Ветроустановка

Ветроустановка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: преобразование энергии ветра в электричество. Сущность изобретения: тяги, соединенные с поворотными лопастями, выполнены в виде кулис, снабженныхорегулировочными грузами. Вертикальные оси шарниров лопастей совмещены с центрами масс лопастей, а кулисы подпружинены, чем повышена надежность работы. 9 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s F 03 О 3/00

ГОСУДАРСТВЕН-ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 4i ii i ""у "1ф1 ii ;

Ъ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

2 (54) В ЕТРОУСТАНО В КА

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4813477/06 (22) 10.04.90 (46) 07.06.93. Бюл. № 21 (71) Днепропетровский государственный университет" им. 300-летия воссоединения

Украины с Россией (72) Н.Н.Харченко, Г.К.Волков и Ю.А.Арышев (56) Авторское свидетельство СССР № 992800, кл. F 03 0 3/00, 1983, Патент США ¹ 4180367, кл, 416 — 119, опубл. 1979.

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии ветра в механическую энергию и может использоваться в конструкциях ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения с ветроколесами быстроходного типа с приведенной мощностью до 50 кВт на каждую лопасть.

Цель изобретения — повышение надежности работы ветроустановки.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг,1 изображена установка: на фиг.2 — конструктивное исполнение, шарнирного соединения лопасти с траверсой по выноске 1 на фиг. t; на фиг.3 — вид в плане сечения А-А на фиг.2; на фиг.4 — расположение силовых элементов в оболочке лопасти; на фиг.5 — схема положений лопасти в различных точках окружности ротора; на фиг.6 — схема положения лопастей в номинальном режиме работы; на фиг.7- положение лопастей в безветрие; на фиг,8 — положение лопастей во время пуска (при появлении ветра); на фиг.9 — положение лопастей при штормовой скорости ветра.,, Ж, 1820024 А1 (57) Использование: преобразование энергии ветра в электричество. Сущность изобретения: тяги, соединенные с поворотными лопастями, выполнены в виде кулис, снабженных регулировочными грузами. Вертикальные оси шарниров лопастей совмещены с центрами масс лопастей, а кулисы подпружинены, чем повышена надежность работы. 9 ил.

Ветроустановка состоит из опорной, з башни 1, внутри которой проходит вертикальный вал 2 отбора мощности, мультипликатора 3, установленного на вершине башки 1, и ветроколеса 4, состоящего из лопастей 5 и траверс 6, соединенных между собой с помощью вертикального шарнира 7 (см. фиг,1). Ветроколесо удерживается на башне системой растяжек. Механическая Ор энергия преобразуется в электрическую генераторами, на валах которых закреплены маховики. Лопасть состоит из двух частей, жестко соединяемых между собой с помощью муфты 8, представляющей собой .ЬЭ аэродинамической формы двойной желоб, фЪ.

9, в каждом из которых закрепляется верхняя или нижняя часть лопасти. Оба желоба свариваются между собой обтекаемой формы патрубками 10, образуя в средней части муфты свободное пространство, в котором размещаются узлы крепления лопасти с траверсой: ось 11, кронштейн 12 с подшипником 13.скольжения, ось кулисы 14 и сама кулиса 15 со штоком 16 (см. фиг,2 и 3).

1820024

Каждая лопасть упрочнена лонжероном

17, вертикальные ребра которогодоходятдо внутреннего кольца желоба 9, а нервюры. располагаются между кольцами.

Оболочка 18 жестко прикреплена к нервюрам.

Сам лонжерон 17 так расположен внутри оболочки 18, что центр тяжести всей лопасти С (см. фиг.4) расположен на осевой линии оси 11. Технически это достигается применением дополнительных балансировочных грузиков (условно не показанных), закрепляемых любым известным способом на донышках желобов муфты 8, Внутри траверсы б со стороны хвостовой части лопасти устанавливается шток16, удерживаемый двумя пружинами 19 и 20.

Пружина 19 меньшей жесткости, чем пружина 20. На передней части штока устанавливается одна из необходимых мерных масс

21, представляющих собой разрезанную втулку, закрепленную на штоке по торцам от осевого перемещения и по наружному диаметру съемным пружинным разрезным кольцом, При испытаниях подбирается необходимая масса груза, чтобы компенсировать неточности в изготовлении: величины массы лопасти, точности расположения центра ее тяжести и жесткости пружин 19 и 20. Угол поворота лопасти из положения I в положение III регулируется установкой пружинных упорных колец 22 в соответствующую канавку штока.

Работает ветроустановка следующим образом.

Во время безветрия (см. фиг.7) хорды лопастей расположены под углом ym n к оси траверсы. На фиг.3 это положение обозначено штрихпунктирной лимией Н, Такое положение обеспечивается усилием пружины

19. Пружина 20 находится в свободном состоянии и не касается шайбы и кольца 22.

С появлением ветра со скоростью, достаточной для запуска установки (см. фиг.8), лопасти, находящиеся в различных точках ротора, испытывают неодинаковые воздействия потока воздуха, В положении лопасть образует с набегающим потоком угол атаки Р.

Разность моментов у R cos(ymln j9) — х R slfl(ymln -p > О.

То есть на лопасти будет возникать положительный крутящий момент.

В положении !! ветер воздействует на лопасть как на парус.

Создается также положительный крутящий момент, равный Т R.

В точке !!! лопасть начинает поворачи. ваться вокруг своего вертикального шарнира d,óâåëè÷èâàÿ угол с min до ynpov, Величина этого угла прямо пропорциональна расстоянию c{ (см. фиг.4) и силе ветра и обратно пропорциональна жесткости пружин и величине размера t их установки в

10 траверсе (см. фиг.3).

На лопасти также будет возникать разность моментов у1R COS0-х1 R З!и О, 15

В зависимости от угла 0 эта разность может быть величиной как положительной, так и отрицательной.

Геометрически угол 0 можно представить как 180 Pl pnpoM

Углы ynpoM pl P1 однозначно 838PIMQGB5l

25 . заны друг с другом: с ростом пром будет на такую же величину уменьшен f5>.

Величины у и х в значительной мере зависят от ynppM .

Поэтому, чтобы во время запуска ветроустановки в работу, разность моментов в точке ill не сказывалась отрицательно, вышеописанные параметры подбирают такими, чтобы ynpov > 90 .

Конструктивно это значит, что минимальная скорость ветра, достаточная для запуска, должна в состоянии покоя ротора повернуть лопасть вокруг своей вертикальной оси, в зоне т,lll траектории вращения ротора на угол, при котором хорда лопасти будет занимать промежуточное положение между !НI и !!Н!! (см, фиг.3), то есть, чтобы начала сжиматься пружина 20.

При этом с ростом угла О у> К cos 0 уменьшается, а х R . sin 0 увеличивается, Максимальное отрицательное значение разность моментов будет иметь при 0, близком к Р0 . На лопастях ротора, находящихся в точках! и II. â момент времени, когда угол

0 для III точки будет близким к 90, величины положительных моментов будут всегда большими отрицательного в точке III. Суммарный же крутящий момент всегда будет пожительным. Колесо начнет раскручивать55

С увеличением числа оборотов возрастает и центробежная сила штока и закрепленной на нем мерной массы 21. Пружина

19 под их действием начинает сжиматься.

Угол ynpov увеличивается, 1820024

00> (см. фиг.4), Для расчета нагрузок и напряжений такой величиной можно, в прин- .20

30

35 будет возникать уже положительный момент, поворачивающий ротор колеса в на- 40 поворота траверсы. После точки !!! сила ло- 45 бового сопротивления создает на лопасти

Положение лопастей относительно траверс в момент раскручивания ротора, в также при скоростях ветра в пределах 4-7 и/с показано на фиг.5. Так как практически никогда не представляется возможным идеально точно и навсегда сбалансировать массу ротора относительно ее оси, то на фиг.5 показан условно момент, действующий на лопасть из-за смещения центра тяжести относительно вертикальной оси крепления ее к траверсе. Так как хвостовая часть лопасти длиннее ее носовой части, то . из-за таких факторов как налипание пыли, оседание влаги, эрозия поверхностей и т.п. центр тяжести вероятнее всего будет смещен (в процессе эксплуатации) в среднюю часть хорды лопасти. Величина смещения составит приблизительно 1 расстояния ципе, и пренебречь, но при определении изменения "..раектории ее берут в учет.

В точке t (см. фиг.5) хорда лопасти расположена параллельно вектору скорости.

Это достигается действием момента от центробежной силы штока и груза, умноженной на плечом(фиг.3), момента MG и скоростного напора потока воздуха, обтекаемого лопасть сверху. Пружина 19 сжалась на половину своего рабочего хода. Шток 16 выдвинулся до контакта с пружиной 20.

B точке II и на пути к ней хорда лопасти. продолжает сохранять параллельность вектору скорости ветра. Угол между хордой и.осью траверсы с 90 уменьшается до /min.

Точка I I является переходной. До нее ветроколесо тратило энергию на перемещение лопасти, а после ее пересечения на лопасти правлении, указанном стрелкой, После т, I! хорда лопасти образует с вектором скорости ветра V> угол атаки, увели чивающийся пропорционально углу также положительный момент относительно оси вращения ветроколеса. В дальнейшем, вместе с подъемной силой, они представляют собой основную движущую силу, в том числе и в точках! V и Ч. На схеме момент от этих сил обозначен Мд. В точке VI хорда лопасти становится параллельно вектору скорости ветра, Сила прижатия лопасти к штоку, а значит и реакция R на зту силу равна О.

Дебалансный момент Мс начинает поворачивать лопасть вокруг вертикальной оси по часовой стрелке, В последующих положениях дополнительным поворотным моментом, действующим в том же направлении, будет момент Мл. В положении Vll лопасть под действием моментов MG и M„ поворачивается хордой перпендикулярно оси траверсы. При этом сжимается пружина 19.

Крутящий момент на валу ветроколеса будет больше, чем в Ч! положении, так как увеличилась парусность лопасти, В положении

VIII u IX величина крутящего момента будет тем больше, чем ближе будет угол у к увах .

В точке Х хорда вновь становится параллельно вектору скорости ветра. Начиная с этой точки, ветроколесо вынуждено тратить энергию на перемещение лопасти во встречном потоке ветра. Но так как хорда за все время движения остается параллельной ветропотоку, то эти затраты незначительны по сравнению с конструкциями, в котор! х лопасти жестко закреплены к траверсам.

Последующее увеличение угловой скорости в увеличивает центробежную силу штока с мерными массами и лопасти. Но так как центр тяжести лопасти сбалансирован на вертикальную ось шарнира, которым он крепится к траверсе, то ее собственная цен- тробежная сила не будет изменять угол поворота 7. Основными факторами, . определяющими положение лопасти в и! остранстве, будут: сила ветра, скорость вращения и, массы штока с мерными грузами, жесткость пружин 19 и 20, а также радиус ветроколеса. Центробежная сила штока стремится увеличить угол у на всех точках траектории лопасти. От точки И до точки X в направлении вращения ветроколеса (фиг.5) направления центробежной силы: и скорости ветра совпадают. Это способствует увеличению крутящего момента и снижейию энергетических затрат на перемещение лопасти so встречном потоке ветра. С точки

II до точки И скоростной напор ветропотока, скользя по нижней обшивке лопасти, вместе с усилием пружин 19 преодолевает центробежные силы штока и прижимает лопасть к кулисе, удерживая угол )min. Это позволяет ветроколесу ускоренно выйти на номинальное число оборотов, При скоростях. ветра 8 — 10 м/с и выше, когда более эффективной будет работа ветроустановки с быстроходностью выше 4, центробежные силы возрастают и лопасти во время работы в номинальном режиме занимают положение, изображенное на фиг.6.

В дальнейшем с увеличением скорости

5 ветра выше номинального значения будет увеличиваться и угловая скорость в, Центробежная сила штока и мерных грузов будет при этом возрастать пропорционально квадрату угловой скорости. Угол у во всех

1820024 точках траектории лопасти будет увеличиваться от 90 до /max(cM. фиг.9). Теперь уже лопасть будет двигаться во встречном потоке (с положения Х до положения III) хордой не под нулевым углом к направлению ветра.

Существенно возрастает сопротивление перемещению лопасти, что повлечет снижение а.

Уменьшению угловой скорости будет дополнительно способствовать также далеко не оптимальное значение угла атаки при движении лопасти на траектории от точки III до точки Vl. Все это будет стабилизировать вращение ротора и не позволит разогнать его при штормовых ветрах до опасных значений в, когда может произойти разрушение лопастей или траверс, а значит обеспечит надежную работу установки.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет, не применяя специальных средств, осуществлять самозапуск ветроустановки в работу при возникновении достаточной минимальной скорости ветра и удерживать предельно допустимое число оборотов ротора при штормовых ветрах, не превышая механических перегрузок узлов ветроустановки. Это позволяет существенно повысить экономичность во время эксплуатации, снизить капитальные затраты при изготовлении и увеличить надежность во время работы.

Формула изобретения

Ветроустановка, содержащая размещенный в опорной башне вертикальный вал с радиальными полыми траверсами, связанными вертикально-осевыми шарнирами с лопастями, подпружиненные тяги, установленные в полостях траверс и шарнирно соединенные с лопастями, и генератор, связанный с валом при помощи мультипликатора, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности работы, тяги выполнены в виде кулис, снабженных установленными на них регулировочными грузами, и подпружинены с помощью пар коаксиально установленных цилиндрических пружин, при этом вертикальные оси шарниров совмещены с центрами масс лопастей.

1820024

1820024

1820024

1820024

Составитель Н. Харченко

Тех ред M.Моргентал Корректор П. Гереши

Редактор Т. федотов

Заказ 2013 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раувская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101