КОМПАКТНЫЙ РЕГУЛЯТОР ОБОРОТОВ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО ТИПА ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к ветроэнергетике, к устройствам регулирования частоты вращения и крутящего момента ветроколеса.
Известен регулятор оборотов центробежного типа описанный в европейском патенте №0043872, принятый за прототип. Описанная в прототипе ветроустановка имеет устройство, влияющее на поворот лопасти, расположенное перпендикулярно осям лопастей, которые соответственно имеют возможность поворота относительно своих осей и снабжены центробежными грузами. В состав устройства входят жестко закрепленные на каждой лопасти качалки, которые через тяги соединены со скользящей по направляющей деталью, которая под воздействием момента, создаваемого центробежными грузами, передает усилие на действующие в противоположном направлении одетые на направляющую пружины разной жесткости, выполненные с возможностью последовательного выключения из работы (прекращения сжатия) пружины сначала меньшей жесткости, а затем большей. Каждая лопасть установлена в подшипниковом узле, который прикрепляется к диску жестко установленному на оси ветроколеса. Также имеется устройство регулирования сжатия пружин.
Общими существенными признаками предлагаемого технического решения с прототипом являются следующие - ветроустановка имеет устройство, влияющее на поворот лопасти, которые соответственно имеют возможность поворота относительно своих осей. В состав устройства входят жестко закрепленные на каждой лопасти качалки, которые через тяги соединены со скользящей по направляющей деталью, которая передает усилие на действующие в противоположном направлении одетые на
направляющую пружины разной жесткости, выполненные с возможностью последовательного выключения из работы (прекращения сжатия) пружины сначала меньшей жесткости, а затем большей. Каждая лопасть установлена в подшипниковом узле. Также имеется устройство регулирования сжатия пружин.
В известном устройстве-прототипе при вращении ветроколеса на закрепленных на лопастях грузах возникают центробежные силы, которые создают вращающий момент относительно оси лопасти, который стремится повернуть лопасть в сторону уменьшения угла атаки и как следствие уменьшить частоту вращения ВК. При этом механизм регулятора оборотов создает необходимый противодействующий момент относительно оси поворота лопасти. Параметры механизма подбираются таким образом, чтобы противодействующий момент создаваемый механизмом обеспечивал стабильность частоты вращения ветроколеса в широком диапазоне изменения скорости ветра. Особенностью механизма данного регулятора является то, что при любом сочетании параметров механизма, противодействующий момент создаваемый механизмом является неубывающей функцией угла поворота лопасти. Это означает, что при повороте лопасти в сторону уменьшения угла атаки противодействующий момент создаваемый механизмом может только увеличиваться.
К недостаткам приведенного регулятора центробежного типа можно отнести:
1. При возникновении колебаний по углу поворота лопасти относительно положения равновесия регулирующий центробежный момент имеет свойство увеличиваться с увеличением угла поворота лопасти, в связи, с чем противодействующий момент, создаваемой пружиной должен так же возрастать, и при этом для обеспечения статической устойчивости системы (гашения колебаний), с большей интенсивностью, чем регулирующий центробежный момент. В связи с чем пружину приходится делать большой жесткости, что приводит к возникновению неравномерности частоты
вращения, как по скорости ветра, так и по нагрузке и к низкой точности обеспечения постоянства частоты вращения ветроколеса.
2. Наличие тяжелых грузов.
3. Плохие характеристики при динамических процессах и сложность обеспечения динамической устойчивости системы связанных с малостью (или даже полным отсутствием) демпфирующих сил. В теории центробежных регуляторов доказывается, что при отсутствии демпфирования центробежные регуляторы являются динамически неустойчивыми.
4. Данной конструкции ветроколеса свойственны значительные угловые скорости рыскания, неустойчивая ориентация на ветер, влияние на работу аэродинамического следа башни, связанные с перпендикулярным расположением осей лопастей к оси ветроколеса.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства, позволяющего увеличить точность поддержания оборотов ВК с обеспечением устойчивости и необходимых характеристик при динамических процессах, улучшить ориентацию ветроколеса на ветер, устранение влияния на работу ветроустановки аэродинамического следа башни, а также упрощение конструкции ветроустановки.
Для решения данной технической задачи ветроколесо содержит ступицу, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы, в которых размещены лопасти с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных конусно по отношению к оси ветроколеса. В ступице ветроколеса размещено устройство, влияющее на поворот лопасти, которое состоит из направляющей, установленных на ней как минимум двух пружин разной жесткости, жестко закрепленных на опорных частях лопастей качалок, соединенных через тяги со скользящим по направляющей толкателем, опирающимся на пружину меньшей жесткости, устройства регулирования сжатия пружин. Пружины выполнены с возможностью
последовательного выключения из работы пружины сначала меньшей жесткости, а затем большей. При чем лопасти имеют следующие геометрические параметры - в корневом сечении относительная толщина профиля не менее 20%, положение оси вращения 21,5%-22,5%, в концевом сечении относительная толщина профиля не более 11%, положение оси вращения 25,5%-26,5%, т.е. оказалось, что основываясь на специальном подборе геометрии лопасти, удается реализовать регулятор оборотов ветроколеса, в котором в отличие от центробежных сил грузов в качестве регулирующих сил используются аэродинамические силы, возникающие на лопасти.
Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного являются следующие - ветроколесо содержит ступицу, на которой закреплены подшипниковые узлы и внутри которой расположен регулирующий механизм (устройство, влияющее на поворот лопасти); лопасти расположены конусно по отношению к оси ветроколеса и имеют следующие геометрические параметры - в корневом сечении относительная толщина профиля не менее 20%, положение оси вращения 21,5%-22,5%, в концевом сечении относительная толщина профиля не более 11%, положение оси вращения 25,5%-26,5%.
Благодаря существенным признакам предлагаемого технического решения в совокупности с известными достигается следующий технический результат:
1. Установившееся значение аэродинамического момента относительно оси поворота лопасти является неубывающей (по абсолютному значению) функцией угла поворота лопасти. Это означает, что при повороте лопасти в сторону уменьшения угла атаки противодействующий момент создаваемый механизмом может только увеличиваться.
2. Данный регулятор позволяет поддерживать более высокую точность по частоте вращения в связи с обеспечением статической устойчивости
системы (без наличия неравномерности по скорости ветра и нагрузке) и хорошие параметры динамической устойчивости.
3. Обеспечение хороших характеристик при динамических процессах вследствие наличия аэродинамических демпфирующих сил возникающих из-за приведенного положения лопасти.
4. Снижение рыскания ветроколеса, обеспечение устойчивой ориентация на ветер, снижение влияния на работу ветроустановки аэродинамического следа башни.
5. Защита механизма расположенного внутри ступицы, а также отсутствие тяжелых грузов.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый компактный регулятор оборотов аэродинамического типа, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемая полезная модель соответствует критерию охраноспособности "новое".
Предложенное техническое решение может найти применение в конструкции ветроэнергетических установок горизонтально-осевого типа, а, следовательно, данное решение соответствует критерию ″промышленно применимо″.
Конструкция предлагаемого компактного регулятора оборотов аэродинамического типа поясняется чертежом.
Изображенный на чертеже компактный регулятор оборотов аэродинамического типа содержит ступицу 1, жестко закрепленные на ней подшипниковые узлы 2, в которых размещены лопасти 3 с возможностью поворота относительно своих осей, расположенных конусно по отношению к оси ветроколеса. В ступице 1 ветроколеса размещено устройство, влияющее на поворот лопасти 3, которое состоит из направляющей 4, установленных на ней как минимум двух пружин - меньшей 5 и большей 6 жесткости, жестко закрепленных на опорных частях лопастей 3 качалок 7, соединенных через тяги 8 со скользящим по направляющей 4 толкателем 9, опирающимся на
пружину меньшей жесткости 5. Данное устройство представляет по сути кривошипно-шатунный механизм. Устройство регулирования сжатия пружин 5 и 6 выполнено в виде регулятора 10, задающего начальное сжатие пружин 5, 6 и упора 12, регулирующего момент последовательного включения в работу пружин 5 и 6. Для предохранения закручивания толкателя 9 относительно направляющей 4 установлен палец 11.
Предложенный регулятор оборотов аэродинамического типа работает следующим образом. При превышении частоты вращения ветроколеса над номинальной возникает аэродинамический момент относительно оси поворота лопасти 3, установленной в подшипниковом узле 2 с применением подшипников качения, позволяющем поворачиваться лопасти относительно своей оси. При этом лопасть 3 стремится повернуться в сторону уменьшения угла атаки и как следствие уменьшить частоту вращения ветроколеса. Указанный момент передается через качалки 7, тяги 8 и толкатель 9 на пружины 5 и 6, вследствие чего происходит их сжатие и возникает сила, противодействующая повороту лопастей 3 во флюгерное положение. При этом пружины включаются - выключаются последовательно, для чего применяется специальный упор 12. Такая схема позволяет реализовать заданный закон изменения силы сопротивления механизма от величины перемещения и обеспечить высокую стабильность поддержания частоты вращения ветроколеса в широком диапазоне скоростей ветра. Для повышения точности регулирования применяется регулятор 10, позволяющий изменять начальное усилие сжатия пружин 5, 6. Для снижения уровня вибраций длина тяг 8 регулируется, что позволяет обеспечить аэродинамическую балансировку лопастей 3 ветроколеса.
Для осуществимости данного аэродинамического регулирования частоты вращения ветроколеса важнейшим оказался специальный подбор геометрических параметров лопастей 3, который позволил отказаться от использования центробежных грузов, недостатки использования которых приведены выше.
В результате численного подбора относительной толщины профиля лопасти и положения оси вращения определены следующие геометрические параметры лопасти, обеспечивающие возможность создания данного регулятора оборотов, а именно:
- корневое сечение: относительная толщина профиля не менее 20%, положение оси вращения 21,5%...22,5%.
- концевое сечение: относительная толщина профиля не более 11%, положение оси вращения 25,5%...26,5%.
Проведенное математическое моделирование и натурные эксперименты показали обоснованность данного выбора.
В качестве примера приведем результаты расчета аэродинамического момента для лопасти ветроколеса со следующими параметрами:
- диаметр ветроколеса 4,5м;
- количество лопастей 3;
- корневая хорда лопасти 360мм;
- концевая хорда лопасти 150 мм;
- аэродинамический профиль лопасти ″Эсперо″;
- номинальная частота вращения 150 об/мин;
- номинальная мощность 2 кВт.
Расчеты аэродинамических характеристик проводились по методике приведенной в ″Промышленной аэродинамике″. Сборник №5. Ветродвигатели, Москва, Издание бюро научной информации, 1954 г.
На графиках приведены результаты расчетов аэродинамического момента для значений параметров заявленного диапазона, а также значений находящихся за его пределами. Варианты, по которым ниже приведены графики, сведены в таблицу:
№
Корневое сечение
Концевое сечение
варианта
Относительная толщина,%
Положение оси вращения,%
Относительная толщина,%
Положение оси вращения,%
1
20
21,5
11
25,5
2
20
21,5
11
26,5
3
20
22,5
11
25,5
4
20
22,5
11
26,5
5
20
21,0
11
25,0
6
20
23
11
27
Как видно из представленных графиков при геометрических параметрах лопастей, находящихся в заявленном диапазоне (варианты 2-5), установившееся значение аэродинамического момента относительно оси поворота лопасти является неубывающей (по абсолютному значению) функцией угла поворота лопасти.
В случае же, если значения вышеприведенных параметров начинают выходить из указанного диапазона, то установившееся значение аэродинамического момента в функции угла поворота лопасти становится убывающее-возрастающим (варианты 1, 6) и применение предложенного механизма приводит к нестабильной частоте вращения ВК и неудовлетворительным характеристикам при динамических процессах.