Ограничитель частоты вращения ветротурбины
WIND TURBINE SPEED LIMITER

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для стабилизации частоты вращения ветротурбины при скорости ветра выше расчётной.
Известна ветроэнергетическая установка АВЭУ6-4М [1, 2] ограничение частоты вращения, в которой осуществляется центробежным регулятором частоты вращения прямого действия. Её недостатком является то, что грузы, за счёт которых осуществляется поворот лопастей, расположены в непосредственной близости к центру вращения, их силовое воздействие на лопасти направлено под углом к плоскости поворота близким к 90° за счёт этого для обеспечения достаточного момента требуется значительная масса грузов. Это также влияет и на точность ограничения частоты вращения.
горизонтальной
вертикальный
От этого недостатка в значительной степени свободен принятый за прототип ограничитель частоты вращения ветротурбины с  осью вращения, защищённый патентом SU 3203 А1, ошибочно поименованный, как « ветряной двигатель» [3]. В нём лопасти прикреплены к махам, свободно вращающимся во втулках (в патенте фиг. 1), выполняющих функцию подшипников, установленных на определённом расстоянии от оси ветротурбины в жёстко связанной с осью головке ветроагрегата. В периферийной части полости махов каждой лопасти ветротурбины размещен груз (в патенте фиг. 16, 17), который с помощью троса (или штанги) может поворачивать барабан, свободно насаженный на вал ветротурбины, оттягиваемый в обратную сторону пружинами, прикреплёнными с одной стороны к головке ветроагрегата и, следовательно, к оси ветротурбины, а с другой стороны к пальцам, отходящим от барабана.
При усилении ветра под действием центробежной силы груз преодолевает сопротивление пружины и поворачивает барабан. Барабан при этом через шарнирно-рычажное соединение (два диаметрально расположенных на барабане цилиндрических шарнира, V-образный рычаг и второй V-образный рычаг, связанный с махом через два диаметрально расположенных цилиндрических шарнира, установленных на махе на удалении от оси ветротурбины, превышающем расстояние от оси до подшипника) увеличивает угол установки лопасти, ограничивая тем самым частоту вращения ветротурбины. При этом рычаги, так как их взаимное перемещение при повороте барабана осуществляется в двух плоскостях, связаны между собой посредством сферического шарнира.
Так как в данном ограничителе второй рычаг поворота лопасти закреплён на махе на большом расстоянии от барабана, передача усилия между барабаном и рычагом осуществляется промежуточным рычагом достаточно больших размеров, работающим к тому же на изгиб. Это вынуждает связывать его с барабаном также с помощью двух смещённых относительно друг друга на некоторое расстояние цилиндрических шарниров. Всё это повышает габариты центральной части ограничителя частоты вращения, увеличивает число подвижных деталей и сочленений и в итоге негативно сказывается на надёжности и стоимости изделия. Кроме того поскольку плечо приложения силы, оказываемой на барабан со стороны груза, значительно меньше плеча приложения силы на рычаг поворота лопасти со стороны барабана для уверенного воздействия на лопасть требуется увеличенная масса груза. Всё это в совокупности снижает эксплуатационные свойства данного ограничителя частоты вращения.
Цель настоящего изобретения - повышение эксплуатационных свойств ограничителя частоты вращения ветротурбины.
Эта цель достигается за счёт того, что в ограничителе частоты вращения ветротурбины, содержащем размещённый в периферийной части полости каждой лопасти ветротурбины или маха лопасти груз, мах лопасти установлен с возможностью поворота в подшипниках, установленных на определённом расстоянии от вала ветротурбины в неподвижно насаженной на вал головке, при этом ось маха смещена относительно осевой линии вала ветротурбины, на котором установлен с возможностью поворота барабан, механически связанный с одной стороны с грузом, а с другой стороны через шарнирно-рычажное соединение - с махом, при этом барабан зафиксирован в положении, соответствующем оптимальному углу установки лопасти, упором, закреплённым на головке, и противодействующей пружиной, прикреплённой одним концом к головке, а другим концом к барабану, рычажно-шарнирное соединение включает связанные жёсткой тягой эксцентрично прикреплённый к торцу маха первый сферический шарнир и эксцентрично прикреплённый к торцу барабана второй сферический шарнир.
Схематично заявляемый ограничитель частоты вращения ветротурбины изображен на фигуре 1.
Он содержит размещённые в периферийной части полости 1 каждой лопасти 2 ветротурбины груз 3. При конкретном выполнении устройства из конструктивных соображений возможно размещение груза в полости маха 4, установленного с возможностью поворота в подшипнике 5. На чертеже изображён для каждой отдельной лопасти один конический подшипник скольжения, установленный на определённом расстоянии от вала 6 ветротурбины в неподвижно насаженной на вал головке 7. При конкретном выполнении устройства возможно применение двух разнесённых по радиусу подшипников самого различного типа (шариковых, роликовых, цилиндрических, конических, однорядных, двухрядных). Ось маха 4 смещена относительно осевой линии вала 6, на котором установлен с возможностью поворота барабан 8, механически связанный штангой 9 с грузом 3, а с другой стороны через шарнирно-рычажное соединение - с махом 4. Рычажно-шарнирное соединение включает связанные жёсткой тягой 10 эксцентрично закреплённые на торцах маха первый сферический шарнир 11 и барабана второй сферический шарнир 12.
Барабан зафиксирован в положении, при котором угол установки лопасти соответствует расчётному (оптимальному) углу установки, упором 13, закреплённым на головке, и противодействующей в данном конкретном исполнении спиральной пружиной 14, прикреплённой одним концом к головке ветроагрегата, а другим концом к барабану.
Работает ограничитель частоты вращения ветротурбины следующим образом. В исходном состоянии барабан 8 силой пружины 14 повёрнут в положение, изображённое на рисунке (против часовой стрелки до упора). Поскольку лопасти при этом повёрнуты на расчётный угол установки, при наличии ветра ветротурбина начинает вращаться. На грузы 3, действует при этом центробежная сила
F=mω
R
2
,
m
где  - масса грузов, кг;
n
ω = π/30 - угловая скорость вращения ветротурбины, рад/с;
n -
частота вращения, об/мин;
R
- расстояние от оси вращения ветротурбины до центра массы грузов, м.
При частоте вращения ниже расчётной эта сила недостаточна для преодоления силы сопротивления пружины, поэтому лопасти продолжают находиться в начальном (расчётном) положении. И как только частота вращения вследствие усиления ветра или сброса нагрузки на валу ветротурбины станет несколько превышать заданную величину грузы, преодолевая сопротивление пружины, начнут поворачивать барабан (на чертеже по часовой стрелке) и через него посредством тяг 10 поворачивать лопасти в сторону флюгерного положения. Поскольку оси поворота лопастей и барабана не параллельны, закреплённые на них шарниры применены именно сферического типа. Коэффициент использования мощности ветрового потока при повороте лопастей уменьшается, а нарастание частоты вращения ветротурбины с возрастанием скорости ветра существенно замедляется. Она будет поддерживаться практически неизменной тем точнее, чем жёстче статическая характеристика ограничителя. Уровень ограничения задаётся при изготовлении ветроагрегата или при переналадке в предпусковой период путём изменением силы нажатия пружины.
Таким образом, за счёт крепления шарниров 11 на торцах махов в области между подшипниками 5 и валом ветротурбины в непосредственной близости от расположенного на валу ветротурбины барабана 8 упрощается передача усилий от барабана к махам, уменьшаются габариты всей системы передачи усилий (барабан - шарниры - тяги), уменьшается количество шарниров (2 против 5 в прототипе). Тяги передачи усилий в заявляемом ограничителе частоты вращения работают не на изгиб, как рычаги в прототипе, а на растяжение и сжатие, что повышает их нагрузочную способность. Кроме того для обеспечения достаточного усилия на поворот лопастей требуется меньшая масса грузов. В этом и заключается полезный эффект предлагаемого изобретения.
Источники информации.
1. Агрегат ветроэлектрический унифицированный типа АВЭУ6-4М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: ВЕТРОЭН, 1986. - 34 с.
2. А.В. Бастрон, Н.В. Коровайкин, Л.П. Костюченко, Н.Б. Михеева, А.В. Чебодаев. Практикум по применению гидроветроэнергетических установок в сельском хозяйстве. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», Красноярск 2014, С. 18…21. [Элекотронный ресурс]. URL: http://www.kgau.ru/sveden/2017/energo/metod_350306_2.pdf
3. Патент SU 3203 А1. МПК F03D 7/02. Вертикальный ветряной двигатель / Уфимцев А..Г., заявитель и патентообладатель Уфимцев А.Г. Заявка №5229, опубл. 30.06.1927.