МЕХАНИЗМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ
MECHANISM TO CONTROL VERTICAL SHAFT WINDMILL ROTOR RPM

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для привода в движение рабочих органов электрогенераторов и других механизмов, где требуется стабильная частота вращения.
Известно, что мощностной (энергетической) характеристикой ветроагрегата называется размерная зависимость мощности, развиваемой на валу ветродвигателя от скорости ветра незаторможенного потока перед ним. Ветродвигатель под действием силы ветра начинает свое вращение без нагрузки с некоторого минимального значения скорости ветра (скорость страгивания с места). Обычно эта скорость составляет 2,5…5 м/с. При достижении скорости потока, равной расчетной скорости ветра, ветродвигатель развивает номинальную мощность. Номинальная мощность - это максимальное значение выходной мощности, на которую рассчитан ветроагрегат в длительном режиме работы. Обычно, в этом диапазоне скоростей ветра, регулирование ветродвигателя, кроме момента пуска, не происходит.В диапазоне скоростей от расчетной до максимальной вступает в действие система регулирования. Максимальная рабочая скорость ветра - это скорость ветра, при которой расчетная прочность ветроагрегата позволяет ему работать (производить электроэнергию) без повреждений. Если регулирование осуществляется поворотом лопасти, то можно удерживать мощность ветродвигателя в этом диапазоне ветра, близкой к постоянной. При достижении максимальной рабочей скорости ветра (обычно 25…30 м/с) ветродвигатель останавливают во избежание поломок и выводят из-под ветра, например, ставя его лопасти во флюгерное положение, т.е. включают в работу устройства ограничения частоты вращения ротора, уменьшающие парусность лопастей ротора.
Так, например, известно устройство для ограничения частоты вращения ветроколеса (http://www.domouprav.ru/krylchatye-vetrodvigateli.html/5). Устройство имеет систему, при которой все ветроколесо выводится из-под ветра путем поворота головки ветроколеса в горизонтальное положение, что осуществить конструктивно весьма сложно.
По конструктивным признакам наиболее близко к предлагаемому изобретению техническое решение по патенту RU №2364748, F03D 3/00 «Способ управления частотой вращения ветродвигателя с вертикальной осью и ветродвигатель для его осуществления».
Данный ветродвигатель содержит опору со ступицей. На ступице смонтирован ротор, состоящий из четырех траверс. Каждая траверса выполнена как пантограф и состоит из двух штанг с зубчатым сектором и одной консолью. На каждой консоли с возможностью свободного вращения на оси смонтирована вертикальная лопасть, которую можно провернуть вокруг оси при помощи исполнительного механизма с электроприводом. Соосно ступице, с возможностью перемещения вверх-вниз, расположен противовес, на котором жестко смонтированы зубчатые рейки, каждая из которых входит в зацепление с одним зубчатым сектором одной из штанг. Под воздействием ветра ротор вращается. При этом за счет центробежной и подъемной силы на аэродинамической лопасти штанги поворачиваются в вертикальной плоскости, при этом лопасти изменяют свое положение относительно центра вращения ротора в сторону увеличения радиуса вращения. То есть, в зависимости от силы ветра, лопасти ротора то плоскопараллельно поднимаются вверх, одновременно отдаляясь от оси вращения ступицы, то опускаются вниз, прижимаясь к ней. В свою очередь, каждая лопасть, по сигналу от датчика измерения скорости ветра, вращается вокруг своей оси, меняя угол атаки на оптимальный угол.
Недостаток приведенной конструкции заключается в сложности механизма регулировки частоты вращения, при котором лопасти отдаляются или приближаются к ступице, совершая движения по сложной траектории. Особо следует отметить, что при этом суммарная площадь лопастей, подверженная воздействию воздушного потока, при этом не уменьшается, т.е. риск поломки ветрогенератора при ураганных ветрах остается обоснованным.
Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение механизма управления частотой вращения ротора ветродвигателя, а также уменьшение в экстремальных случаях площади лопастей, подверженной воздействию ветра.
Для достижения данной цели механизм управления частотой вращения ротора ветродвигателя (механизм) выполнен таким образом, что лопасти ротора по сигналу датчика измерения скорости ветра принудительно раздвигаются и сдвигаются от центра опоры вращения в горизонтальной плоскости, перемещаясь по направляющим. При этом перемещение лопастей в противоположные стороны осуществляется посредством закрепленных на лопастях зубчатых реек, кинематически связанных с шестерней выходного вала привода: мотора-редуктора. Сигнал на мотор поступает от датчика измерения скорости ветра. Такое техническое решение при критических (буревых) ветрах позволит установить лопасти к направлению ветра так, что они будут перекрывать друг друга, тем самым уменьшая парусность. Соответственно, уменьшается и длина рычага, равная расстоянию от центральной опоры вращения до центра лопасти; падает скорость вращения ротора, уменьшается риск выхода из строя ветродвигателя.
Таким образом, механизм регулирования частоты вращения ротора ветродвигателя с вертикальной осью, содержащий вертикальную опору со ступицей, лопасти, мотор-редуктор, датчик измерения скорости ветра, зубчатые рейки, отличается тем, что ступица выполнена в виде спаренной шестерни, лопасти ротора снабжены роликами и имеют возможность передвигаться вдоль направляющих, закрепленных на вертикальной опоре, а спаренная шестерня входит в зацепление одновременно с зубчатыми рейками, закрепленными на лопастях, и с шестерней вала мотора-редуктора.
Конструкция механизма регулирования частоты вращения приведена на чертежах.
На Фиг.1 приведен вид ветродвигателя в профильной плоскости.
На Фиг.2 приведен вид ветродвигателя во фронтальной плоскости.
На Фиг.3 приведен вид ветродвигателя в аксонометрии.
Ротор ветродвигателя состоит из секций. Каждая секция включает ротор 1 (см. Фиг.3), установленный на вертикальной опоре 2. Ротор включает две вертикально установленные вогнутые лопасти 3, которые имеют возможность синхронно передвигаться в противоположные стороны по направляющим 4, опираясь на ролики 5. Ролики установлены на кронштейнах 6, закрепленных на лопастях 3. Направляющие закреплены на опоре 2. Лопасти снабжены зубчатыми рейками 7, кинематически связанными со спаренной шестерней 8, и одинарной шестерней 9, закрепленных на опоре 2 вверху и внизу. Спаренная шестерня 8 входит в зацепление с шестерней 10, установленной на валу 11 мотора-редуктора 12, закрепленного на кронштейне 13. Внутри стойки 2 размещена ось 14, снабженная фланцами 15. Установив идентичные секции друг на друга (соединив их фланцами 15) и сориентировав лопасти каждой секции под разным углом к направлению ветра, можно собирать ветродвигатели различной мощности.
Механизм регулирования частоты вращения ветродвигателя работает следующим образом:
При увеличении или уменьшении скорости ветра сигнал от датчика измерения скорости ветра поступает на мотор-редуктор 12. При вращении вала 11 мотора-редуктора 12 по часовой или против часовой стрелки шестерня 10, зубья которой через спаренную шестерню 8 находятся в зацеплении с зубчатыми рейками 7, раздвигает или сдвигает связанные с рейками лопасти 3. При этом лопасти 3 передвигаются на роликах 5 по направляющим 4 в противоположные стороны, изменяя расстояние от вертикальной опоры 2 до лопастей, тем самым уменьшая или увеличивая длину рычагов воздействия и регулируя скорость вращения ротора 1.