РЕГУЛЯТОР МОМЕНТА И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ВАЛА ВЕТРОТУРБИНЫ
WIND TURBINE TORQUE AND SPEED CONTROLLER

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при конструировании ветроагрегатов малой и средней мощности.
Известны ветроагрегаты с системой ограничения мощности и частоты вращения путем увода ветроколеса из под ветра [1. 2]. Однако используемые в них системы ограничения пригодны в основном для ветроагрегатов с многолопастными ветротурбинами.
Известен также центробежный регулятор угла поворота лопастей [3], выбранный за прототип, позволяющий при вращении лопастей регулировать их наклон к потоку с целью регулирования частоты вращения.
Недостатком известного устройства является то, что для обеспечения достаточной точности регулирования необходимо, чтобы центробежные силы грузов как минимум на порядок превосходили возможные силовые возмущения со стороны лопастей, вызванные неравномерностью аэродинамических нагрузок на противоположные стороны лопастей и трением в подшипниках. Это, в свою очередь, требует увеличенной массы грузов и радиуса их вращения, что в итоге сказывается на массе и габаритах регулятора в целом. Кроме того, регулятор не позволяет ограничивать момент ветротурбины.
Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении точности регулирования частоты вращения ветротурбины при минимальных размерах и массе регулятора, а также в расширении его функциональных возможностей.
Технический результат достигается за счет того, что в регуляторе момента и частоты вращения вала ветротурбины с лопастями, установленными с возможностью поворота на осях, размещенных на валу ветротурбины, установленном горизонтально в головке ветроагрегата, причем лопасти связаны кинематически с выходным валом регулятора, содержащего подвижно установленный на валу ветротурбины подпружиненный груз в роли датчика частоты вращения и кинематическую систему передачи перемещения подпружиненного груза на установленный соосно валу ветротурбины выходной вал регулятора, оси прикреплены к установленной на валу каретке, поворот которой ограничен первым упором на валу ветротурбины и упором на каретке, а между вторым упором на валу ветротурбины и упором на каретке установлена навитая на вал ветротурбины спиральная пружина, подпружиненный груз выполнен в форме подпружиненного фрикционного ролика, кинематически связанного с входной шестерней установленного на валу ветротурбины редуктора, выходная шестерня которого неподвижно закреплена на выходном валу регулятора, при этом фрикционный ролик размещен в пространстве между внешним и внутренним фрикционными кольцами, установленными на головке коаксиально валу ветротурбины в перпендикулярной его оси плоскости.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами (Фиг. 1 - для ветроагрегата с направлением ветра со стороны ветротурбины и Фиг. 2 - для ветроагрегата с направлением ветра со стороны гондолы).
Объектом регулирования является ветроагрегат с установленным горизонтально в головке 1 валом 2 ветротурбины. На валу 2 подвижно установлена каретка 3, ограниченная от поворота более чем на 360° имеющимся на ней упором 4 и первым упором 5 на валу 2. На каретке закреплены расходящиеся радиально перпендикулярно валу 2 оси 6 с установленными на них с возможностью поворота лопастями 7. Лопасти кинематически связаны с выходным валом 8 регулятора. В данном конкретном исполнении регулятора связь осуществлена через закрепленные на лопастях 7 конические шестерни 9 и шестерню 10, неподвижно установленную на выходном валу 8. Регулятор содержит установленный на валу 2 ветротурбины фрикционный ролик 11 с возможностью смещения в сторону оси вала, размещенный в пространстве между двумя прикрепленными к головке 1 соосно валу 2 фрикционными кольцами 12 (внутренним) и 13 (внешним). Ролик предварительно натянутой цилиндрической пружиной 14 смещен в сторону внутреннего кольца 12, кинематически связан с выходным валом 8 регулятора посредством вала 15, упругой муфты 16, шестерни 17, сдвоенной шестерни 18 и выходной шестерни 19 редуктора, закрепленного на валу 2. Причем выходная шестерня 19 жестко закреплена на выходном валу регулятора и имеет неподвижно связанный с ней кулачок 22, блокирующий соприкосновение фрикционного ролика 11 с внутренним фрикционным кольцом 12 в положении, когда угол установки уменьшается до номинального. Упор 4 каретки 3 плотно прижат к первому упору 5 вала 2 ветротурбины предварительно напряженной (закрученной) спиральной пружиной 20, установленной между упором каретки и вторым упором 21 вала ветротурбины.
Регулятор работает следующим образом.
При ориентации лопастей, как показано на рисунках (штриховой контур), ветротурбина вращается, если смотреть со стороны ветра, по часовой стрелке. Допустим, что в исходном состоянии частота вращения ветротурбины больше заданной частоты вращения. Фрикционный ролик 11, который играет роль датчика частоты вращения и одновременно исполнительного органа регулятора, преодолевает под действием центробежной силы сопротивление пружины 14, прижимается к внешнему фрикционному кольцу 13 и вращается против часовой стрелки (если смотреть со стороны ветра). При данном конкретном числе ступеней редуктора шестерня 19 и связанные с ней выходной вал 8 регулятора и шестерня 10 также вращаются против часовой стрелки. При этом лопасти, если смотреть на них с конца лопасти, будут поворачиваться по часовой стрелке. Угол установки, увеличиваясь, будет больше отходить от расчетного значения (оптимального) для данной конкретной конструкции лопастей. В результате частота вращения ветротурбины уменьшится и, когда она снизится до заданной величины, центробежная сила уменьшится, ролик под действием пружины 14 отойдет от соприкосновения с внешним кольцом 13. Вращение ролика и поворот лопасти прекратятся, угол установки останется на уровне, соответствующем данной скорости ветра. При этом самопроизвольное вращение ролика и, следовательно, самопроизвольное изменение угла установки лопастей под действием возмущающих сил заблокировано наличием трения в узлах редуктора, имеющего большое передаточное отношение, необходимое для создания достаточного момента для поворота лопастей при малых габаритах и весе ролика.
В случае уменьшения скорости ветра и вследствие этого некоторого отклонения частоты вращения ветротурбины от заданного значения в меньшую сторону, уменьшится и центробежная сила, действующая на ролик 11. Теперь она уже не будет уравновешивать силу, развиваемую пружиной 14. Поэтому фрикционный ролик 11, пружиной 14 прижмется к внутреннему фрикционному кольцу 12 и начнет вращаться теперь уже по часовой стрелке. Шестерня 19, выходной вал 8 регулятора и шестерня 10 также начнут вращаться по часовой стрелке. При этом лопасти, если смотреть на них с конца лопасти, будут поворачиваться против часовой стрелки, угол установки, уменьшаясь, будет приближаться к расчетному значению (оптимальному) для данной конкретной конструкции лопастей.
Если уменьшенная скорость ветра все же больше расчетной, частота вращения ветротурбины увеличится и, когда она вернется к заданному значению, ролик под действием центробежной силы преодолеет сопротивление пружины 14 и отойдет от соприкосновения с внутренним кольцом 12. Вращение ролика и поворот лопасти прекратятся, угол установки останется на достигнутом соответствующем уменьшенной скорости ветра уменьшенном значении, более приближенном к оптимальному значению.
Если же уменьшение скорости ветра произошло до величины меньше расчетной, то уменьшение угла установки лопастей будет происходить вплоть до оптимального значения. Дальнейшее его уменьшение нецелесообразно, так как будет приводить не улучшению, а к ухудшению характеристик ветротурбины, в первую очередь, к уменьшению коэффициента использования энергии ветра. Поэтому, как только угол установки лопастей достиг расчетного значения, установленный на шестерне 19, а следовательно, и на выходном валу 8 регулятора кулачок 22, поворачиваясь также по часовой стрелке, отжимает ролик от внутреннего кольца 12, чем и предотвращает дальнейшее уменьшение угла установки лопастей. В этом случае частота вращения ветротурбины не сможет полностью восстановиться. Она будет меньше расчетной до тех пор, пока скорость ветра не достигнет или не превысит расчетную для данной ветротурбины скорость ветра. При этом поддержание частоты вращения на заданном уровне, определяемом весом ролика, радиусом его вращения и силой натяжения пружины 14, будет осуществляться описанным выше способом.
Однако и при расчетной частоте вращения ветротурбины момент сопротивления вала 2, уравновешиваемый моментом, развиваемым ветротурбиной и обусловленный перегрузкой подсоединенного к валу 2 механического или электромеханического устройства (например, генератора, работающего параллельно с электрической сетью), может превысить допустимую величину. В этом случае каретка 3 преодолеет сопротивление предварительно напряженной пружины 20, повернется по отношению к валу 2 и размещенной на нем шестерни 10 на некоторый угол по часовой стрелке. Это приведет, в свою очередь, к повороту лопастей в сторону увеличения угла их установки. Мощность, развиваемая ветротурбиной, уменьшится, нарастание момента прекратится.
Таким образом, благодаря большому передаточному отношению от ролика к лопастям ветроагрегата, на последние будет воздействовать регулирующий момент, во много раз превышающий возмущающие моменты, действующие на них от неравномерных по ширине лопастей ветровых нагрузок. За счет этого повышается точность регулирования при минимальных в то же время размерах и массе регулятора. А за счет того, что регулятору придана способность ограничивать развиваемый ветротурбиной момент, расширены его функциональные возможности.
Все это в совокупности и составляет положительный эффект предлагаемого изобретения.
Источники информации
1. Патент RU №2430265 С2; F03D 1/00, F03D 7/02; Опубликовано 27.09.2011.
2. Патент RU №2535194 С2; F03D 1/00; Опубликовано 10.12.2014.
3. Патент RU №2220321 C1; F03D 7/04; Опубликовано 27.12.2003.