Вітроколесо з механізмом керування кутом обтікання лопаті

Винахід відноситься до вітроенергетики і стосується вітроустановок з вертикальною віссю обертання ротору (типа Дар'є), де ротор має прямокутні вертикально розташовані лопаті. В зв'язку з тим, що ротори з жорстко встановленими відносно траверс лопатями самозапускаються при досить великій швидкості вітру, існує цілий ряд конструкцій, які міняють кут встановлення лопаті відносно траверси під час одного оберту вітроротору. Відоме вітроколесо вітроенергетичної установки (пат. Росії №2024782, 1994р.), що містить вал із закріпленими на ньому радіальними траверсами, на кінцях яких шарнірно встановлені трикутні в плані кронштейни, поворот яких щодо траверс обмежений упорами, та підпружинені лопаті з плоскими пілонами, які шарнірно з'єднані з кронштейнами, а пілони лопатей і кронштейни додатково зв'язані між собою в районі задньої крайки лопаті попередньо напруженими пружинами. На іншому кінці кронштейна додатково встановлюється противага. За рахунок поворотів лопатей при запуску вітроколеса під дією аеродинамічних сил здійснюється саморозкручування вітроколеса, при великих швидкостях вітр у відбувається обмеження оборотів вала за рахунок відхилення лопатей від оптимального кута під дією відцентрових сил. Така конструкція має вузький діапазон величин зміни кута встановлення лопаті і тому зниження величини порогової швидкості вітру повинно бути незначним. Найближчим технічним рішенням до заявляємого пристрою є лопать (пат. Росії №2141059, 1999р.) із самовстановленням кута атаки до напрямку набігаючого потоку, яка встановлена на конструкції, що р ухається, з можливістю повороту навколо власної осі. Лопать містить пристрій зміни кута атаки лопаті шляхом повороту його осі за допомогою впливу на нього через кінематичний зв'язок закрилка, установленого на задній крайці лопаті з можливістю повороту. Пристрій зміни кута атаки являє собою вісь, один кінець якої розташований усередині закрилка між двома пластинами і загнутий під кутом 120-135° з можливістю переміщення між даними пластинами, при цьому вісь виконана з можливістю обертання, а її другий кінець розташований усередині крила і кінематично зв'язаний з конструкцією, що рухається, з можливістю напружено-пружного зворотного повороту при перевищенні робочого моменту обертання на осі. Кінематичний зв'язок частини осі пристрою зміни кута атаки, розташованого в лопаті, з конструкцією, що р ухається, виконана у вигляді встановленої на осі 1 конічної шестірні, що входить у зачеплення з конічною шестірнею, змонтованою в корпусі конструкції, що рухається, чи у виді гн учкого зв'язку. Площа закрилку згідно винаходу є значно менша площі лопаті, кути його повороту відносно лопаті є невеликими і тому вплив його на кут встановлення лопаті не може бути значним. Задача, що вирішується пропонованим пристроєм - підвищення ефективності роботи вітросилової установки за рахунок поліпшення моментних характеристик вітроколеса, розширення діапазону зміни величин кутів встановлення лопаті відносно дотичної до кругової траєкторії лопаті та зниження порогової величини швидкості вітру, при якій вітроротор самозапускається. Вітроколесо з механізмом керування кутом обтікання лопатей містить вертикальний вал, горизонтальні траверси, встановлені на їх кінцях вертикально прямокутні в плані лопаті з осесиметричним профілем та пристрої для регулювання кута встановлення лопатей відносно траверс на траєкторії колового руху лопаті, причому з'єднання вертикальних осей лопатей з траверсами виконано так, що є можливість їх пружного зворотного переміщення відносно останніх, кінці траверс мають в плані Г-подібну форму, а пристрої для регулювання кута встановлення лопатей відносно траверс виконано у формі встановлених перед лопатями дугоподібних рухомих передкрилків з торцевими горизонтальними пластинами, які горизонтальними штоками перемінної довжини з'єднані шарнірно з встановленими на торцях лопатей перпендикулярно передній крайці лопаті горизонтальними важелями, а вертикальними осями - з горизонтальними траверсами таким чином, що пружне зворотне переміщення осей відбувається перпендикулярно до поздовжної осі траверси. Для більш докладного роз'яснення суті пристрою, який заявляється, нижче представлено креслення і докладний опис цього пристрою. На фіг.1 представлено загальний вигляд у горизонтальній площині механізму керування кутом обтікання лопаті вітроколеса з вертикальною віссю обертання, на фіг.2 - розріз по А-А з фі г.1 (збільшено втричі відносно фіг.1), на фіг.З - вид Б з фіг.1 (зменшено удвоє відносно фіг.1), на фіг.4 - взаємне розміщення елементів механізму керування кутом встановлення лопаті у різних точках кругової траєкторії руху лопаті вітроколеса. Вітроколесо з вертикальною віссю обертання та з механізмом керування кутом обтікання лопаті складається з прямокутних в плані вертикальних лопатей 1 з осесиметричним профілем, кожна з яких шарнірно за допомогою осей 2 розміщена між двома паралельними траверсами 3 (фіг.1), які встановлені з можливістю обертання на вертикальному валу 4 (фіг.4), а перед лопатями розміщуються рухомі дугоподібні вертикальні передкрилки 5, на торцях яких встановлені горизонтальні пластини 6, до яких кріпляться осі 7. Траверса 3 має розташовану на своєму кінці перпендикулярну до поздовжної осі траверси планку 8 так, що в плані кінець траверси має Г-образну форму. На частині своєї довжини планка має паз, в якому розміщується з можливістю переміщення вздовж нього вісь 7. З'єднання осі 7 з планкою 8 є пружним і забезпечується пружиною 9. Фіксація осі 7 в пазу планки 8 у вертикальному напрямку забезпечується кришкою-фіксатором 10 (фіг.2). На торцях лопатей 1 перпендикулярно передній крайці лопаті встановлені горизонтальні важелі 11, які на кінцях мають вертикальні осі 12. Осі 7 і 12 з'єднані між собою горизонтальними штоками таким чином, що відстань між ними є перемінної довжини. Горизонтальний шток 13 одним кінцем з'єднаний шарнірно з віссю 12, а інший кінець штока 13 входить до порожнини горизонтального відростка 14, що знаходиться на осі 7 і в порожнині якого знаходиться пружина 15, яка забезпечує пружне з'єднання осі 7 передкрилка 5 зі штоком 13 так, що відстань між осями 7 і 12 може змінюватись. Фіксація штока 13 у порожнині відростка 14 здійснюється кришкою 16. Працює пристрій наступним чином. У положенні І на фіг.4 кут між напрямком дії сили гідродинамічного напору R, що діє на дугоподібний передкрилок 5, та поздовжною віссю паза, що розташований у планці 8 траверси З, дуже великий і величина проекції сили R на поздовжну вісь пружини 9 дуже мала. Пружина 9 знаходиться практично у нейтральному положенні, а відстань між осями 7 і 12 є найбільшою, тому що вісь 2 на лопаті 1 розміщена ближче до передньої крайки лопаті і гідродинамічні сили, що діють на обидві частини лопаті, намагаються повернути лопать 1 відносно осі 2 у напрямку проти годинникової стрілки. Кут встановлення лопаті b (кут між хордою профілю лопаті та дотичною до траєкторії колового руху лопаті) в цьому випадку буде додатним і найбільшим. При русі лопаті по колу за годинниковою стрілкою напрямок сили R буде змінюватись відносно поздовжної осі планки 8, пружина 15 буде втягувати шток 13 всередину відростка 14, відстань між осями 7 і 12 буде зменшуватись. В той же час під дією сили R передкрилок 5 змушує вісь 7 переміщатися вздовж осі паза планки 8 і кут встановлення лопаті b зменшується (положення III на фіг.4). Коли величина проекції сили R на поздовжну вісь планки 8 буде найбільшою, вісь 7 займе у пазі планки 8 найдальше відносно осі 2 положення і кут встановлення лопаті (3 буде рівним нулю. При подальшому русі лопаті по коловій траєкторії під дією сили R передкрилок 5 змушує шток повернутись в іншу сторону відносно поздовжної осі паза планки 8, відстань між осями 7 і 12 знову збільшується і кут встановлення лопаті b також збільшується, але становиться вже від'ємним (положення IV на фіг.4). При подальшому русі лопаті по коловій траєкторії кут встановлення лопаті b зостається від'ємним, але після положення V на фіг.4 величина кута b починає зменшуватись, після положення VI набігаючий поток діє на передкрилок 5 вже не на увігн уту поверхню передкрилка, а на опуклу поверхню, від чого відстань між осями 7 і 12 швидко зменшується і у положенні VII (фіг.4) стає найменшою, а кут встановлення лопаті b стає нульовим. При русі лопаті від положення VII до положення VIII гідродинамічний напір на хвостову частину лопаті збільшується і лопать 1 обертається навколо осі 2 проти годинникової стрілки і кут встановлення лопаті b стає додатним і поступово збільшується. Підбором пружності пружин 15 і 9, величини площі та радіуса кривизни передкрилка, довжини штока 13 і відстані між осями 2 і 12 для різних режимів обертання вітроколеса можна підібрати такий режим зміни величини та знаку кута встановлення лопаті b, який дозволить значно збільшити потужностні та моментні характеристики вітроколеса, забезпечити замозапуск вітроротора у коловий рух при невеликих швидкостях ві тру. Джерела інформації 1. Патент №2024782 Російської Федерації, МКИ 5 F03D3/06, 1994р. 2. Патент №2141059 Російської Федерації, МКИ 6 F03D7/06,1999р. – прототип.