ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
WIND ENGINE

Изобретение относится к ветроэнергетике, касается конструкции ветродвигателей, обеспечивающих постоянство частоты напряжения приводимого генератора.
Известен ветродвигатель по [а.с. СССР №1216415, F03D 1/00, 1984 г.], содержащий ветроколесо с установленной на полом валу втулкой и поворотными лопастями, снабженными закрепленными на них попарно центробежными грузами и махами, кинематически соединенными с поворотным синхронизирующим элементом, размещенным во втулке, электрогенератор, входной валик которого при помощи мультипликатора связан с валом, и механизмом торможения.
Недостатком устройства является сложность конструкции, содержащей мультипликатор и сложную коническую передачу в синхронизирующем узле.
Известен ветродвигатель по [а.с. СССР №1346847, F03D 1/00, 1986 г.], содержащий полые лопасти, установленные на валу, центробежные грузы, расположенные в полости каждой лопасти.
Недостатком устройства является значительная инерционность, снижающая основные динамические характеристики регулятора частоты вращения ветродвигателя, что приводит к низкой надежности всего устройства.
Известен ветродвигатель по [а.с. СССР №1337548, F03D 1/00, 1985 г.], содержащий установленные на махах лопастей стержни, снабженные центробежными грузами, и подпружиненные рычаги, жестко связанные с махами.
Недостатком устройства является недостаточная точность регулирования из-за инерционности элементов, реагирующих на изменение скорости ветра, и отсутствие элементов, демпфирующих колебания ветроколеса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является ветродвигатель для ветроустановки [патент RU №2165544, F03D 1/00, 2001 г.], содержащий корпус, несущий вал, установленное на нем рабочее колесо со ступицей и закрепленными на ней лопастями, сопряжение несущего вала со ступицей выполнено в виде подвижного зацепления, регулятор мощности, состоящий из пружины, упорной шайбы, регулировочной гайки, регулируемого трубчатого упора, тяговой тарелки, двухзвенных шарнирных рычагов, валиков поворота лопастей рабочего колеса. При этом валики поворота лопастей кинематически связаны между собой и с несущим валом при помощи тяговой тарелки, закрепленной на торце несущего вала, и шарнирных двухзвенных рычагов.
К недостаткам такого устройства относится то, что при изменении нагрузки число оборотов рабочего колеса (далее ветроколеса) остается непостоянным. Регулирование скорости происходит только при изменении лобового давления ветра. Крутильные и аксиальные колебания ветроколеса, неизбежно возникающие при воздействии ветра, в этом устройстве не гасятся. Это приводит к усилению шума и снижает срок службы ветродвигателя. В том случае, когда нагрузкой ветродвигателя является электрический генератор, непостоянство числа оборотов ведет к непостоянству частоты вырабатываемого напряжения.
Задача изобретения - достижение постоянной частоты напряжения электрогенератора ветродвигателя при изменении скорости ветра и электрической нагрузки на электрогенератор и демпфирование крутильных и аксиальных колебаний вала ветроколеса, возникающих от дискретности воздушного потока, разницы его скоростей, воздействующих на верхнюю и нижнюю лопасти, упругих колебаний лопастей, вала и т.д.
Поставленная задача достигается тем, что в ветродвигателе, приводящем электрогенератор, содержащем корпус, несущий вал, ступицу, с закрепленными на ней поворотными лопастями, регулятор мощности, состоящий из пружины, упора, регулировочной гайки, регулируемого трубчатого упора, тяговой тарелки, с двухзвенными шарнирными рычагами и валиками поворота лопастей, согласно изобретению, коаксиально к регулируемому трубчатому упору, снабженному стопором упора, на корпусе установлен электромагнит, на внутренней поверхности сердечника которого выполнены продольные и поперечные пазы, ферромагнитный электропроводящий якорь которого установлен на наружной поверхности трубчатого упора с возможностью регулирования в направлении сжатия пружины и фиксирования его от поворота стопором якоря. На конце несущего вала со стороны ветроколеса для ограничения хода ступицы установлен регулируемый упор. Обмотка электромагнита включена последовательно в цепь нагрузки электрогенератора. Демпфирование крутильных и аксиальных колебаний ветроколеса происходит от взаимодействия вихревых токов, наводимых на наружной поверхности ферромагнитного электропроводящего якоря, с магнитным потоком зубцов, находящихся на внутренней поверхности сердечника электромагнита.
Кроме того, для повышения эффективности демпфирования крутильных и аксиальных колебаний ветроколеса, на наружной поверхности ферромагнитного электропроводящего якоря могут быть выполнены продольные и поперечные пазы, причем в пазы ферромагнитного электропроводящего якоря уложена короткозамкнутая обмотка с высокой электрической проводимостью.
Кроме того, число продольных и поперечных пазов на внутренней поверхности сердечника электромагнита имеет соотношение с числом пазов на якоре в диапазоне от 5/3 до 4/3.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен продольный разрез общего вида ветродвигателя, на фиг.2. даны поперечные разрезы электромагнита ферромагнитным электропроводящим якорем и трубчатым упором, на фиг.3 показан элемент ветродвигателя при наличии продольно-поперечных пазов на внутренней поверхности сердечника магнитопровода и продольно-поперечных пазов на наружной поверхности якоря с короткозамкнутой обмоткой, на фиг.4 показана фигура, которую представляет собой короткозамкнутая обмотка ферромагнитного электропроводящего якоря электромагнита без сердечника.
Ветродвигатель содержит корпус 1, установленный на нем электромагнит 2, коаксиально которому установлен на подшипниках несущий вал 3, на шлицевой части которого закреплена ступица 4 с ограничителем хода - регулируемым упором 5, с поворотными лопастями 6, закрепленными на радиально расположенных валиках поворота лопастей 7, соединенных с двухзвенными шарнирными рычагами 8 и тяговой тарелкой 9, закрепленной к торцу несущего вала 3 переходником 10, на котором установлен обтекатель 11, закрепленный коком 12, установленные на несущем валу 3 упор 13 с регулировочной гайкой 14 и упирающаяся в них пружина 15; установленные на ступице 4 регулируемый трубчатый упор 16, с возможностью фиксации его стопором упора 17 от их относительного перемещения, ферромагнитный электропроводящий якорь 18 электромагнита 2, установленный на наружной поверхности трубчатого упора с возможностью регулирования в осевом направлении и фиксацией от их относительного перемещения стопором якоря 19; электрогенератор 20, приводимый несущим валом 3.
Ветродвигатель работает следующим образом. Пружина 15 упирается ступицу 4. При отсутствии и очень малом ветре, не развивающем достаточного усилия для деформации пружины, ступица 4 находится в исходном крайнем правом положении. Угол атаки поворотных лопастей 6 имеет заданное для данного режима значение. При малой скорости ветра (1-3 м/с) на поворотных лопастях 6, расположенных под углом, например, (55-60°) к потоку, возникает вращающая сила, создающая крутящий момент на несущем валу 3, который начинает вращаться. Одновременно ветровой поток создает силу лобового давления, направленную параллельно оси несущего вала 3, которая стремится сдвинуть ступицу 4 влево, сжав пружину 15. При малых скоростях ветра (1-3 м/с) усилия пружины 15 хватает, чтобы удержать ступицу 4 в исходном положении и сохранить установленные углы атаки (55-60°). Жесткость пружины в исходном положении устанавливается регулировочной гайкой 14, навинчиванием или свинчиванием ее на упор 13. При дальнейшем увеличении скорости ветра одновременно с увеличением вращающей силы и ростом частоты вращения несущего вала 3, увеличивается сила лобового давления на ветроколесо, которая сдвигает ступицу 4, сжимая пружину 15, при этом, под действием шарнирных двухзвенных рычагов 8 и тяговой тарелки 9, происходит поворот валиков поворота лопастей 7. При этом изменяется угол атаки поворотных лопастей 6 в зависимости от скорости ветра.
Таким образом, устройство обеспечивает следующий режим регулирования: с увеличением скорости ветра угол атаки уменьшается, с уменьшением скорости ветра угол атаки увеличивается. При этом скорость вращения ветродвигателя автоматически остается практически постоянной. Это положение сохраняется при условии постоянной электрической нагрузки на зажимах генератора и, соответственно, неизменной механической нагрузки на несущем валу, сочленном с валом генератора.
При увеличении нагрузки на генератор (при постоянной скорости ветра) и, соответственно, возрастании момента на несущем валу ветроколеса, оно стремится замедлить свое вращение. Для удержания частоты вращения необходимо увеличить угол атаки поворотных лопастей ветроколеса, т.е., согласно вышеописанному режиму, необходимо препятствовать сжатию пружины 15 (растянуть пружину) и перемещению ступицы 4 влево. Эту задачу выполняет ферромагнитный электропроводящий якорь 18 электромагнита 2. Сила, развиваемая электромагнитом 2, пропорциональна электрической нагрузке на электрогенераторе 20. При уменьшении нагрузки на электрогенераторе 20 электромагнит 2 не препятствует сжатию пружины 15 силой лобового давления. Ступица 4, удерживаемая только пружиной 15, может перемещаться влево и посредством тяговой тарелки 9 и двухзвенных шарнирных рычагов 8 поворачивать поворотные лопасти 6 на меньший угол атаки. Таким образом, при правильной настройке исходных положений якоря электромагнита 2, регулировочной гайки 14 и упора 13, скорость (частота) вращения ветродвигателя будет стабилизирована не только при изменении скорости ветра, но и при изменении нагрузки на электрогенераторе 20.
Демпфирование колебаний ветроколеса происходит следующим образом. Между внутренней поверхностью сердечника электромагнита 2 и наружной поверхностью якоря создается магнитное поле, которое на поверхности перемещающегося ферромагнитного электропроводящего якоря 18 наводит вихревые токи, взаимодействующие с полем в зазоре и тем самым оказывающие противодействие (демпфирование) продольным и крутильным колебаниям ветроколеса. При этом энергия колебаний преобразуется в тепло, нагревающее ферромагнитный электропроводящий якорь 18, и рассеивается в окружающую среду.
Для повышенной эффективности демпфирования в ферромагнитном электропроводящем якоре 18 выполняются продольно-поперечные пазы, и в них укладывается короткозамкнутая обмотка, выполненная из высокопроводящего сплава, часто методом литья (алюминиевые сплавы АД-5, типа АК и т.д.). Повышение электрической проводимости ферромагнитного электропроводящего якоря 18 приводит к увеличению наводимых токов и, соответственно, к увеличению рассеиваемой энергии. При наличии короткозамкнутой обмотки электропроводность сердечника ферромагнитного электропроводящего якоря 18 не играет существенной роли в эффективности демпфирования. В этом случае допустимо применять ферромагнитные материалы с высокими магнитными свойствами и низкой электропроводностью.
Как показывают расчеты и эксперимент, наиболее эффективная работа достигается при соотношении пазов с обмоткой на ферромагнитном электропроводящем якоре 18 в диапазоне 5/3-4/3.
Настройка устройства на заданный алгоритм управления происходит при отсутствии ветра или зафиксированным в крайнем правом положении ступицы 4 упором следующим образом.
Регулируемый трубчатый упор 16 перемещением (например, по резьбе) относительно ступицы настраивается на зазор γ, обеспечивающий границу минимального угла атаки поворотных лопастей 6 (флюгирования, иначе минимальной эффективности), при этом ступица 4 будет занимать крайнее левое положение. Настроенный регулируемый трубчатый упор 16 фиксируется стопором упора 17. Максимальный угол, т.е. наиболее эффективный угол атаки поворотных лопастей, обеспечивающий максимальный момент, устанавливается регулируемым упором 5, установленным на конце несущего вала и ограничивающим перемещение ступицы 4 вправо.
Ферромагнитный электропроводящий якорь 18 аксиальным перемещением (например, по резьбе) относительно регулируемого трубчатого упора 16 устанавливается в положение минимального зазора δ (например, 0,35 мм) между торцевой частью сердечника электромагнита 2 и торцевой частью ферромагнитного электропроводящего якоря 18, который в этом положении фиксируется на поверхности регулируемого трубчатого упора 16 стопором якоря 19.
Для исключения касания ферромагнитного электропроводящего якоря 18 с сердечником электромагнита 2 настройка зазора δ должна выполняться при крайнем правом положении ступицы 4 в контакте с настроенным и зафиксированным регулируемым упором 5.
Жесткость пружины 15 устанавливается перемещением регулировочной гайки 14 относительно упора 13. Рабочий диапазон деформации пружины 15 и ее конструктивная жесткость определяют в конечном счете диапазон скоростей ветра, в котором работает ветродвигатель. Т.е. при неизменной геометрии ветроколеса начальное сжатие пружины 15 силой, например, 10 H подразумевает начало регулирования при скорости ветра 4 м/с. Максимальное сжатие, например, силой 300 H будет соответствовать скорости ветра 9 м/с и верхнему пределу регулирования.