Компактный регулятор оборотов аэродинамического типа для ветроэнергетической установки

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройствам регулирования частоты вращения и крутящего момента ветроколеса. Технический результат, заключающийся в создании устройства, позволяющего увеличить точность поддержания оборотов ветроколеса с обеспечением устойчивости и необходимых характеристик при динамических процессах, улучшении ориентации ветроколеса на ветер, устранении влияния на работу ветроустановки аэродинамического следа башни, а также упрощении конструкции ветроустановки, обеспечивается за счет того, что ветроколесо содержит ступицу, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы, в которых размещены лопасти с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных конусно по отношению к оси ветроколеса. В ступице ветроколеса размещено устройство, влияющее на поворот лопасти, которое состоит из направляющей, установленных на ней как минимум двух пружин разной жесткости, жестко закрепленных на опорных частях лопастей качалок, соединенных через тяги со скользящим по направляющей толкателем, опирающимся на пружину меньшей жесткости, и устройство регулирования сжатия пружин. Пружины выполнены с возможностью последовательного выключения из работы пружины сначала меньшей жесткости, а затем большей. 1 ил.

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, к устройствам регулирования частоты вращения и крутящего момента ветроколеса.

Известен регулятор оборотов центробежного типа, описанный в европейском патенте №0043872, принятый за прототип. Описанная в прототипе ветроустановка имеет устройство, влияющее на поворот лопасти, расположенное перпендикулярно осям лопастей, которые соответственно имеют возможность поворота относительно своих осей и снабжены центробежными грузами. В состав устройства входят жестко закрепленные на каждой лопасти качалки, которые через тяги соединены со скользящей по направляющей деталью, которая под воздействием момента, создаваемого центробежными грузами, передает усилие на действующие в противоположном направлении, надетые на направляющую пружины разной жесткости, выполненные с возможностью последовательного выключения из работы (прекращения сжатия) пружины сначала меньшей жесткости, а затем большей. Каждая лопасть установлена в подшипниковом узле, который прикрепляется к диску, жестко установленному на оси ветроколеса. Также имеется устройство регулирования сжатия пружин.

Общими существенными признаками предлагаемого технического решения с прототипом являются следующие - ветроустановка имеет устройство, влияющее на поворот лопасти, которые соответственно имеют возможность поворота относительно своих осей. В состав устройства входят жестко закрепленные на каждой лопасти качалки, которые через тяги соединены со скользящей по направляющей деталью, которая передает усилие на действующие в противоположном направлении, надетые на направляющую пружины разной жесткости, выполненные с возможностью последовательного выключения из работы (прекращения сжатия) пружины сначала меньшей жесткости, а затем большей. Каждая лопасть установлена в подшипниковом узле. Также имеется устройство регулирования сжатия пружин.

В известном устройстве-прототипе при вращении ветроколеса на закрепленных на лопастях грузах возникают центробежные силы, которые создают вращающий момент относительно оси лопасти, который стремится повернуть лопасть в сторону уменьшения угла атаки и, как следствие, уменьшить частоту вращения ВК. При этом механизм регулятора оборотов создает необходимый противодействующий момент относительно оси поворота лопасти. Параметры механизма подбираются таким образом, чтобы противодействующий момент, создаваемый механизмом, обеспечивал стабильность частоты вращения ветроколеса в широком диапазоне изменения скорости ветра. Особенностью механизма данного регулятора является то, что при любом сочетании параметров механизма противодействующий момент, создаваемый механизмом, является неубывающей функцией угла поворота лопасти. Это означает, что при повороте лопасти в сторону уменьшения угла атаки противодействующий момент, создаваемый механизмом, может только увеличиваться.

К недостаткам приведенного регулятора центробежного типа можно отнести:

1. При возникновении колебаний по углу поворота лопасти относительно положения равновесия регулирующий центробежный момент имеет свойство увеличиваться с увеличением угла поворота лопасти, в связи с чем противодействующий момент, создаваемый пружиной, должен также возрастать, и при этом для обеспечения статической устойчивости системы (гашения колебаний) с большей интенсивностью, чем регулирующий центробежный момент. В связи с чем пружину приходится делать большой жесткости, что приводит к возникновению неравномерности частоты вращения как по скорости ветра, так и по нагрузке и к низкой точности обеспечения постоянства частоты вращения ветроколеса.

2. Наличие тяжелых грузов.

3. Плохие характеристики при динамических процессах и сложность обеспечения динамической устойчивости системы, связанных с малостью (или даже полным отсутствием) демпфирующих сил. В теории центробежных регуляторов доказывается, что при отсутствии демпфирования центробежные регуляторы являются динамически неустойчивыми.

4. Данной конструкции ветроколеса свойственны значительные угловые скорости рыскания, неустойчивая ориентация на ветер, влияние на работу аэродинамического следа башни, связанные с перпендикулярным расположением осей лопастей к оси ветроколеса.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание устройства, позволяющего увеличить точность поддержания оборотов ВК с обеспечением устойчивости и необходимых характеристик при динамических процессах, улучшить ориентацию ветроколеса на ветер, устранение влияния на работу ветроустановки аэродинамического следа башни, а также упрощение конструкции ветроустановки.

Для решения данной технической задачи ветроколесо содержит ступицу, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы, в которых размещены лопасти с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных конусно по отношению к оси ветроколеса. В ступице ветроколеса размещено устройство, влияющее на поворот лопасти, которое состоит из направляющей, установленных на ней как минимум двух пружин разной жесткости, жестко закрепленных на опорных частях лопастей качалок, соединенных через тяги со скользящим по направляющей толкателем, опирающимся на пружину меньшей жесткости, устройства регулирования сжатия пружин. Пружины выполнены с возможностью последовательного выключения из работы пружины сначала меньшей жесткости, а затем большей.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного являются следующие - ветроколесо содержит ступицу, на которой закреплены подшипниковые узлы и внутри которой расположен регулирующий механизм (устройство, влияющее на поворот лопасти); лопасти расположены конусно по отношению к оси ветроколеса.

Благодаря существенным признакам предлагаемого технического решения в совокупности с известными достигается следующий технический результат:

1. Установившееся значение аэродинамического момента относительно оси поворота лопасти является неубывающей (по абсолютному значению) функцией угла поворота лопасти. Это означает, что при повороте лопасти в сторону уменьшения угла атаки противодействующий момент, создаваемый механизмом, может только увеличиваться.

2. Данный регулятор позволяет поддерживать более высокую точность по частоте вращения в связи с обеспечением статической устойчивости системы (без наличия неравномерности по скорости ветра и нагрузке) и хорошие параметры динамической устойчивости.

3. Обеспечение хороших характеристик при динамических процессах вследствие наличия аэродинамических демпфирующих сил, возникающих из-за приведенного положения лопасти.

4. Снижение рыскания ветроколеса, обеспечение устойчивой ориентация на ветер, снижение влияния на работу ветроустановки аэродинамического следа башни.

5. Защита механизма, расположенного внутри ступицы, а также отсутствие тяжелых грузов.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый компактный регулятор оборотов аэродинамического типа, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».

Предложенное техническое решение может найти применение в конструкции ветроэнергетических установок горизонтально-осевого типа, а следовательно, данное решение соответствует критерию «промышленно применимо».

Конструкция предлагаемого компактного регулятора оборотов аэродинамического типа поясняется чертежом.

Изображенный на чертеже компактный регулятор оборотов аэродинамического типа содержит ступицу 1, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы 2, в которых размещены лопасти 3 с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных конусно по отношению к оси ветроколеса. В ступице 1 ветроколеса размещено устройство, влияющее на поворот лопасти 3, которое состоит из направляющей 4, установленных на ней как минимум двух пружин - меньшей 5 и большей 6 жесткости, жестко закрепленных на опорных частях лопастей 3 качалок 7, соединенных через тяги 8 со скользящим по направляющей 4 толкателем 9, опирающимся на пружину меньшей жесткости 5. Данное устройство представляет по сути кривошипно-шатунный механизм. Устройство регулирования сжатия пружин 5 и 6 выполнено в виде регулятора 10, задающего начальное сжатие пружин 5, 6 и упора 12, регулирующего момент последовательного включения в работу пружин 5 и 6. Для предохранения закручивания толкателя 9 относительно направляющей 4 установлен палец 11.

Предложенный регулятор оборотов аэродинамического типа работает следующим образом. При превышении частоты вращения ветроколеса над номинальной возникает аэродинамический момент относительно оси поворота лопасти 3, установленной в подшипниковом узле 2 с применением подшипников качения, позволяющем поворачиваться лопасти относительно своей оси. При этом лопасть 3 стремится повернуться в сторону уменьшения угла атаки и, как следствие, уменьшить частоту вращения ветроколеса. Указанный момент передается через качалки 7, тяги 8 и толкатель 9 на пружины 5 и 6, вследствие чего происходит их сжатие и возникает сила, противодействующая повороту лопастей 3 во флюгерное положение. При этом пружины включаются - выключаются последовательно, для чего применяется специальный упор 12. Такая схема позволяет реализовать заданный закон изменения силы сопротивления механизма от величины перемещения и обеспечить высокую стабильность поддержания частоты вращения ветроколеса в широком диапазоне скоростей ветра. Для повышения точности регулирования применяется регулятор 10, позволяющий изменять начальное усилие сжатия пружин 5, 6. Для снижения уровня вибраций длина тяг 8 регулируется, что позволяет обеспечить аэродинамическую балансировку лопастей 3 ветроколеса.

Ветроколесо, характеризующееся тем, что оно содержит ступицу, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы, в которых размещены лопасти с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных конусно по отношению к оси ветроколеса, а также размещенное в ступице устройство, влияющее на поворот лопасти, которое состоит из направляющей, установленных на ней как минимум двух пружин разной жесткости, выполненных с возможностью последовательного выключения из работы пружины сначала меньшей жесткости, а затем большей, жестко закрепленных на опорных частях лопастей качалок, соединенных через тяги со скользящим по направляющей толкателем, опирающимся на пружину меньшей жесткости, и устройства регулирования сжатия пружин.