ВЕТРОКОЛЕСО (ВАРИАНТЫ)

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

Известно описанное в патенте РФ №2272173 и принятое за прототип ветроколесо, содержащее 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.

Общими существенными признаками предлагаемого технического решения с прототипом являются следующие:

По варианту 1 - ветроколесо содержит ступицу, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы, в которых размещены лопасти с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных под углом по отношению к оси ветроколеса, а также размещенное в ступице устройство, влияющее на поворот лопасти, которое состоит из направляющей, установленного на ней блока пружин, состоящего как минимум из двух пружин, выполненных с возможностью последовательного включения в работу сначала одной пружины, а затем и второй, жестко закрепленных на опорных частях лопастей качалок, соединенных через тяги со скользящим по направляющей толкателем, опирающимся на блок пружин, и устройства регулирования начального сжатия пружин.

По варианту 2 - ветроколесо содержит ступицу, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы, в которых размещены лопасти с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных под углом по отношению к оси ветроколеса, а также размещенное в ступице устройство, влияющее на поворот лопасти, которое состоит из направляющей, установленной на ней пружины, жестко закрепленных на опорных частях лопастей качалок, соединенных через тяги со скользящим по направляющей толкателем, опирающимся на пружину, и устройства регулирования начального сжатия пружины.

Устройство-прототип позволяет увеличить точность поддержания оборотов ВК, однако в связи с тем, что после сжатия первой - более мягкой пружины, работает только одна - более жесткая пружина, шарнирный момент лопастей относительно оси поворота лопастей будет несколько отличаться от теоретического момента, кроме того, на точность регулирования оборотов ветроколеса оказывает существенное влияние погрешность изготовления пружин, которая находится в диапазоне 5-20%.

Данными вариантами конструкции решается техническая задача повышения точности регулирования ветроколеса, в том числе за счет влияния погрешностей при изготовлении пружин.

Для решения данной технической задачи:

- по варианту 1 в ветроколесе, содержащем ступицу, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы, в которых размещены лопасти с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных под углом по отношению к оси ветроколеса, а также размещенное в ступице устройство, влияющее на поворот лопасти, которое состоит из направляющей, установленного на ней блока пружин, состоящего как минимум из двух пружин, выполненных с возможностью последовательного включения в работу сначала одной пружины, а затем и второй, жестко закрепленные на опорных частях лопастей качалки, соединенные через тяги со скользящим по направляющей толкателем, опирающимся на блок пружин, и устройство регулирования начального сжатия пружин, пружины расположены одна внутри другой, при этом вторая пружина выполнена с возможностью задержки вступления в работу;

- по варианту 2 в ветроколесе, содержащем ступицу, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы, в которых размещены лопасти с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных под углом по отношению к оси ветроколеса, а также размещенное в ступице устройство, влияющее на поворот лопасти, которое состоит из направляющей, установленной на ней пружины, жестко закрепленные на опорных частях лопастей качалки, соединенные через тяги со скользящим по направляющей толкателем, опирающимся на пружину, и устройство регулирования начального сжатия пружины, пружина выполнена конической (с постоянным или переменным шагом) с возможностью изменения жесткости при сжатии (за счет посадки витков).

Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного являются следующие:

- по варианту 1 - пружины расположены одна внутри другой, при этом вторая пружина выполнена с возможностью задержки вступления в работу;

- по варианту 2 - пружина выполнена конической с возможностью изменения жесткости при сжатии.

Благодаря существенным признакам предлагаемого технического решения в совокупности с известными достигается следующий технический результат - осуществляется более точное регулирование оборотов ветроколеса за счет того, что шарнирный момент лопастей относительно оси поворота лопастей максимально приближен к теоретическому моменту, кроме того, особенно в варианте одной конической пружины на точность регулирования оборотов ветроколеса оказывает существенное влияние погрешность изготовления пружины (в варианте двух пружин меньшее влияние погрешности изготовления пружин оказывается в диапазоне малых ветров, когда работает только одна пружина).

Предложенное техническое решение может найти применение в конструкции ветроэнергетических установок горизонтально-осевого типа, особенно когда требуется точное регулирование скорости вращения.

Конструкция вариантов предлагаемого ветроколеса с регулятором оборотов аэродинамического типа поясняется чертежом.

На фиг.1 изображено ветроколесо по первому варианту формулы.

На фиг.2 изображено ветроколесо по второму варианту формулы.

На фиг.3 изображен график зависимости шарнирного момента относительно оси поворота лопасти от скорости ветра.

Изображенное на фиг.1 ветроколесо содержит ступицу 1, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы 2, в которых размещены лопасти 3 с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных под углом по отношению к оси ветроколеса, а также размещенное в ступице 1 устройство, влияющее на поворот лопасти 3, которое состоит из направляющей 4, установленного на ней блока пружин, состоящего как минимум из двух пружин 5 и 6, выполненных с возможностью последовательного включения в работу сначала одной пружины 5, а затем и второй 6, жестко закрепленные на опорных частях лопастей 3 качалки 7, соединенные через тяги 8 со скользящим по направляющей толкателем 9, опирающимся на блок пружин 5 и 6, и устройство регулирования начального сжатия пружин 10, пружины 6 и 5 расположены одна внутри другой, при этом вторая пружина 6 выполнена с возможностью задержки вступления в работу (имеет зазор 11 между ней и толкателем 9).

Изображенное на фиг.2 ветроколесо имеет более простую конструкцию за счет того, что вместо двух пружин на направляющей 4 установлена одна коническая пружина 12, выполненная с возможностью изменения жесткости при сжатии (посадки витков один на другой).

Предложенное ветроколесо по п.1 формулы - фиг.1 - 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 первоначально только на пружину 5, а затем после выбора зазора 11 и на пружину 6. Вследствие их сжатия и возникает сила, противодействующая повороту лопастей 3 во флюгерное положение. При этом пружины включаются - выключаются последовательно во времени (с задержкой). 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.

Предложенный регулятор оборотов аэродинамического типа по п.2 формулы - фиг.2 - работает аналогично прототипу, только с той разницей, что сопротивление сжатию возникает не скачкообразно (при включении второй пружины), а равномерно за счет работы одной пружины 12 и посадки ее витков.

Особенности работы устройств, влияющих на поворот лопасти по п.1 и 2 формулы, поясняются графиком зависимости шарнирного момента относительно оси поворота лопасти от скорости ветра фиг.3. На графике кривая 1 - вариант с двумя последовательно расположенными пружинами (прототип); кривая 2 - вариант с двумя расположенными одна внутри другой пружинами с задержкой вступления в работу второй пружины; кривая 3 - вариант с одной конической пружиной с возможностью изменения жесткости при сжатии; кривая 4 - теоретический момент.

Как видно из графика, кривая 1 имеет два участка - первый, когда сжимаются совместно обе пружины, при этом где CΣ - суммарная податливость, C1 - податливость первой пружины, С2 - податливость второй пружины; и второй, когда работает только одна вторая пружина, при этом С_Σ=С2.

Кривая 2 также имеет два участка - первый, когда сжимается только одна пружина, при этом С_Σ=C1; и второй, когда работают совместно две пружины, при этом с_Σ=C1+С2.

Кривая 3 не имеет ярко выраженных участков 1 и 2, т.к. работает одна коническая пружина, при этом жесткость пружины по мере сжатия увеличивается за счет посадки витков, т.е. за счет уменьшения рабочих витков.

Как видно из графика, максимально приближенной к теоретической является кривая 3, достаточно близка к ней и кривая 2, а кривая 3 имеет значительные отклонения при больших силах ветра.