Ограничитель частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения

Авторы патента:

Петько Виктор Гаврилович (RU)

Колесников Александр Борисович (RU)

Фомин Максим Борисович (RU)

Рахимжанова Ильмира Агзамовна (RU)

Садчиков Александр Сергеевич (RU)

Колесникова Ирина Валерьевна (RU)

F03D7/06 - когда ось вращения ротора перпендикулярна направлению ветра

F03D3/062 - Ветряные двигатели с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра (регулирование F03D 7/00)

F03D3/06 - роторы

Владельцы патента RU 2791793:

Общество с ограниченной ответственностью "Тюльганский электро механический завод" (RU)

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к системам автоматического регулирования для ограничения частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения. Ограничитель частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения содержит расположенные в плоскости вращения лопастей, установленных на неподвижно связанных с вертикальным валом траверсах, подпружиненные грузы, имеющие возможность перемещения в радиальном направлении, воздействующие под действием центробежной силы на систему ограничения частоты вращения ветротурбины. Лопасти установлены с возможностью вращения вокруг их продольной оси на траверсах. Грузы неподвижно закреплены на лопастях эксцентрично их осям вращения. На валу центральным отверстием установлено с возможностью поворота коромысло, на концах которого на равных расстояниях от центра имеются первые шарниры, связанные посредством жёстких тяг, длина которых равна расстоянию между осями вращения лопастей и осью вала, с расположенными на лопастях на таком же расстоянии от центра вращения лопастей вторыми шарнирами. Коромысло под действием пружины прижато к упорам и находится при этом в таком положении, при котором угол установки лопастей соответствует оптимальному по коэффициенту использования энергии ветра значению. Техническим результатом является обеспечение ограничения частоты во всём диапазоне скоростей ветра при отсутствии дисбаланса ветротурбины за счет синхронного поворота лопастей. 2 ил.

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть использовано для ограничения частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения.

Известен аэродинамический регулятор [1], содержащий три расположенных на траверсах горизонтальных лопасти, внутри которых установлена пружинно-винтовая пара. Когда частота вращения ветротурбины превышает номинальное значение, под действием центробежной силы лопасти передвигаются по резьбе к периферии, поворачиваются плоскостью к направлению вращения и за счёт увеличивающегося аэродинамического торможения ограничивают частоту вращения. Его основными недостатками являются разбалансировка ротора ветротурбины из-за неравномерности поворота лопастей, а также неспособность удерживать частоту вращения в заданном диапазоне при высоких скоростях ветра. Это отрицательно сказывается на функциональных возможностях регулятора, работающего в данном случае в режиме ограничителя частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью.

Цель предполагаемого изобретения – повышение функциональных возможностей ограничителя частоты вращения ветротурбины.

Эта цель достигается тем, что в ограничителе частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения, содержащем, расположенные в плоскости вращения лопастей, установленных на неподвижно связанных с вертикальным валом траверсах, подпружиненные грузы, имеющие возможность перемещения в радиальном направлении, воздействующие под действием центробежной силы на систему ограничения частоты вращения ветротурбины, лопасти установлены с возможностью вращения вокруг их продольной оси на траверсах, грузы неподвижно закреплены на лопастях эксцентрично их осям вращения, на валу центральным отверстием установлено с возможностью поворота коромысло, на концах которого на равных расстояниях от центра имеются первые шарниры, связанные посредством жёстких тяг, длина которых равна расстоянию между осями вращения лопастей и осью вала, с расположенными на лопастях на таком же расстоянии от центра вращения лопастей вторыми шарнирами, причём коромысло под действием пружины прижато к упорам и находится при этом в таком положении, при котором угол установки лопастей соответствует оптимальному по коэффициенту использования энергии ветра значению.

Схематично заявляемый ограничитель частоты вращения ветротурбины с вертикальным валом вращения изображён на фигуре 1.

Он содержит расположенные в плоскости вращения лопастей 1, установленных в подшипниках 2 на траверсах 3, жёстко связанных с вертикальным валом 4 ветротурбины, плоские с целью уменьшения аэродинамического сопротивления при вращении грузы 5. Грузы закреплены неподвижно на лопастях 1 со смещением их центров тяжести относительно осей вращения лопастей. На валу установлено с возможностью поворота коромысло 6, на концах которого на равных расстояниях от оси вала имеются шарниры 7, связанные посредством жёстких тяг 8 с шарнирами 9, расположенными на лопастях на таком же расстоянии от оси вращения лопастей. Длина тяг равна расстоянию между осями вращения лопастей 1 и осью вала 4. Коромысло под действием спиральной пружины 10 прижато к упорам 11 и находится при этом в таком положении, при котором угол установки лопастей соответствует значению, оптимальному по коэффициенту использования энергии ветра. Вал ветротурбины вращается в подшипнике 12, установленному в опоре 13 ветроагрегата.

Работает ограничитель частоты вращения следующим образом.

При скоростях ветра не выше заданной и соответственно частоте вращения ветротурбины, не превышающей номинальное значение, центробежная сила грузов не в состоянии преодолеть сопротивление пружины. Коромысло прижато к упорам 11, лопасти находятся в исходном состоянии, соответствующем их номинальному положению, обеспечивающему наибольшую мощность ветротурбины при данной скорости ветра.

При увеличении скорости ветра V пропорционально увеличивается и частота вращения n ветротурбины. И как только она достигнет расчётной величины n_p коромысло под действием центробежной силы грузов, преодолевая сопротивление пружины, начнёт поворачиваться по часовой стрелке (если смотреть сверху) и посредством тяг начнёт уводить угол установки ветротурбин от оптимального значения. С этого момента ограничитель переходит в режим статического регулирования частоты вращения (режим работы по отклонению), осуществляющего её стабилизацию с точностью ∆n соответствующей статической характеристике регулятора. Чем больше при увеличивающейся скорости ветра будет отклоняться частота вращения от расчётной, тем больше будет и центробежная сила грузов и тем больше угол поворота коромысла и лопастей, будет отходить от оптимального значения (см. фиг. 2). В результате нарастание частоты вращения практически прекратится вплоть до буревой скорости ветра. При этом лопасти повернутся на угол близкий к 90°.

Таким образом, в отличие от прототипа ограничение будет осуществляться во всём диапазоне скоростей ветра при отсутствии дисбаланса ветротурбины так как поворот лопастей благодаря их связи через тяги и коромысло будет осуществляться синхронно. В этом и заключается полезный эффект предполагаемого изобретения.

Источник информации

1. Сироткин Е.А. Система аварийного торможения ветроэнергетической установки: Дис. к.т.н. – Челябинск, 2019 – С. 48…49. [Электронный ресурс]. URL https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/80639/1/urfu2133_d.pdf: (дата обращения 22.03.2021

Ограничитель частоты вращения ветротурбины с вертикальной осью вращения, содержащий расположенные в плоскости вращения лопастей, установленных на неподвижно связанных с вертикальным валом траверсах, подпружиненные грузы, имеющие возможность перемещения в радиальном направлении, воздействующие под действием центробежной силы на систему ограничения частоты вращения ветротурбины, отличающийся тем, что лопасти установлены с возможностью вращения вокруг их продольной оси на траверсах, грузы неподвижно закреплены на лопастях эксцентрично их осям вращения, на валу центральным отверстием установлено с возможностью поворота коромысло, на концах которого на равных расстояниях от центра имеются первые шарниры, связанные посредством жёстких тяг, длина которых равна расстоянию между осями вращения лопастей и осью вала, с расположенными на лопастях на таком же расстоянии от центра вращения лопастей вторыми шарнирами, причём коромысло под действием пружины прижато к упорам и находится при этом в таком положении, при котором угол установки лопастей соответствует оптимальному по коэффициенту использования энергии ветра значению.

Похожие патенты:

Ветрогенерирующее устройство // 2778960

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано как источник электрической энергии. Ветрогенератор состоит из симметричных аэродинамических крыльев, закрепленных на осях, проходящих через средние точки хорд крыльев.

Ветроэнергетическая установка ортогонального типа // 2776732

Область использования: в конструкциях ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения, предназначенных для обеспечения электроэнергией электросетей бытового и промышленного назначения, потребляющих электроэнергию малой и средней мощности. Ветроэнергетическая установка ортогонального типа включает мачту с электрогенератором и ветроколесо в виде радиально отходящих от мачты траверс в соединении вала электрогенератора с вертикальными лопастями аэродинамического профиля, обращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса.

Ветродвигатель с регулируемыми ветронаправляющими экранами // 2773251

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для получения механической и электрической энергии. Ветродвигатель содержит вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью вращения и расположенные снаружи ветротурбины по окружности свободноповорачивающиеся вокруг вертикальных осей ветронаправляющие экраны.

Парусная ветровая установка // 2753783

Изобретение относится к ветроустановкам. На парусной ветровой установке экран-паруса, установленные на концах водил, автоматически совершая вращательные движения относительно вертикальной оси под действием потока ветра в пределах, ограниченных ходом гидравлического цилиндра плавного торможения в конечных точках, что позволяет получить крутящий момент на вертикальном валу даже при низких скоростях ветра и с большим коэффициентом полезного действия.

Портативный ветрогенератор // 2748714

Изобретение относится к портативному ветрогенератору. Ветрогенератор содержит лопастную турбину 1 с вертикальной осью 2 вращения, расположенную внутри воздухонаправляющего аппарата, и электрогенератор 21, установленный по оси 2.

Регулируемый ветродвигатель // 2747736

Изобретение относится к ветроустановкам. Регулируемый ветродвигатель может использоваться на фермерских хозяйствах.

Система адаптивной стабилизации скорости вращения ветроротора // 2727119

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к системам предотвращения неконтролируемого разгона ветроротора Дарье при сильных ветрах. Система содержит генератор ветроротора, немагнитный вращающийся токопроводящий диск, электромагнитный блок, контроллер с заданным эталонным значением частоты или с заданным пороговым значением напряжения, компаратор.

Ветроэнергетическая установка ортогонального типа // 2716635

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ветроэнергетическая установка ортогонального типа, включающая мачту с электрогенератором и ветроколесо в виде радиальных от мачты траверс в соединении вала генератора с вертикальными лопастями выпукло-вогнутого аэродинамического профиля, обращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса.

Способ управления положением лопастей лопастной системы ветроэлектростанции // 2710107

Изобретение относится к способу управления положением лопастей лопастной системы ветроэлектростанции. Способ управления положением лопастей лопастной системы ветроэлектростанции, имеющей вертикальную ось вращения, характеризуется тем, что лопасти закрепляют с возможностью вращения на валу и выполняют с возможностью изменять их положение относительно оси их вращения таким образом, что с одной стороны от вертикальной оси вращения лопастной системы лопасть расположена перпендикулярно направлению воздушного потока, поступающего на лопастную систему, а с другой стороны параллельно, обеспечивают разворот лопастей на 90° при переходе лопастей с одной стороны лопастной системы относительно оси её вращения на другую посредством устройства разворота лопастей.

Турбина с динамически адаптируемыми лопастями савониуса // 2704587

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Устройство для полета над землей, имеющее динамически адаптируемые лопасти и содержащее каркас, который вращается вокруг оси каркаса, причем вращение каркаса вокруг оси каркаса создает эффект Магнуса, и эффект Магнуса вызывает подъем устройства над землей; множество турбин, расположенных внутри каркаса, при этом каждая турбина выполнена с возможностью вращения вокруг соответствующей оси турбины, отличной от оси каркаса, и каждая турбина содержит лопасть турбины, имеющую адаптируемую форму и содержащую: первое соединение между первым концом турбины и центральным участком турбины; и второе соединение между вторым концом турбины и центральным участком турбины; и контроллер турбины для управления первым соединением и вторым соединением, чтобы изменять адаптируемую форму лопасти от плоской формы до криволинейной формы путем регулирования первого соединения и/или второго соединения.

Ветроколесо // 2790112

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроколесам с горизонтальной осью вращения, преимущественно предназначенным для работы с электрогенераторами сегментного типа. Ветроколесо содержит ступицу, спицы, обод и уголки, внутренние стороны которых снабжены креплением к ободу.