СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ И ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROL OF WIND-POWERED ENGINE ROTOR ROTATION FREQUENCY WITH VERTICAL AXIS AND WIND-POWERED ENGINE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для привода в движение рабочих органов электрогенераторов и других механизмов, когда требуется постоянная частота вращения.
Известны ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, в которых в качестве рабочего органа применяются пропеллеры. В этих ветродвигателях для управления частотой вращения ротора изменяют угол атаки лопасти. При отклонении лопасти от рабочего угла атаки в ту или иную сторону снижается КПД.
Известны ветродвигатели с вертикальной осью вращения, они имеют преимущество перед ветродвигателями с горизонтальной осью вращения, так как не требуют установки на ветер. В таких двигателях используется подъемная сила крыльев, неподвижно закрепленных на роторе, для создания на валу ротора крутящего момента. Это, так называемые, ветродвигатели системы Дарье. Основным недостатком таких двигателей является необходимость в принудительной стартовой раскрутке ротора, после чего ротор начинает сам отдавать энергию. Это связано с тем, что на неподвижно установленных на роторе крыльях рабочий угол атаки реализуется, когда линейная скорость крыльев больше скорости ветра, а скорость ветра более 10 м/с.
Известен ветродвигатель, который относится к ветродвигателям системы Дарье с вертикальной осью вращения, разработанный ООО «ГРЦ-Вертикаль», в котором ограничение частоты вращения ротора при увеличении скорости ветра стабилизируется за счет аэродинамических тормозов, т.е. за счет уменьшения КПД. Самозапуск гарантирован при ветре от 3,5 метров в секунду, т.е. эксплуатация ветродвигателя районах, где среднегодовая скорость ветра не более 3,5 метров в секунду, экономически не оправдана. Известно, что отбор мощности подобных ветродвигателей начинается при скорости ветра около 5 метров в секунду, а номинальная мощность достигается при скорости 14…16 метров в секунду. Кроме этого, крылья, установленные неподвижно на роторе и настроенные на угол атаки применительно к скорости ветра 3,5 метров в секунду, при большей скорости ветра работают на неоптимальных углах в низким КПД.
Известны ветродвигатели, в которых крыло самоустанавливается на угол атаки и тем самым обладает низким значением момента самозапуска (см. патент №2141059). В этом ветродвигателе крыло снабжено закрылком, и принцип самоустановки угла атаки основан на использовании разницы в расположении центров динамического давления потока на симметрично выпуклом профиле крыла и симметрично вогнутом профиле закрылка. Однако в данном ветродвигателе невозможно получить постоянные обороты ротора, а закрылок после установки угла атаки, выполнив свое назначение, становится аэродинамическим тормозом.
Известен ветродвигатель (см. патент №2070658), в котором решена задача ограничения частоты вращения ротора при увеличении скорости ветра за счет уменьшения угла атаки. По существу поворот лопастей осуществляется за счет центробежных сил, при этом изгибаются предварительно нагруженные упруго-гибкие несущие траверсы, на которых установлена каждая лопасть и которые обратно разворачивают лопасть до неподвижного упора на угол атаки при уменьшении скорости ветра. Недостатком данного ветродвигателя является то, что ограничение числа оборотов решается за счет уменьшения угла атаки, т.е. за счет уменьшения КПД, и отсутствуют условия самозапуска, поскольку наличие неподвижного упора, ограниченность угла изгиба упруго-гибких несущих траверс не позволяет получить рабочий угол атаки в стартовом режиме, кроме этого, наличие упруго-гибких элементов при воздействии на них переменной силы с периодом равным частоте вращения ротора способствует возникновению автоколебаний.
Известен также, более близкий к заявляемому, ветродвигатель (см. патент №2235901), в котором каждая лопасть свободно поворачивается в секторе с углом до 60 градусов, ограниченном неподвижными упорами (наружными и внутренними по отношению к центру поворота лопасти относительно к оси вращения ротора). Ось углового перемещения лопасти смещена относительно центра тяжести лопасти в сторону носка лопасти, а фокус находится между ними. Роль регулятора текущего положения лопасти по отношению к набегающему потоку на стороне ротора, обращенной к ветру, выполняет взаимодействие моментов сил аэродинамических и центробежной, тогда как на стороне ротора, обращенной от ветра, как заявляют сами авторы, нет условий для реализации указанного способа регулирования положения лопасти относительно потока. В этом положении лопасти моменты аэродинамических и центрооежной сил не уравновешиваются взаимно и лопасть, прижатая к упору, получает закритический угол атаки, тем не менее, как утверждают сами авторы, направление моментов аэродинамических сил остается положительным, и не противодействует вращению ротора. Данный ветродвигатель обладает способностью самозапуска, но нет условий для управления частотой вращения ротора. Однако, несмотря на то, что на стороне ротора, обращенной от ветра, направление моментов аэродинамических сил остается положительным, величина их меньше, чем на стороне ротора, обращенной к ветру, значит и линейная скорость лопастей должна быть меньше, а так как скорости всех лопастей, установленных на общем роторе, одномоментно одинаковые, то лопасти на стороне ротора, обращенной от ветра, являются аэродинамическим тормозом. Кроме этого от величины смещения центра тяжести и фокуса от оси вращения лопасти зависит взаимодействие моментов сил аэродинамических и центрооежной, а так как центр фокуса смещается при увеличении скорости движения лопасти в потоке, то взаимодействие моментов сил аэродинамических и центробежной будет изменяться с изменением оборотов ротора. Центр тяжести лопасти на стороне ротора, обращенной к ветру, и центр тяжести лопасти на другой стороне не уравновешены относительно центра вращения ротора, поэтому ротор данного ветродвигателя динамически не сбалансирован.
Каждый из перечисленных выше известных ветродвигателей обладает каким-либо из перечисленных ниже недостатков:
1) необходимость в принудительной раскрутке ротора;
2) наличие элементов, которые после выполнения своей функции становятся аэродинамическим тормозом;
3) отсутствие регулятора оборотов ротора;
4) ограничение оборотов ротора решается за счет уменьшения КПД;
5) уход лопасти на отрицательный угол атаки;
6) ограничение минимальной скорости ветра до 3,5 м/с;
7) при определенных режимах возникает динамическая разбалансировка ротора;
8) отсутствие буревой защиты.
Все это не позволяет максимально использовать энергию ветропотока, управлять частотой вращения ротора ветродвигателя без уменьшения КПД.
Целью данного изобретения является разработка способа и устройства, позволяющих создавать ветродвигатель с самоустановкой угла атаки, способный к самозапуску при скорости ветра от 1,5 м/с, способный сохранять заданные обороты без потери энергии в широком диапазоне скоростей ветра, ветродвигатель с буревой защитой.
В способе указанный технический результат достигается тем, что смонтированное на роторе крыло ветродвигателя в исходной позиции устанавливают в стартовое положение, с углом атаки достаточным для начала движения при скорости ветра от 1,5 м/с, при увеличении скорости ветра крыло перемещают от центра ротора, и на стороне, обращенной к ветру, и на тыльной стороне при увеличении линейной скорости движения крыла обеспечивают рабочий угол атаки крыла и поддерживают заданную частоту вращения ротора, поворачивая крыло, при уменьшении скорости ветра крыло перемещают к центру ротора и при уменьшении линейной скорости движения крыла обеспечивают рабочий угол атаки крыла и поддерживают заданную частоту вращения ротора, поворачивая крыло, на участках траектории, где крыло движется против ветра или по ветру устанавливают крыло во флюгерное положение, при превышении скорости ветра выше критической (буревой) устанавливают крыло во флюгерное положение и максимально перемещают его к центру ротора.
Ветродвигатель с управляемой частотой вращения ротора содержит неподвижную вертикальную опору, на которой с возможностью вращения установлена ступица, имеющая кинематическую связь с электрогенератором, установленном на опоре, на ступице смонтирован ротор, состоящий из траверс, выполненных в виде пантографа, состоящего, как минимум, из двух параллельных штанг, одними концами шарнирно смонтированных на ступице с возможностью поворота в вертикальной плоскости, на других концах штанг шарнирно установлены консоли, на которых смонтированы крылья с самоустановкой угла атаки, каждое имеет возможность ограниченного поворота вокруг вертикальных осей и содержит жестко установленный копир, выполненный в виде расположенной соосно оси крыла шайбы с V-образным профильным вырезом, с которым взаимодействует подпружиненный рычаг, шарнирно установленный на одной из штанг ротора. Центр тяжести каждого крыла находится на оси вращения крыла, а ось вращения смещена относительно фокуса к передней кромке. Одна из штанг каждой траверсы содержит зубчатый сектор, а 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, изменение угла атаки происходит при повороте траверсы в вертикальной плоскости, при этом рычаг, установленный на ней, перемещается относительно V-образного профильного выреза и тем самым изменяется сектор свободного поворота крыла. На каждой консоли жестко установлено аэродинамическое крыло, на котором при вращении ротора возникает вертикальная подъемная сила. На каждой консоли жестко установлена тормозная колодка, а на опоре смонтирован тормозной механизм в виде подвижной шайбы, взаимодействующей с тормозными колодками. Соосно ступице размещен пневматический демпфер, подвижная часть которого жестко связана с противовесом, на каждой консоли установлен исполнительный механизм, взаимодействующий с рычагом.
Это позволяет крылу ветродвигателя самоустанавливаться на угол атаки, что способствует самозапуску ротора при скорости ветра от 1,5 метров в секунду и сохранять заданные обороты в автоматическом режиме при изменении скорости ветра без потери энергии. Позволяет устанавливать ротор и крылья в буревое положение с целью исключения разрушения или повреждения ветродвигателя при буревом ветре.
На фиг.1 и 2 изображен ветродвигатель в положении максимальной скорости ветра.
На фиг.3 и 4 изображен ветродвигатель в положении минимальной скорости ветра.
На фиг.5 изображена в разрезе центральная часть ротора и ротор в положении, когда скорость ветра выше максимальной.
На фиг.6 изображен ветродвигатель в стартовом положении.
На фиг.7 и 8 изображены детали ветродвигателя в положениях, при котором задается угол атаки крыла на стороне, обращенной к ветру, и на тыльной стороне при наименьшей скорости ветра.
На фиг.9 и 10 то же, при наибольшей скорости ветра.
На фиг.11 вид на крыло по стрелке «А» (см. фиг.1).
На фиг.12 и 13 изображены схемы, поясняющие способ установки угла атаки крыла.
Способ управления частотой вращения ротора ветродвигателя с вертикальной осью осуществляется следующим образом: крыло устанавливают на роторе в стартовое положение, угол установки которого соответствует углу атаки в движении при скорости ветра 1,5 метра в секунду, ротор получает вращение, при увеличении скорости ветра крыло перемещают от центра ротора, и на стороне, обращенной к ветру, и на тыльной стороне при увеличении линейной скорости движения крыла обеспечивают рабочий угол атаки крыла и поддерживают заданную частоту вращения ротора, поворачивая крыло, при уменьшении скорости ветра крыло перемещают к центру ротора и при уменьшении линейной скорости движения крыла обеспечивают рабочий угол атаки крыла и поддерживают заданную частоту вращения ротора, поворачивая крыло, на участках траектории, где крыло движется против ветра или по ветру устанавливают крыло во флюгерное положение, при превышении скорости ветра выше критической (буревой) устанавливают крыло во флюгерное положение и максимально перемещают его к центру ротора.
Ветродвигатель (фиг.1-6) содержит неподвижную вертикальную опору 1, на которой с возможностью вращения установлена ступица 2, имеющая кинематическую связь с электрогенератором 3, установленным на опоре 1. На ступице 2 смонтирован ротор, состоящий, например, из четырех траверс 4, каждая выполнена как пантограф и состоит, как минимум, из двух штанг 5 и 6. Каждая штанга 5 представляет собой двуплечий рычаг, ось вращения которой расположена на ступице 2, периферийный конец штанги 5 шарнирно соединен с консолью 7, на противоположном конце штанги 5 жестко закреплен зубчатый сектор 8. Каждая штанга 6 периферийным концом шарнирно соединена с консолью 7, противоположный конец штанги 6 шарнирно соединен со ступицей 2. Длина каждой штанги 5 и 6 от шарнирного соединения с консолью 7 до шарнирного соединения со ступицей 2 одинакова. Таким образом, при неподвижной ступице 2, при воздействии на консоль 7 она перемещается плоскопараллельно по дуге, радиус которой равен длине штанги 5, или 6. На каждой консоли 7 с возможностью свободного вращения на оси 9 смонтированы крылья 10, каждое из которых состоит, например, из двух частей. Центр тяжести крыла 10 находится на оси вращения 9, а ось вращения 9 смещена к передней кромке крыла 10 от центра динамического давления, фокуса крыла. На каждом крыле 10 жестко установлен копир 11, выполненный в виде расположенной соосно оси 9 шайбы, имеющей плоскую часть с V-образным профильным вырезом 12. Соосно ступице 2 с возможностью перемещения вверх - вниз в пределах, ограниченном упорами 13, расположен противовес 14, на котором жестко смонтированы четыре зубчатые рейки 15, каждая из которых входит в зацепление с одним зубчатым сектором 8. Таким образом, при неподвижной ступице 2, при воздействии на любую консоль 7, она перемещается плоскопараллельно в вертикальной плоскости по дуге, радиус которой равен длине штанги 5 или 6, при этом другие консоли 7 также перемещаются плоскопараллельно в вертикальной плоскости по дуге, радиус которой равен длине штанги 5 или 6. На периферийном конце каждой штанги 6 шарнирно смонтирован подпружиненный сервопружиной 16 рычаг 17 свободный конец которого взаимодействует с копиром 11, причем, если рычаг 17 взаимодействует с плоской частью копира 11, угол поворота крыла 10 не ограничивается, если рычаг 17 взаимодействует с профильным вырезом 12, поворот крыла 10 ограничен шириной выреза 12. Рычаг 17 также взаимодействует с рабочим органом установленного на консоли 7 исполнительного механизма 18 с электроприводом. Исполнительный механизм 18 имеет два фиксированных положения, переключение из одного положения в другое происходит при кратковременной подаче напряжения. В первом положении его рабочий орган не противодействует движению рычага 17, во втором положении его рабочий орган воздействует на рычаг 17 и выводит его из взаимодействия с копиром 11, при этом преодолевается усилие сервопружины 16. Переключение исполнительного механизма 18 производится оператором, либо автоматически, в первое положение при автоматическом самозапуске при скорости ветра от 1,5 м/с, во второе положение при буревой скорости ветра. На каждой консоли 7 жестко установлено аэродинамическое крыло 19, на котором при вращении ротора возникает вертикальная подъемная сила, и тормозная колодка 20. На ступице 2 установлен пневматический демпфер 21, подвижная часть, поршень 22, которого жестко связана с противовесом 14. Ротор со всеми элементами, смонтированными на нем, и противовес 14 с рейками 15 и поршнем 22 сбалансированы так, что ротор перевешивает. На опоре 1 установлен тормозной механизм 23, выполненный в виде подвижной вверх - вниз шайбы, взаимодействующей с тормозными колодками 20, который приводится в действие дистанционно электрическим приводом.
Заявляемый ветродвигатель работает следующим образом. Ротор может занимать два фиксированных положения.
Первое фиксированное положение (см. фиг.6) - противовес 14 взаимодействует с верхним упором 13, исполнительный механизм 18 находится в первом положении, тормозные колодки 20 не удерживаются тормозным механизмом 23, крылья 10 находятся на минимальном расстоянии от центра вращения ротора. Это положение является стартовым.
Второе фиксированное положение - противовес 14 взаимодействует с верхним упором 13, исполнительный механизм 18 находится во втором положении, тормозные колодки 20 удерживаются тормозным механизмом 23, крылья 10 находятся на минимальном расстоянии от центра вращения ротора. В этом положении ротор ветродвигателя должен находиться при скорости ветра выше максимально допустимой (буревое положение), при этом крылья 10 самоустанавливаются во флюгерное положение, а ротор заторможен.
Угол атаки крыла 10 при движении задается положением свободного конца рычага 17 относительно профильного выреза 12 копира 11 (см. фиг.7-10, 12, 13). Положение свободного конца рычага 17 зависит от радиуса вращения крыла 10. В заявляемом ветродвигателе предполагается, что самозапуск ротора должен начинаться при скорости ветра от 1,5 метров в секунду, при этом крыло 10 первоначально находится в состоянии покоя и на наименьшем радиусе от центра вращения. Для создания условий самозапуска необходимо поставить крыло 10 на такой угол установки, который обеспечил бы рабочий угол атаки при начале движения, максимально приближенный к такому углу атаки, при котором происходит безотрывное обтекание. Кроме этого, для создания условий самозапуска, а также для создания условий эффективного вращения ротора 10 от стартовых оборотов до максимально возможных необходимо обеспечить наилучший угол атаки как на стороне траектории крыла 10, обращенной к ветру, так и на тыльной стороне траектории крыла 10. На участках траектории, где крыло 10 движется против ветра и по ветру сложно установить крыло 10 на угол атаки по причине скоротечности этого процесса и невыгодного положения самого крыла 10 относительно воздушного потока. На этих участках предпочтительнее создавать крылу 10 условия для самоустановки во флюгерное положение, при котором крыло 10 в движении создает наименьшее сопротивление. Условия самозапуска при скорости ветра от 1,5 метров в секунду обеспечиваются тем, что каждое крыло 10 имеет возможность самоустановиться на угол атаки при повороте за счет действия динамических сил, центр действия которых смещен относительно оси 9. При указанной скорости ветра и собственной скорости, равной, например, скорости ветра как на стороне, обращенной к ветру, так и на тыльной стороне траектории крыла 10 при взаимодействии рычага 17 и профильного выреза 12 копира 11 крыло 10 получает рабочий угол атаки.
Для начала работы ротор устанавливают в стартовое положение. Поскольку ось 9 вращения каждого крыла 10 смещена относительно фокуса, крылья 10 самопроизвольно поворачиваются пока профильный вырез 12 копира 11 хотя бы одного крыла 10 не войдет во взаимодействие со свободным концом подпружиненного рычага 17, при этом одно крыло 10 получает ограничение по углу поворота, получает стартовый угол атаки и ротор выходит из состояния покоя. За один оборот ротора каждое крыло 10 самопроизвольно поворачивается и каждый рычаг 17 займет положение, когда его свободный конец войдет в зацепление с профильным вырезом 12 копира 11, после этого каждое крыло 10 получит стартовый угол атаки (см. фиг12). Ротор начинает вращение. За счет центробежной силы и подъемной силы на аэродинамическом крыле 19 штанги 5 и 6 поворачиваются в вертикальной плоскости, при этом крылья 10 изменяют свое положение относительно центра вращения ротора в сторону увеличения радиуса вращения. При повороте штанги 6 поворачивается рычаг 17, его свободный конец перемещается относительно профильного выреза 12 по направлению к центру оси 9. Если скорость ветра не превышает максимально допустимого значения, крыло 10 движется со скоростью превышающей скорость ветра, наступает равновесие сил динамического воздействия ветра и сил сопротивления, при этом угол атаки каждого крыла 10 зависит от радиуса вращения и задается положением свободного конца рычага 17 относительно профильного выреза 12 (см. фиг.13). При превышении скорости ветра выше критической увеличивается скорость вращения ротора, увеличивается центробежная сила и подъемная сила на аэродинамическом крыле 19. Штанги 5 и 6 поворачиваются в вертикальной плоскости на максимально возможный угол, при этом линия действия сервопружины 16 переходит ось вращения рычага 17, который скачком поворачивается, и выходит из зацепления с профильным вырезом 12. Крылья 10 занимают флюгерное положение, штанги 5 и 6 с крыльями 10 опускаются в вертикальной плоскости, ротор останавливается и занимает второе фиксированное положение.
Это позволяет крылу ветродвигателя самоустанавливаться на угол атаки, что способствует самозапуску ротора при скорости ветра от 1,5 метров в секунду и сохранению заданных оборотов в автоматическом режиме при изменении скорости ветра без потери энергии. Позволяет устанавливать ротор и крылья в буревое положение.