Ограничитель частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения
VERTICAL AXIS WIND TURBINE SPEED LIMITER

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано для ограничения частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения.
Известен аэродинамический регулятор [1], содержащий три расположенных на траверсах горизонтальных лопасти, внутри которых установлена пружинно-винтовая пара. Когда частота вращения ветротурбины превышает номинальное значение, под действием центробежной силы лопасти передвигаются по резьбе к периферии, поворачиваются плоскостью к направлению вращения и за счёт увеличивающегося аэродинамического торможения ограничивают частоту вращения. Его основными недостатками являются разбалансировка ротора ветротурбины из-за неравномерности поворота лопастей, а также неспособность удерживать частоту вращения в заданном диапазоне при высоких скоростях ветра. Это отрицательно сказывается на функциональных возможностях регулятора, работающего в данном случае в режиме ограничителя частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью.
Цель предполагаемого изобретения – повышение функциональных возможностей ограничителя частоты вращения ветротурбины.
Эта цель достигается тем, что в ограничителе частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения, содержащем, расположенные в плоскости вращения лопастей, установленных на неподвижно связанных с вертикальным валом траверсах, подпружиненные грузы, имеющие возможность перемещения в радиальном направлении, воздействующие под действием центробежной силы на систему ограничения частоты вращения ветротурбины, лопасти установлены с возможностью вращения вокруг их продольной оси на траверсах, грузы неподвижно закреплены на лопастях эксцентрично их осям вращения, на валу центральным отверстием установлено с возможностью поворота коромысло, на концах которого на равных расстояниях от центра имеются первые шарниры, связанные посредством жёстких тяг, длина которых равна расстоянию между осями вращения лопастей и осью вала, с расположенными на лопастях на таком же расстоянии от центра вращения лопастей вторыми шарнирами, причём коромысло под действием пружины прижато к упорам и находится при этом в таком положении, при котором угол установки лопастей соответствует оптимальному по коэффициенту использования энергии ветра значению.
Схематично заявляемый ограничитель частоты вращения ветротурбины с вертикальным валом вращения изображён на фигуре 1.
Он содержит расположенные в плоскости вращения лопастей 1, установленных в подшипниках 2 на траверсах 3, жёстко связанных с вертикальным валом 4 ветротурбины, плоские с целью уменьшения аэродинамического сопротивления при вращении грузы 5. Грузы закреплены неподвижно на лопастях 1 со смещением их центров тяжести относительно осей вращения лопастей. На валу установлено с возможностью поворота коромысло 6, на концах которого на равных расстояниях от оси вала имеются шарниры 7, связанные посредством жёстких тяг 8 с шарнирами 9, расположенными на лопастях на таком же расстоянии от оси вращения лопастей. Длина тяг равна расстоянию между осями вращения лопастей 1 и осью вала 4. Коромысло под действием спиральной пружины 10 прижато к упорам 11 и находится при этом в таком положении, при котором угол установки лопастей соответствует значению, оптимальному по коэффициенту использования энергии ветра. Вал ветротурбины вращается в подшипнике 12, установленному в опоре 13 ветроагрегата.
Работает ограничитель частоты вращения следующим образом.
При скоростях ветра не выше заданной и соответственно частоте вращения ветротурбины, не превышающей номинальное значение, центробежная сила грузов не в состоянии преодолеть сопротивление пружины. Коромысло прижато к упорам 11, лопасти находятся в исходном состоянии, соответствующем их номинальному положению, обеспечивающему наибольшую мощность ветротурбины при данной скорости ветра.
V
n
n
n
p
При увеличении скорости ветра  пропорционально увеличивается и частота вращения  ветротурбины. И как только она достигнет расчётной величины  коромысло под действием центробежной силы грузов, преодолевая сопротивление пружины, начнёт поворачиваться по часовой стрелке (если смотреть сверху) и посредством тяг начнёт уводить угол установки ветротурбин от оптимального значения. С этого момента ограничитель переходит в режим статического регулирования частоты вращения (режим работы по отклонению), осуществляющего её стабилизацию с точностью ∆ соответствующей статической характеристике регулятора. Чем больше при увеличивающейся скорости ветра будет отклоняться частота вращения от расчётной, тем больше будет и центробежная сила грузов и тем больше угол поворота коромысла и лопастей, будет отходить от оптимального значения (см. фиг. 2). В результате нарастание частоты вращения практически прекратится вплоть до буревой скорости ветра. При этом лопасти повернутся на угол близкий к 90°.
Таким образом, в отличие от прототипа ограничение будет осуществляться во всём диапазоне скоростей ветра при отсутствии дисбаланса ветротурбины так как поворот лопастей благодаря их связи через тяги и коромысло будет осуществляться синхронно. В этом и заключается полезный эффект предполагаемого изобретения.
Источник информации
1. Сироткин Е.А. Система аварийного торможения ветроэнергетической установки: Дис. к.т.н. – Челябинск, 2019 – С. 48…49.  [Электронный ресурс]. URL https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/80639/1/urfu2133_d.pdf: (дата обращения 22.03.2021