ВЕТРОАГРЕГАТ С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ ВЕТРОТУРБИНЫ И ОГРАНИЧЕНИЕМ МОЩНОСТИ
WIND-DRIVEN UNIT WITH HORIZONTAL ROTATION AXIS OF WIND TURBINE AND POWER LIMITATION

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для энергоснабжения бытовых и производственных потребителей энергии.
Известны ветроэнергетические агрегаты с горизонтальной осью вращения ветротурбины, нагруженной на какой-либо потребитель механической энергии. (например, ветряная мельница конструкции ВИМ, Е.М.Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. Государственное издательство сельскохозяйственной литературы. Москва - 1957. стр.447, рис.333). Их общим недостатком является резкое повышение мощности при увеличении скорости ветра сверх установленной величины, что приводит к выходу из строя элементов как ветроагрегата, так и приемника.
От указанного недостатка свободен ветроэнергетический агрегат, принятый за прототип (Е.М.Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. Государственное издательство сельскохозяйственной литературы. Москва - 1957. стр.166, рис.108, рис.156, ветродвигатель ТВ-8). В данном ветроагрегате при увеличении скорости ветра сверх установленной величины ветротурбина выводится из под ветра с помощью жестко связанной с головкой ветроагрегата боковой лопаты. При этом нарастание мощности, частоты вращения и момента прекращается.
Недостатком данного устройства является то, что боковая лопата действует непосредственно на головку массивной быстро вращающейся ветротурбины, что требует применения громоздкой боковой лопаты, по размерам сопоставимой с размерами ветротурбины, а быстрый поворот плоскости ветротурбины под действием такой лопаты вызывает опасные для целостности ветроагрегата гироскопические моменты.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка.
Технический результат достигается в ветроагрегате с горизонтальной осью вращения ветротурбины и ограничением мощности, имеющим опору ветроагрегата, боковую лопату и силовой противодействующий механизм с точками приложения силы между головкой ветроагрегата и устройством, реагирующим на направление ветра, насаженным на вертикальную ось в головке с возможностью поворота не менее чем на 90°, в котором согласно изобретению в качестве устройства, реагирующего на направление ветра, использована виндроза, головка которой жестко связана с боковой лопатой, перпендикулярной плоскости виндрозы, а ось виндрозы связана механической передачей с цевочной шестерней на опоре посредством вала, проходящего соосно через вертикальную ось в головке, при этом ось в головке выполнена полой.
Работа заявляемого устройства поясняется кинематической схемой, изображенной на фиг.1(вид сбоку) и фиг.2 (вид сверху).
Ветроагрегат состоит из ветротурбины 1 с горизонтальной осью 2 в головке ветроагрегата 3, насаженной с возможностью поворота на 360° на вертикальную ось 4 опоры 5. Верхняя часть опоры снабжена жестко связанной с опорой цевочной шестерней 6, соосной с осью опоры 4. Цевочная шестерня 6 находится в зацеплении с ведущей шестерней 7, кинематически связанной через вал 8, пару конических шестерен 9 и 10 с горизонтальной осью 11 виндрозы 12. При этом вал 8 соосно пропущен через выполненную полой вертикальную ось 13 головки 3 ветроагрегата. Горизонтальная ось 11 установлена в насаженной на полую вертикальную ось 13 с возможностью поворота не менее чем на 90° головке 14 виндрозы. К головке 14 неподвижно прикреплена боковая лопата 15, направление которой совпадает с направлением оси 11 виндрозы. Боковая лопата под действием силового противодействующего механизма, в качестве которого в данном варианте исполнения устройства использована пружина 17 с точками приложения силы между головкой виндрозы и головкой ветроагрегата, прижата с силой F к скрепленному с головкой 3 ветроагрегата упору 16. При этом лопата находится в положении, перпендикулярном оси ветротурбины, а плоскость крыльчатки виндрозы перпендикулярна плоскости ветротурбины.
Работает заявляемое устройство следующим образом.
Если скорость ветра не превышает установленную для данного агрегата величину, механизм ориентации ветротурбины с помощью виндрозы работает обычным образом, т. е. при отклонении направления ветра от направления, перпендикулярного плоскости ветротурбины, воздушный поток, набегая на плоскость крыльчатки виндрозы с той или другой стороны, приводит ее во вращение в том или ином направлении. За счет механической передачи через звенья редуктора (звенья 7…11) это приводит к повороту головки 3 ветроагрегата в сторону ветра до тех пор, пока плоскость крыльчатки 12 виндрозы не установится вдоль направления ветра и ее вращение прекратится. Таким образом, плоскость крыльчатки виндрозы всегда будет стремиться установиться вдоль направления ветра, а плоскость ветротурбины при этом будет перпендикулярна направлению ветра.
Т
Т
Л
Л
γ
При увеличении скорости ветра сверх установленной величины боковая лопата под действием напора набегающего на нее потока воздуха, преодолевая сопротивление пружины, повернется на угол γ, тем больший, чем больше скорость ветра. На этот же угол по отношению к направлению ветра и плоскости ветротурбины повернется и плоскость крыльчатки виндрозы, которая начнет вращаться и установится в конечном итоге опять параллельно направлению ветра. При этом на угол γ по отношению к направлению ветра будет повернута теперь ось ветротурбины, что скомпенсирует влияние повышенной скорости ветра на развиваемую ветротурбиной мощность. Для того чтобы мощность при всех скоростях ветра выше установленной величины оставалась на постоянном установленном уровне, необходимо, чтобы закон изменения угла поворота ветротурбины от скорости ветра при условии постоянства развиваемой ветротурбиной мощности (γ=f(V) при Р - const), совпадал с законом изменения угла поворота боковой лопаты от скорости ветра (γ=f(V)). Первый из них для каждого типа ветротурбины может быть рассчитан теоретически или снят экспериментально, а второй легко может быть реализован за счет применения пружины переменной жесткости или изменения с изменением γ радиуса r приложения силы пружины. Для этого сила натяжения пружины должна быть приложена к головке 14 виндрозы через гибкую связь 18.
Таким образом, поскольку боковая лопата действует на крыльчатку виндрозы, размеры которой более чем на порядок меньше размеров ветротурбины, а скорость ее вращения также значительно меньше скорости вращения ветротурбины, гироскопические моменты, действующие на крыльчатку виндрозы, незначительны и не опасны для целостности элементов ветроагрегата. Кроме того, и необходимый размер боковой лопаты также более чем в 10 раз меньше размеров боковой лопаты в устройстве, принятом за прототип, а поворот ветротурбины осуществляется плавно без рывков и ударов. Все это в конечном итоге повышает работоспособность и надежность работы ветроагрегата в целом.