ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ РЕГУЛЯТОР УГЛА УСТАНОВКИ ЛОПАСТЕЙ ВЕТРОКОЛЕСА
CENTRIFUGAL REGULATOR OF WINDWHEEL ANGLE OF BLADE

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в устройствах автоматического регулирования угла установки лопастей ветродвигателя.
Известен механизм поворота лопастей ветроколеса, в котором передача движения осуществляется с помощью реечной передачи (патент РФ №2282052). Устройство недостаточно надежно из-за наличия реечно-зубчатых элементов и шестеренок. Кроме того, такая конструкция не обеспечивает необходимую точность.
Известен центробежный регулятор угла установки лопастей ветроэнергетической установки, содержащий размещенный в опорах вращения вал с механизмом передачи его вращения к лопастям, рычажные механизмы с центробежными грузами и ограничителями хода грузов, имеющими в своем составе пружины разной жесткости с обеспечением возможности их последовательного включения в работу (Свидетельство на полезную модель РФ №21938). Устройство достаточно сложно в изготовлении, возможность появления люфтов снижает надежность работы устройства.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является центробежный регулятор угла поворота лопастей ветроэнергетической установки, имеющий в своем составе центробежные механизмы рабочего и реверсивного режимов, содержащие центробежные грузы и пружины рабочего и реверсивного режимов, с обеспечением возможности их последовательного включения в работу (Патент РФ №2220321). Реверсивное регулирование угла осуществляется при помощи центробежных грузов, рычажного механизма, вала и механизма передачи движения лопастям в виде конической шестеренчатой передачи.
Все это делает конструкцию регулятора сложной, что приводит к необходимости изготовления отдельных деталей с высокой степенью точности, любое снижение точности приводит к снижению надежности регулятора. Кроме того, диапазон регулирования ограничен двумя режимами - от значения, обеспечивающего раскрутку ветроколеса при малых скоростях ветра, до значения, оптимального для расчетной скорости ветра, и в обратном порядке при дальнейшем росте скорости ветра.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение надежности и технологичности регулятора, а также расширение диапазона рабочих скоростей и обеспечение возможности работы ветроагрегата при скоростях ветра вплоть до буревого расчетного значения.
Задача решается тем, что центробежный регулятор угла установки лопастей ветроколеса, имеющий в своем составе центробежные механизмы рабочего и реверсивного режимов, содержащие центробежные грузы и пружины рабочего и реверсивного режимов, с обеспечением возможности их последовательного включения в работу, установлен на образующих ступицу ветроколеса несущих пластинах, между которыми закреплены лопасти ветроколеса в поворотных втулках с обеспечением функции центробежных грузов в центробежном механизме рабочего режима, снабжен узлом синхронизации углов установки лопастей и передачи движения от лопастей к центробежным механизмам рабочего и реверсивного режимов, установленным между несущими пластинами с возможностью перемещения относительно них, на одной из пластин закреплены пружина рабочего режима и неподвижный корпус центробежного механизма реверсивного режима так, что пружина реверсивного режима охватывает пружину центробежного механизма рабочего режима, центробежные грузы механизма реверсивного режима расположены по концентрической с продольной осью регулятора окружности и связаны с подвижным корпусом центробежного механизма реверсивного режима так, что при его перемещении вдоль этой оси обеспечивается возможность его воздействия на узел синхронизации углов установки лопастей и передачи движения от лопастей к центробежным механизмам рабочего и реверсивного режимов.
Задача решается также тем, что лопасти центробежного регулятора угла установки лопастей ветроколеса выполнены так, что их центр тяжести смещен относительно их оси вращения в направлении задней кромки.
Задача решается также тем, что узел синхронизации углов установки лопастей и передачи движения от лопастей к центробежным механизмам рабочего и реверсивного режимов выполнен в виде корпуса, стенки которого параллельны несущим пластинам и представляют многогранник с числом граней, равным количеству лопастей, на одной из стенок закреплены цилиндрический толкатель для контактирования с пружиной рабочего режима и шток, а на гранях корпуса выполнены пазы, в которых размещены ползуны, шарнирно соединенные с кулачками поворотных втулок лопастей.
Задача решается также тем, что каждый из центробежных грузов механизма реверсивного режима соединен шарнирно парой рычагов с неподвижным и подвижным корпусами, подвижный корпус центробежного механизма реверсивного режима снабжен упором, установленным с зазором относительно лежащего на оси регулятора штока узла синхронизации углов установки лопастей и передачи движения от лопастей к механизмам рабочего и реверсивного режимов.
Изобретение поясняется чертежом (Фиг.1). Центробежный регулятор угла установки α лопастей ветроколеса функционально состоит из двух центробежных механизмов рабочего и реверсивного режимов и системы передачи движения от лопастей к центробежным механизмам. Регулятор смонтирован на ступице ветроколеса ветроагрегата, основу которой составляют несущие пластины 1 и 2.
Система передачи движения представляет собой узел 3 синхронизации углов α установки лопастей (далее - узел 3 синхронизации), состоящий из корпуса 4, стенки которого параллельны несущим пластинам 1 и 2 и представляют многогранник с числом граней, равным количеству лопастей. На одной из стенок корпуса 4 закреплен цилиндрический толкатель 5 со штоком 6.
Узел 3 синхронизации установлен на четырех направляющих 7, расположенных параллельно продольной оси регулятора и установленных на несущих пластинах 1 и 2 между ними. На гранях корпуса 4 выполнены пазы, в которых размещены ползуны 8, шарнирно соединенные с кулачками 9 поворотных втулок 10, закрепленных на несущих пластинах 1 и 2 между ними. В поворотных втулках 10 закреплены лопасти 11, которые выполняют функцию центробежных грузов центробежного механизма рабочего режима благодаря тому, что их центр тяжести смещен относительно оси вращения в направлении задней кромки лопасти на расстояние L. Цилиндрический толкатель 5 упирается в пружину 12 рабочего режима, расположенную внутри трубчатой направляющей 13 и зафиксированную в ней с помощью заглушки 14.
Механизм реверсивного режима состоит из неподвижного корпуса 15, закрепленного на несущей пластине 2. Неподвижный корпус 15 через шарнирно соединенные с ним рычаги 16 центробежных грузов 17 связан с подвижным корпусом 18, расположенным на направляющей 13 и снабженным упором 19. Между неподвижным корпусом 15 и подвижным корпусом 18 снаружи направляющей 13 расположена пружина реверсивного режима 20. Центробежные грузы 17 расположены по концентрической с продольной осью регулятора окружности, а их количество выбирается из условий оптимизации собственной резонансной частоты элемента, состоящего из груза 17 и пары связанных с ним рычагов 16.
Принцип действия центробежного регулятора угла установки лопастей
Центробежный регулятор угла α установки лопастей функционально состоит из двух центробежных механизмов - рабочего и реверсивного режимов, каждый из которых в своем диапазоне частоты вращения ветроколеса обеспечивает через систему передачи движения автоматическое увеличение или уменьшение угла установки лопастей α в зависимости от фактической скорости ветра. Центробежный механизм рабочего режима регулирует угол α установки лопастей на частотах вращения ветроколеса ниже или равных номинальной, т.е. в диапазоне скоростей ветра ниже или равных расчетной, и при увеличении частоты вращения увеличивает угол α установки лопастей, что позволяет максимально использовать энергию ветра в указанном выше диапазоне скоростей.
За исходное состояние центробежного механизма рабочего режима принимается отсутствие вращения ветроколеса. При этом корпус 4 узла 3 синхронизации прижат к несущей пластине 1 пружиной рабочего режима 12, т.е. занимает крайнее левое положение, что соответствует минимальному углу α установки лопастей 11 ветроколеса. После начала вращения на лопастях 11 ветроколеса возникает момент, создаваемый центробежной силой. Лопасти 11, поворачиваясь во втулках 10, через кулачки 9 и ползуны 8 воздействуют на корпус 4 узла 3 синхронизации так, что он поступательно перемещается вправо по направляющим 7 в сторону несущей пластины 2 и через толкатель 5 давит на пружину 12.
Чем быстрее вращается ветроколесо, тем сильнее сжимается пружина 12, обеспечивая тем самым возможность лопастям 11 увеличивать угол α их установки. В момент, когда сила сжатия пружины 12 и сила, действующая на нее со стороны лопастей 11 через узел 3 синхронизации, уравновешиваются, лопасти 11 устанавливаются на угол α, оптимальный для данной скорости ветра. Максимальный заданный угол α установки лопастей, оптимальный для расчетного значения скорости ветра, достигается в тот момент, когда корпус 4, перемещаясь по направляющим 7, упирается в несущую пластину 2.
При уменьшении скорости ветра уменьшается частота вращения ветроколеса и, соответственно, центробежный момент на лопастях 11. Узел 3 синхронизации смещается под действием пружины 12 назад в сторону несущей пластины 1, а ползуны 8 перемещаются в пазах корпуса 4, что приводит к повороту кулачков 9 и втулок 10 в сторону уменьшения угла α установки лопастей 11. В этом режиме на центробежные грузы 17 механизма реверсивного режима также воздействует центробежная сила, но ее величины недостаточна для преодоления жесткости пружины 20 реверсивного режима.
При увеличении частоты вращения ветроколеса выше номинального значения грузы 17 механизма реверсивного режима под действием центробежной силы начинают удаляться от продольной оси регулятора. Движение грузов 17 посредством рычагов 16 передается подвижному корпусу 18, который, перемещаясь вдоль направляющей 13 в сторону несущей пластины 2, сжимает пружину 20. При этом зазор между упором 19 и штоком 6 уменьшается. Если в результате увеличения частоты вращения ветроколеса зазор между упором 19 и штоком 6 выбран полностью, это означает, что частота вращения ветроколеса достигла максимально допустимого значения. При дальнейшем увеличении частоты вращения ветроколеса подвижный корпус 17, сжимая пружину 20 и воздействуя на шток 6, перемещает узел 3 синхронизации в направлении несущей пластины 1, что приводит к уменьшению угла α установки лопастей 11, как это было описано выше. Уменьшение угла α установки лопастей происходит до тех пор, пока частота вращения ветроколеса не вернется в рабочий диапазон. Таким образом, значение максимально допустимой частоты вращения ветроколеса регулируется величиной зазора между упором 19 и штоком 6, причем она может регулироваться в широком диапазоне и с высокой точностью.
Если скорость ветра становится меньше максимального расчетного значения, и частота вращения ветроколеса соответственно уменьшается, пружина 20 реверсивного режима, разжимаясь, преодолевает центробежную силу, воздействующую на грузы 17, и снижает усилие, действующее на узел 3 синхронизации через шток 6, что позволяет лопастям 11 вновь увеличить угол α их установки, как это указано выше в описании работы центробежного механизма рабочего режима. При этом частота вращения ветроколеса возвращается к номинальному значению. Если скорость ветра продолжает снижаться, и между упором 19 и штоком 6 вновь возникает зазор, управление углом α установки лопастей 11 переходит к центробежному механизму рабочего режима.
Таким образом решается задача расширения диапазона рабочих скоростей ветра вплоть до буревого расчетного значения.
Задача повышения надежности и технологичности регулятора достигается тем, что использование лопастей 11 в качестве центробежных грузов и конструктивное совмещение регулятора с элементами ветроколеса позволяет существенно уменьшить количество деталей, входящих в механизм рабочего режима, упростить его конструкцию и повысить ресурс. Преобразование возвратно-поступательного движения узла 3 синхронизации во вращательное движения лопастей 11 существенно проще и надежнее, чем коническая передача, использованная в принятом в качестве прототипа регуляторе (свидетельство на изобретение РФ №2220321).
Благодаря тому что собственная резонансная частота каждого элемента, состоящего из груза 17 и пары связанных с ним рычагов 16, существенно выше, чем частота возмущений, вызванных вращением ветроколеса и возможных автоколебаний лопастей 11, работа всего механизма реверсивного режима более устойчива, снижается нагрузка в его узлах, что приводит к повышению надежности и увеличению ресурса. Кроме того, это позволяет снизить требования к точности изготовления узлов и деталей.
Заявляемое изобретение найдет широкое применение в устройствах автоматического регулирования угла установки лопастей ветродвигателя.