30.04.1990, кл. F 03 D 1/00), что приводит к заметному снижению ресурса ротора из-за накопления малоцикловой усталости материала и затрудняет настройку ветроколеса под конкретные ветровые условия. Это, как правило, усложняет электрическую часть ВЭУ и делает ее более дорогой.

Известен ротор ветроэнергетической установки с независимым креплением лопастей, состоящий из лопастей, махов и вала (US, 4439108, 27.03.1984, кл. F 03 D 7/04), принятый за прототип.

Однако такая конструкция ротора не обеспечивает требуемого уровня точности поддержания частоты вращения ротора ВЭУ: происходит одновременное изменение двух регулирующих факторов с одинаковым уровнем влияния - наклон оси лопасти и поворот самой лопасти. Уровень отклонения лопастей и их поворота пропорционален интегральному осевому давлению на ометаемую площадь и частоте, но показывает, что при таком способе управления частотой вращения ротора требуется размещение центра масс лопасти в районе концевых сечений. Это существенно увеличивает осевой момент инерции ротора и ухудшает динамику его движения. Диапазон рабочих скоростей ветра ограничивается жестким соотношением углов изгиба маха и крутки лопасти. Все это в совокупности ограничивает практическую применимость такой конструкции.

Предлагаемое изобретение позволяет снизить динамическую нагрузку на ротор ВЭУ и его элементы, уменьшить вследствие этого материалоемкость конструкции, расширить диапазон рабочих скоростей ветра, а также обеспечить для каждой лопасти режим обтекания с наименьшей динамической нагрузкой. Одновременно путем подбора величин регулируемых параметров решается задача по обеспечению требуемой точности регулирования частоты вращения ротора.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключающийся в расширении диапазона рабочих скоростей ветра для ветроэнергетических установок (ВЭУ) с одновременным снижением осевого давления воздушного потока на ветроколесо, увеличении ресурса лопастей и ограничении приемистости ротора при порывах ветра, достигается за счет того, что в роторе ветроэнергетической установки с независимым креплением лопастей, состоящем из лопастей, махов и вала, согласно изобретению каждая лопасть закреплена на махе при помощи горизонтального шарнира, который обеспечивает независимое отклонение лопасти от плоскости вращения и передачу крутящего момента с лопасти на мах и далее на вал. При этом угол заклинивания лопасти при ее отклонении не изменяется.

Ротор ВЭУ содержит пружинный демпфер, соединяющий лопасть с махом и воспринимающий изгибающий момент, действующий на лопасть.

Закон изменения углового положения лопасти по скорости ветра формируется путем подбора комбинации жесткостей пружин в пружинном демпфере. Начальный угол установки лопасти и скорость ветра, соответствующая началу отклонения лопасти, задаются величиной предварительной затяжки пружинного пакета демпфера и линейным размером корпуса демпфера.

Пружинный пакет демпфера, независимо от направления движения его потока, работает только на сжатие.

На фиг.1 изображен ротор ветроэнергетической установки (ВЭУ), общий вид.

На фиг. 2 изображена ВЭУ в воздушном потоке.

На фиг. 3 изображен пружинный демпфер, общий вид.

На фиг. 4 изображен ротор ВЭУ с указанным всех действующих моментов на лопасть ветроколеса при взаимодействии его с ветровым потоком.

На фиг. 5 изображено изменение величины изгибающего момента по размаху лопасти для предлагаемого устройства.

На фиг. 6 изображена зависимость углового положения лопасти ветроколеса от скорости потока.

На фиг. 7 изображена зависимость величины жесткости пружинного пакета демпфера от угла отклонения лопасти.

На фиг. 8 изображена зависимость мощности ветроколеса установки от скорости ветра.

На фиг. 9 изображены графики, моделирующие запуск ВЭУ в ветровых условиях близких к реальным.

На фиг. 10 изображены графики работы ВЭУ в воздушном потоке со среднечасовой скоростью 6 м/с.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Ротор ВЭУ (фиг. 1, 2) представляет собой ветроколеса с лопастями 1, каждое из которых закреплено на махе 2 при помощи горизонтального шарнира 3. Этим обеспечивается возможность отклонения лопасти 1 на некоторый угол относительно плоскости вращения и передачу крутящего момента на мах 2 и далее на вал 4, соединяющий ветроколесо 1 с электрическим генератором. Каждая лопасть 1 ветроколеса, таким образом, имеет независимое от других крепление. Этим достигается индивидуальная настройка каждой лопасти 1 на оптимальный режим обтекания. При этом угол заклинивания лопасти 1 не изменяется. Для реализации зависимости углового положения лопасти 1 от скорости ветра между махом 2 и валом 4 устанавливается пружинный демпфер 5, опирающийся на два шарнира 6. Демпфер 5 (фиг.3) представляет собой пружинную тягу, на шток которой 7 одет пакет пружин 8, 9, 10 различной жесткости C, заключенных между подвижными тарелками 11 (фиг. 3). Количество пружин 8, 9, 10 и их характеристики (в частности, жесткость C) определяются исходя из ветровых условий, в которых будет работать ВЭУ, и требуемой производительностью. Предварительная затяжка пакета пружин 8, 9, 10 осуществляется гайкой 12, поджимающей правую подвижную тарелку пакета 13. и неподвижным упором 14 на штоке 7. Уровень предварительной затяжки пружинного пакета 13 должен соответствовать величине расчетной скорости ветра. Пакет пружин 8, 9, 10 со штоком 7 помещается в корпус, состоящий из двух стаканов: наружного 15 и внутреннего 16. Наружный стакан 15 навинчивается на внутренний 16. Внутренний стакан 16 оканчивается развитым вильчатым хвостовиком со сферическими опорами 17 и является нижним шарниром 6 (фиг. 1). Шток 7 оканчивается наконечником 18, который крепится к верхнему шарниру 6 лопасти 1 ветроколеса. При правильной настройке демпфера 5 расстояние между внутренними торцами стаканов 15, 16 должно соответствовать размеру пружинного пакета 13. Это исключит свободный ход штока 7. При этом линейный размер между наконечником 18 и хвостовиком внутреннего стакана 16 обеспечивает требуемую величину начального угла установки лопасти 1 (фиг. 1). Для обеспечения защиты внутреннего пространства корпуса от загрязнения, влаги и т.п. устанавливается гофрированный резиновый чулок 19. Таким образом, предлагаемая конструкция демпфера 5 обеспечивается независимо от направления действия суммарного усилия от лопасти 1 F_сум работу пружинного пакета 13 только на сжатие.

Работа устройства заключается в следующем.

На лопасть 1 ветроколеса в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения, при взаимодействии с ветровым потоком действуют следующие моменты (фиг. 4): - от интегральной проекции аэродинамической силы на ось вращения F_a, приложенной в центре давления на плече L_a = f (форма лопасти 1, угол отклонения лопасти 1), - от центробежной силы лопасти 1 F_цб, приложенной в центре масс лопасти 1 на радиусе L_цм = f (частота вращения ротора, угол отклонения лопасти 1), - от составляющей силы, сопротивления демпфера 5, F_пр ·cos(угол наклона демпфера 5), приложенной на плече L_п.

Под действием суммарного момента M_сум лопасть 1 отклоняется от плоскости вращения на угол, пропорциональный скорости воздушного потока и частоте вращения ротора. Для иллюстрации работоспособности предлагаемого изобретения ниже приведены данные, полученные при математическом моделировании динамики движения ротора ВЭУ. Определение размеров ветроколеса и профилирование лопастей 1 производилось для следующих основных исходных данных: - установленная мощность 1,5 кВт, - расчетная скорость ветра 6,0 м/с, - расчетная быстроходность Z = 4,1, - масса лопасти 35 кг, - количество лопастей 3, - относительный диаметр втулки 0,2,
- номинальная частота вращения генератора 1500 об/мин,
- передаточное отношение мультипликатора 23 (не показан).

Отклонение лопасти 1 от плоскости вращения приводит к уменьшению ометаемой лопастями 1 площади, снижению эффективной скорости воздушного потока V_эф = V·cos (угол отклонения лопасти 1) и соответственно к уменьшению осевого давления на ВЭУ, вызывающего изгибную деформацию лопасти 1.

Момент начала отклонения лопасти 1 определяется величиной усилия предварительной затяжки пружиненного пакета F₀ демпфера 5 (фиг. 1):
F₀ = k · V
где k - передаточный коэффициент.

Зависимость углового положения лопасти 1 ветроколеса от скорости потока V (фиг. 6) определяется заданным законом изменения жесткости демпфера 5 (фиг. 7). Для приведенного варианта ВЭУ при моделировании получена зависимость мощности ветроколеса 1 установки от скорости ветра (фиг. 8). Из этой зависимости видно, что с увеличением скорости воздушного потока отбираемая ветроколесом мощность сначала растет, а затем из-за увеличения угла отклонения лопасти 1 уменьшается. Результаты исследований показывают, что для предлагаемого устройства коэффициент использования мощности воздушного потока при изменении скорости ветра остается практически постоянным. Наибольшее значение величины осевого усилия на ветроколесо не превышает 1200 H. Для регулируемого ветроколеса при скорости ветра 20 м/с этот параметр превышает величину в 10000 H. Изгибающий момент в месте заделки башни для предлагаемой конструкции ротора достигает 8400 H · м (высота башни выбрана 7 м), а для нерегулируемого ветроколеса это значение составляет 70000 H · м и частота вращения более чем в 3 раза превышает расчетную.

Лопасть 1 ветроколеса отслеживает изменение скорости ветра с некоторым запаздыванием, величина которого определяется осевым моментом инерции лопасти 1 относительно шарнира 6 (фиг. 1), частотой вращения и настройкой демпфера. Лопасть 1 ветроколеса динамично реагирует на изменение скорости ветра, изменяя свое угловое положение. Колебания скорости ветра в пределах 40% относительно среднечасовой скорости приводят к изменениям частоты вращения ветроколеса в пределах 5-10% от номинальной.

Применение предлагаемой конструкции устройства позволит расширить диапазон рабочих скоростей ветра для ВЭУ, снизить динамическую нагрузку на ее элементы и конструкцию в целом.

Формула изобретения

1. Ротор ветроэнергетической установки с независимым креплением лопастей, состоящий из лопастей, махов и вала, отличающийся тем, что каждая лопасть закреплена на махе при помощи горизонтального шарнира, который обеспечивает независимое отклонение лопасти от плоскости вращения и передачу крутящего момента с лопасти на мах и далее на вал.

2. Ротор ветроэнергетической установки по п.1, отличающийся тем, что угол заклинения лопасти при ее отклонении не изменяется.

3. Ротор ветроэнергетической установки по п.1, отличающийся тем, что содержит пружинный демпфер, соединяющий лопасть с махом и воспринимающий изгибающий момент, действующий на лопасть.

4. Ротор ветроэнергетической установки по пп.1 и 3, отличающийся тем, что закон изменения углового положения лопасти по скорости ветра формируется путем подбора комбинации жесткостей пружин в пружинном демпфере.

5. Ротор ветроэнергетической установки по пп.1 и 4, отличающийся тем, что начальный угол установки лопасти и скорость ветра, соответствующая началу отклонения лопасти, задаются величиной предварительной затяжки пружинного пакета демпфера и линейным размером корпуса демпфера.

6. Ротор ветроэнергетической установки по пп.4 и 5, отличающийся тем, что пружинный пакет демпфера независимо от направления движения его штока работает только на сжатие.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10