ветроколесо ветроэнергетической установки горизонтально- осевого типа

Формула изобретения

Ветроколесо ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа, содержащее лопасти, валы которых размещены через радиальные подшипники качения в опорах, выполненных в виде закрепленных на ступице ветроколеса стаканов, центробежный регулятор угла поворота лопастей, включающий центробежные грузы и пружинный механизм, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит закрепленные на валах лопастей втулки, контактирующие с дном стакана и образующие с ним пару трения, при этом втулка выполнена целиком или содержит вкладыш или покрытие из антифрикционного материала.

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.

Известно ветроколесо ветроэлектрических агрегатов ВЭ-2 (Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. Издательство сельского хозяйства СССР. - Москва, 1957, стр. 45, рис.36) или ветроколесо ветроустановки с центробежным регулятором по свидетельству на полезную модель №25915, каждое из которых может быть принято за прототип. Ветроколесо содержит лопасти, валы которых размещены через радиальные и радиально-упорные подшипники качения в опорах, выполненных в виде закрепленных на ступице ветроколеса стаканов, центробежный регулятор угла поворота лопастей, включающий центробежные грузы и пружинный механизм. Все данные признаки, кроме наличия радиально-упорных подшипников, удерживающих лопасть в радиальном направлении, присутствуют (являются общими) и в предлагаемом техническом решении.

Данная конструкция ветроколеса достаточно распространена и позволяет регулировать обороты ветроколеса в зависимости от силы ветра, однако в процессе ее работы был выявлен следующий недостаток - взаимодействующие с воздушным потоком лопасти и центробежный механизм угла их поворота образуют колебательную систему, которая при недостаточной диссипации энергии может на отдельных режимах работы оказаться неустойчивой по возмущению, в результате чего возникают автоколебания, способные нарушить нормальную работу ветроэнергетической установки и даже привести ее к разрушению.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения устойчивости ветроколеса (исключение возможности возникновения автоколебаний) ветроэнергетической установки с центробежным регулятором угла поворота лопастей при любых режимах работы.

Для достижения указанного технического результата ветроколесо ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа, содержащее лопасти, валы которых размещены через радиальные подшипники качения в опорах, выполненных в виде закрепленных на ступице ветроколеса стаканов, центробежный регулятор угла поворота лопастей, включающий центробежные грузы и пружинный механизм, дополнительно содержит закрепленные на валах лопастей втулки, контактирующие с дном стакана и образующие с ним пару трения, при этом втулка выполнена целиком или содержит вкладыш или покрытие из антифрикционного материала.

При этом материал пары трения и ее параметры (радиус трения, способ смазки) подбираются в зависимости от конкретных параметров ветроустановки (размеры, мощность, диапазон ветров и т.п.) таким образом, чтобы во всем диапазоне скоростей ветра и при всех возможных амплитудах возмущающих воздействий была обеспечена устойчивость рассматриваемой системы. Так, как правило, при выполнении стакана из стали вторая половина пары трения, т.е. втулка или ее часть, например вкладыш, или ее покрытие, может быть выполнено из баббита, бронзовых или алюминиевых сплавов и т.п., пластиков (текстолита, капрона, тефлона и т.п.). Кроме того, возможно, а зачастую и целесообразно, использование в околоподшипниковом пространстве жидкой или консистентной смазки.

Отличительными признаками предлагаемого ветроколеса ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа является то, что оно дополнительно содержит закрепленные на валах лопастей втулки, контактирующие с дном стакана и образующие с ним пару трения, при этом втулка выполнена целиком или содержит вкладыш или покрытие из антифрикционного материала.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат - по сравнению с прототипом исключается вероятность возникновения автоколебаний лопастей ветроколеса при их взаимодействии с набегающим потоком.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемую конструкцию ветроколеса ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения 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 существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности “изобретательский уровень”.

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

Изобретение поясняется чертежом. Ветроколесо ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа содержит лопасти 1, валы 2 которых размещены через радиальные подшипники качения 3 в опорах, выполненных в виде закрепленных на ступице 4 ветроколеса стаканов 5. На валах 2 лопастей 1 при помощи гаек 6 закреплены втулки 7 из антифрикционного материала, контактирующие с дном стаканов 5. Каждый из валов 2 рычажным механизмом, включающим рычаги 8 и 9, соединен со штоком 10. Перемещение штока 10 в направлении оси втулки 15 регулируется предварительно поджатой пружиной 11. Для предотвращения угловых перемещений штока 10 относительно втулки 15 в ней выполнен продольный паз 12, в котором может перемещаться закрепленный в штоке 10 штифт 13. Грузы 14 центробежного регулятора размещены на лопасти 1. Удержание лопасти 1 от перемещений под действием центробежных сил в радиальном направлении осуществляется с помощью упорного подшипника скольжения, образованного стаканом 5 и втулкой 7, выполняющего одновременно роль демпфера сухого трения.

Работа описанного устройства осуществляется следующим образом. Если угловая скорость вращения ветроколеса превышает заданную величину, усилие, передаваемое на шток 10 со стороны центробежных грузов 14, превышает усилие предварительного поджатия пружины 11. Шток 10 начинает перемещаться вдоль оси втулки 15. При наличии действующих на лопасть 1 возмущений, вызванных, например, порывами ветра, и недостаточной диссипации энергии в системе, образованной лопастью 1 с центробежными грузами 14 и пружиной 11, могут возникать автоколебания, способные нарушить нормальную работу ветроэнергетической установки и привести к ее разрушению. Предотвращение возможности появления автоколебаний достигается с помощью полученного демпфера сухого трения, обеспечивающего, при правильном подборе материалов пары трения (стакана 5 и втулки 7), а также радиуса трения и способа смазки, необходимую диссипацию энергии. Вероятность возникновения автоколебаний и их амплитуда увеличиваются с ростом угловой скорости вращения ветроколеса, но одновременно увеличиваются действующие на лопасть 1 центробежные силы, а следовательно, и силы трения в демпфере сухого трения. Таким образом обеспечивается самонастройка в колебательной системе.