ВЕТРОАГРЕГАТ С СИСТЕМОЙ ОРИЕНТАЦИИ И ОГРАНИЧЕНИЯ СИНХРОННОЙ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВЕТРОТУРБИНЫ
WIND TURBINE WITH A SYSTEM OF ORIENTATION AND RESTRICTION OF SYNCHRONOUS ANGULAR VELOCITY OF WIND TURBINES

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для энергоснабжения бытовых и производственных потребителей энергии.
Известен ветроагрегат с горизонтальной осью вращения ветротурбины (RU №2535194 С2), ограничение синхронной угловой скорости, а, следовательно, и максимальной мощности в котором на расчетном уровне при возрастании скорости ветра сверх установленной величины осуществляется выводом ветротурбины из-под ветра. Ограничение осуществляется с помощью лопаты, воспринимающей давление ветра, шторки и крыльчатки, воздействующей на механизм поворота ветротурбины.
л
т
При этом необходимо совпадение закона изменения угла поворота боковой лопаты от скорости ветра (γ=ƒ(V)) с законом изменения угла поворота ветротурбины от скорости ветра (γ=ƒ(V)), при котором синхронная угловая скорость постоянна при всех скоростях ветра выше расчетной. В ветроагрегате, принятом за прототип, это обеспечивается использованием присутствующего в системе ограничения силового противодействующего механизма (пружины) с нелинейной, строго определенной зависимостью силы противодействия от угла поворота лопаты.
Недостатком данного ветроагрегата является то, что на практике затрудняется изготовление и монтаж такого противодействующего механизма, допускается при этом отклонение от его требуемых характеристик. Это в итоге приводит и к отклонению уровней ограничения, как угловой скорости, так и связанной с ней максимальной мощности ветроэнергетического агрегата от их заданных значений.
Задачей настоящего изобретения является упрощение изготовления и монтажа системы ограничения синхронной угловой скорости и соответствующей ей максимальной мощности ветроэнергетического агрегата, повышение точности ограничения и, следовательно, повышение надежности ветроагрегата в целом за счет устранения указанных недостатков.
Технический результат достигается тем, что в ветроагрегате с системой ориентации и ограничения синхронной угловой скорости ветротурбины, имеющем опору с цевочной шестерней и вертикальной осью с установленной на ней головкой ветроагрегата, устройство, реагирующее на направление ветра, выполненное в виде шторки, насаженной на выполненную полой вертикальную ось в головке ветроагрегата с возможностью поворота не менее чем на 90°, и расположенной по ветру за шторкой крыльчатки, насаженной на верхний конец вертикального, проходящего через выполненную полой вертикальную ось в головке ветроагрегата вала, имеющего на нижнем конце ведущую шестерню, кинематически связанную с цевочной шестерней, а также силовой противодействующий механизм и воспринимающую давление ветра лопату, штанга которой механически связана со шторкой, штанга лопаты связана со шторкой посредством шарнира с возможностью поворота не менее чем на 90° в вертикальной плоскости, параллельной направлению ветра, при этом ось шарнира пересекает ось вертикального вала, в головке ветроагрегата, соосно с полой осью установлена первая коническая шестерня, находящаяся в зацеплении со второй конической шестерней, закрепленной на штанге лопаты соосно с осью шарнира, а силовой противодействующий механизм имеет точки приложения силы между шторкой и ободом шкива, установленного на штанге лопаты соосно с осью шарнира.
Работа заявляемого устройства поясняется кинематической схемой, изображенной на фиг. 1 (вид сбоку) и фиг. 2 (вид сверху).
Ветроагрегат состоит из ветротурбины (на чертеже не показана) с горизонтальной осью, установленной в головке 1 ветроагрегата, насаженной с возможностью поворота на 360° на вертикальную ось 2 опоры 3. Верхняя часть опоры снабжена жестко связанной с опорой цевочной шестерней 4, соосной с осью 2 опоры 3. Шторка 5 насажена с возможностью поворота не менее чем на 90° на полую вертикальную ось 6, установленную в головке 1. Вместе с расположенной по ветру за шторкой крыльчаткой 7, насаженной на верхний конец вала 8, проходящего через ось 6, шторка образует устройство, реагирующее на направление ветра. Вал 8 на нижнем конце имеет ведущую шестерню 9, кинематически связанную с цевочной шестерней 4.
Лопата 10, воспринимающая давление ветра, установлена на конце штанги 11. Штанга механически связана с возможностью поворота не менее чем на 90° в вертикальной плоскости, параллельной направлению ветра, со шторкой 5 посредством шарнира 12, ось которого пересекает осевую линию вала 8. В головке 1 установлена неподвижно соосно с полой осью 6 первая коническая шестерня 13, находящаяся в зацеплении со второй конической шестерней 14, соосной оси шарнира и жестко связанной со штангой.
Штанга 11 лопаты под действием силового противодействующего механизма с точками приложения силы между шторкой и ободом шкива 15, прижата к упору 16, ограничивающему поворот штанги. В качестве силового противодействующего механизма в данном варианте исполнения устройства использована пружина 17, работающая на растяжение. При конкретном выполнении устройства возможно применение спиральной пружины или вместо пружины груза 18 (на чертеже груз изображен штрихами), подвешенного к ободу шкива 15.
Работает заявляемое устройство следующим образом.
Если скорость ветра не превышает установленную для данного агрегата величину, штанга 11 лопаты 10 пружиной 17 прижата к упору 16 и находится в вертикальном положении. При отклонении направления ветра от направления оси ветротурбины (направление О-О), воздушный поток, набегая на крыльчатку с той или другой стороны шторки 5, приводит крыльчатку во вращение в том или ином направлении. За счет механической передачи через вал 8 и ведущую шестерню 9 на цевочную шестерню 4 головка 1 ветроагрегата поворачивается в сторону ветра. Это продолжается до тех пор, пока шторка не установится в положение, при котором задувание ветра на лопасти крыльчатки станет одинаковым с той и другой сторон шторки и вращение крыльчатки прекратится. Таким образом, плоскость ветротурбины всегда будет устанавливаться перпендикулярно направлению ветра.
При увеличении скорости ветра сверх установленной величины штанга лопаты под действием напора набегающего на лопату потока воздуха, преодолевая сопротивление пружины, повернется на угол у, тем больший, чем больше скорость ветра. На этот же угол по отношению к направлению ветра за счет сцепления между собой конических шестерен 13 и 14 повернется и шторка 5. Крыльчатка 7 начнет вращаться и установит в конечном итоге головку 1 в такое положение, при котором линия, соединяющая центр шторки и ось крыльчатки, будет совпадать с направлением ветра. При этом на угол γ по отношению к направлению ветра будет повернута теперь и ось ветротурбины. Это скомпенсирует влияние повышенной скорости ветра на синхронную угловую скорость турбины.
Она будет сохраняться на постоянном заранее установленном уровне при всех скоростях ветра, выше расчетной величины, если зависимость угла поворота штанги лопаты (при постоянном моменте сопротивления силового противодействующего механизма) от скорости ветра будет совпадать с зависимостью, которая необходима для ограничения на постоянном уровне синхронной частоты вращения турбины.
В заявляемом устройстве это условие соблюдается.
Действительно, составляющая скорости ветра, перпендикулярная плоскости ветротурбины
Откуда
с
т
тн
Угол γ, при котором V постоянна при любой скорости ветра V и равна номинальной скорости V
Так как синхронная угловая скорость турбины
с
т
тн
то и синхронная угловая скорость турбины при γ=γ и, следовательно, V=V
где R - радиус турбины, будет постоянной, т.е ограниченной на уровне номинальной синхронной угловой скорости.
Составляющая скорости ветра, перпендикулярная поверхности лопаты,
Тогда сила давления ветра на лопату
х
где С - коэффициент лобового сопротивления;
3
ρ - плотность воздуха, кг/м;
2
S - площадь лопаты, м;
Момент, развиваемый лопатой, пропорционален квадрату косинуса угла отклонения лопаты от вертикального положения, равного в данном устройстве углу отклонения оси турбины от направления ветра γ
ш
где L - плечо приложения силы, равное длине штанги, м
Момент сопротивления Мс силового противодействующего механизма не должен зависеть от угла поворота рычага лопаты. Для груза это условие соблюдается абсолютно, а для пружины - если пружина будет иметь минимальную жесткость. Однако и при жесткой пружине увеличение силы сопротивления пружины при увеличении γ можно скомпенсировать пропорциональным уменьшением радиуса шкива 15.
Величина момента сопротивления устанавливается такой, чтобы он был равен моменту лопаты при номинальной скорости ветра
Тогда, если скорость ветра превысит номинальную скорость турбины, момент лопаты превысит момент сопротивления силового противодействующего механизма, лопата и турбина повернутся на угол γ, при котором снова установится равенство моментов
Откуда
с
т.е. угол поворота ветротурбины под действием лопаты соответствует величине γ, при которой синхронная угловая скорость турбины постоянна при скорости вера начиная от расчетной скорости и выше.
с
Таким образом, так как боковая лопата в заявленном устройстве после поворота турбины остается повернутой по отношению к направлению ветра на угол γ, а не устанавливается перпендикулярно направлению ветра, как в устройстве, принятом за прототип, для обеспечения необходимого закона изменения γ от скорости ветра не требуется силовой противодействующий механизм с моментом сопротивления, имеющим сложную зависимость от γ. В заявляемом устройстве используется силовой противодействующий механизм с постоянным моментом сопротивления. Это упрощает изготовление и монтаж системы ограничения синхронной частоты вращения и, как следствие, максимальной мощности турбины ветроагрегата, повышает точность ограничения и надежность ветроагрегата в целом.