центробежный регулятор угла поворота лопастей ветроэнергетической установки

Формула изобретения

Центробежный регулятор угла поворота лопастей, 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 по две пружины разной жесткости с обеспечением возможности их последовательного включения в работу, отличающийся тем, что центробежные грузы связаны непосредственно с валом центробежного регулятора рычажными механизмами, каждый из которых является шарнирным двухкоромысловым четырехзвенником, расположенным в плоскости, параллельной плоскости вращения ветроколеса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к устройствам для автоматического регулирования угла поворота лопастей, и может быть использовано при создании ветроэнергетических установок.

Известен центробежный регулятор угла поворота лопастей ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа, принятый в качестве прототипа (свидетельство на полезную модель РФ 21938), 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 по две пружины разной жесткости с обеспечением возможности их последовательного включения в работу, муфту. Все данные признаки, за исключением муфты, присутствуют (являются общими) и в предлагаемом техническом решении.

Описанный центробежный регулятор угла поворота лопастей обеспечивает реверсивное изменение угла поворота лопастей при увеличении угловой скорости вращения от нуля до максимально допустимой. При нулевой скорости вращения ветроколеса лопасти установлены под большим углом к плоскости, проходящей через точку пересечения осей поворота лопастей с осью вращения ветроколеса перпендикулярно последней (плоскости вращения ветроколеса), что обеспечивает раскрутку ветроколеса при малых скоростях ветра. В процессе раскрутки центробежный регулятор уменьшает угол поворота лопастей до величины, при которой достигается максимальное значение коэффициента использования энергии ветра, а при превышении расчетного значения скорости вращения ветроколеса опять увеличивает этот угол, обеспечивая управление скоростью вращения. Однако данный центробежный регулятор имеет достаточно большие габариты и массу, а также технологически сложен.

Предлагаемым техническим решением решается задача снижения габаритов и массы центробежного регулятора угла поворота лопастей ветроколеса. Кроме того, существенно улучшается технологичность конструкции и повышается надежность центробежного регулятора.

Для достижения указанного технического результата в центробежном регуляторе угла поворота лопастей, содержащем 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 по две пружины разной жесткости с обеспечением возможности их последовательного включения в работу, центробежные грузы связаны непосредственно с валом центробежного регулятора рычажными механизмами, каждый из которых является шарнирным двухкоромысловым четырехзвенником, расположенным в плоскости, параллельной плоскости вращения ветроколеса.

Причем параметры рычажного механизма (длины коромысел и шатуна, расстояния между точками крепления коромысел к ступице ветроколеса и валу центробежного регулятора) подобраны таким образом, что при перемещении центробежных грузов из одного крайнего положения в другое вал центробежного регулятора совершает реверсивное угловое перемещение.

Отличительными признаками предлагаемого регулятора является то, что центробежные грузы связаны непосредственно с валом центробежного регулятора рычажными механизмами, каждый из которых является шарнирным двухкоромысловым четырехзвенником, расположенным в плоскости, параллельной плоскости вращения ветроколеса.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы), достигается следующий технический результат - по сравнению с прототипом в результате более компактного размещения регулятора уменьшаются габариты и масса ветроколеса; за счет укорочения цепи передачи усилий от центробежных грузов к валу центробежного регулятора уменьшаются трение и люфты в кинематике рычажных механизмов; увеличивается надежность, как результат упрощения конструкции и разделения действующих на ограничители хода грузов динамических нагрузок на два канала; улучшается технологичность.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый центробежный регулятор, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предложенного устройства с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение не следует явным образом из уровня техники, и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

Предложенное техническое решение может найти применение в конструкциях ветроэнергетических установок, особенно для обеспечения их работы во всем диапазоне скоростей ветра. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию охраноспособности "промышленно применима".

Изобретение поясняется чертежами фиг.1-4.

На фиг.1, 2, 3 - изображен предлагаемый центробежный регулятор угла поворота лопастей ветроэнергетической установки в трех характерных положениях, возникающих при его работе: "старт", "реверс" и "флюгер".

На фиг.4 изображены элементы механизма передачи вращения от вала центробежного регулятора к лопастям в сечении А-А.

Представленный на фиг.1-4 центробежный регулятор угла поворота лопастей содержит: размещенный в опорах вращения 1 ступицы 2 вал 3, ось которого совпадает с осью вращения ветроколеса 6, механизмом передачи движения 4 лопастям 5 ветроколеса 6; рычажные механизмы 7, содержащие каждый в свою очередь: шарнирно закрепленное на ступице 2 коромысло 8 с центробежным грузом 9, установленное на валу 3 коромысло 10, а также шарнирно соединенный с коромыслами 8 и 10 шатун 11; шарнирно соединенный с коромыслом 8 и ступицей 2 ограничитель хода 12, содержащий в своем составе предварительно растянутую пружину малой жесткости 13 и предварительно сжатую пружину большой жесткости 14. Для обеспечения кинематической совместимости рычажных механизмов 7 коромысло 10 одного из них закреплено на валу центробежного регулятора 3 неподвижно штифтом 15, а аналогичное коромысло 10 другого рычажного механизма одето на штифты 16 первого с зазором, несколько превышающим возможное рассогласование в углах поворота двух коромысел 10, обусловленное производственными допусками на входящие в кинематическую цепь элементы. Центробежный регулятор закрыт обтекателем 17. Ветроколесо 6, включающее ступицу 2, лопасти 5, предлагаемый центробежный регулятор и обтекатель 17, закреплено на валу 18, размещенном в опорах вращения гондолы 19 ветроэнергетической установки.

Работа центробежного регулятора угла поворота лопастей происходит следующим образом. При невращающемся ветроколесе 6 элементы центробежного регулятора занимают положение, показанное на фиг.1. При этом лопасти 5 установлены под углом, обеспечивающим раскрутку ветроколеса при малых значениях скорости ветра. При действии на ветроколесо 6 ветрового потока оно начинает вращаться. Под действием возникающих центробежных сил грузы 9 начинают удаляться от оси вращения ветроколеса 6. Движение грузов 9 преобразуется рычажными механизмами 7 в поворот вала 3. Вал 3 поворачивается относительно ступицы 2 против часовой стрелки и с помощью механизма передачи движения 4 лопастям 5 поворачивает последние в сторону уменьшения отсчитываемого от плоскости вращения ветроколеса 6 угла установки лопастей 5. Поворот коромысла 8 приводит к растяжению пружины 13 ограничителя хода 12. Пружина 14 на этапе раскрутки в работу не включается. Раскрутка ветроколеса 6 заканчивается, когда центробежный регулятор переходит в положение, показанное на фиг.2 (положение "реверса"), при котором оси шарниров крепления шатуна 11 к коромыслам 8, 10 и ось шарнира крепления коромысла 8 к ступице 2 лежат на одной прямой. В этом положении угол установки лопастей 5 принимает наименьшее значение, обеспечивающее достижение максимального значения коэффициента использования энергии ветра. Угловые скорости, соответствующие началу движения грузов 9 относительно ступицы 2 и концу этапа раскрутки, регулируются выбором предварительного натяжения пружины 13 и ее жесткости. В положении "реверса" центробежный регулятор удерживается усилием предварительного поджатия пружины 14 и усилием в пружине 13 до достижения угловой скорости вращения ветроколеса 6, обеспечивающей снятие установленной мощности при расчетной скорости ветра. При большей скорости вращения грузы 9 продолжают движение от оси вращения ветроколеса 6, а вал 3 начинает поворачиваться в обратную сторону (по часовой стрелке), увеличивая тем самым угол установки лопастей 5. Пружина 14 сжимается. Показанное на фиг.3 положение центробежного регулятора соответствует переводу лопастей 5 во флюгерное положение. Подбором жесткости пружины 14 регулируется значение максимальной угловой скорости вращения ветроколеса 6 в рабочем диапазоне скоростей ветра.