Вітродвигун

Вітродвигун, який має головку з установленим в ній генератором, кінематично зв'язаним з вітроколесом і закріплену на вертикальній опорі з можливістю обертання в горизонтальній площині, механізми виводу вітроколеса від вітру та орієнтування на вітер і систему контролю за роботою генератора, який відрізняється тим, що головка приєднана до опори горизонтальним шарніром, вісь якого розміщена між центрами ваги головки і генератора, а в механізмі виводу вітроколеса від вітру аеродинамічного профілю пластина закріплена в горизонтальній площині за допомогою шарнірів на хвості і зафіксована пружинами та упором, при цьому на вертикальній опорі жорстко закріплені по периметру опори в радіальному напрямку стопорні штирі, які утримують хвіст і головку від повороту в виведеному від вітру стані, а на кронштейні механізму орієнтування на вітер закріплений поводок, напроти якого розташований один кінець пружини крутіння, другий кінець якої жорстко закріплено на вертикальній опорі, яка проходить всередині пружини Винахід відноситься до вітроенергетики і стосується горизонтально-вісьових вітродвигунів потужністю до ЮОквт ВІДОМІ вітродвигуни, в яких вітроколесо виводиться ІЗ-ПІД вітру з допомогою бічної лопати, або розміщенням ВІСІ вітроколеса відносно ВІСІ вертикальної опори з ексцентриситетом [1, стор 71] В обох випадках вітроколесо повертається в своє початкове положення з допомогою пружини зусилля якої розраховується на обумовлену швидкість вітру Так як швидкість повітряного потоку постійно змінюється і навіть при штормових умовах бувають секундні паузи, коли швидкість вітру дорівнює "О", то вітроколесо постійно буде коливатися навкруги вертикальної ВІСІ і силові елементи лопастей, трансмісії і вітроколеса постійно будуть зазнавати черезмірні динамічні навантаження розкручувати кабель, який накручується навкруги вертикальної опори, або установлювати спеціальні струмоз'ємники [2] Перше потребує допоміжних робіт по обслуговуванню, а друге ускладнює конструкцію і робить її більш ненадійною Відомий також вітродвигун, в якому головка, з установленому в ній генератором, кінематично зв'язаним з вітроколесом, закріплена на вертикальній опорі з можливістю обертання в горизонтальній площині під дією сили лобового тиску, і при завеликих швидкостях вітру може змінювати кут між вектором швидкості вітру та площиною вітроколеса за допомогою жорсткого підвісу, піднімаючись вверх і в сторону під дією проскопичного моменту [3] В системі контролю за роботою генератора вітродвигун має датчик, який включає або виключає навантаження в залежності від положення головки вітродвигуна Для орієнтування на вітер вітроколесо може установлюватися з допомогою хвоста, який складається з ферми і поверхні (опірення), яка здебільш має аеродинамічну форму, і закріпляється вертикально в КІНЦІ ферми [1, стор 59], а також розміщенням і утримуванням вітроколеса в робочому положенні силою лобового тиску [1 ,стор 68] Так як вітер постійно змінює свій напрямок, виникає необхідність час від часу або В такій конструкції швидкість виводу вітроколеса ІЗ-ПІД вітру залежить від ваги головки і вітроколеса Тому при різких поривах вітру значна частина лобового тиску передається на вертикальну опору і її потрібно виготовляти більш міцною, що значно збільшує термін окупності вітродвигуна В основу винаходу поставлено задачу удосконалення вітродвигуна шляхом забезпечення автоматичного виведення вітроколеса з вітрового 00 ю 54948 потоку після збільшення швидкості вітру до неробочих його значень, спрощення конструкції механізму орієнтування вітроколеса на вітер, що дозволить зменшити навантаження на силові елементи лопастей вітроколеса, на механічну передачу головки та на вертикальну опору, покращити умови експлуатації вітродвигуна, збільшити надійність його в роботі та зменшити капітальні витрати при виготовленні, що в підсумку зменшить термін окупності вітродвигуна Ця задача розв'язується тим, що в вітродвигуні, який має головку з установленим в ній генератором, кінематичне зв'язаним з вітроколесом і закріплену на вертикальній опорі з можливістю обертання в горизонтальній площині, механізми виводу вітроколеса від вітру та орієнтування на вітер і систему контролю за роботою генератора, головка приєднана до вертикальної опори з допомогою горизонтального шарніру, вісь якого розміщена між центрами ваги головки і генератора, а в механізмі виводу вітроколеса від вітру аеродинамічного профілю пластина закріплена в горизонтальній площині з допомогою шарнірів на хвості і зафіксована пружинами та упором таким чином, що и аеродинамічна сила від омивайомого вітрового потоку направлена вниз, при цьому на вертикальній опорі жорстко закріплені по периметру опори в радіальному напрямку стопорні штирі, утримуючі хвіст і головку від повороту в виведеному від вітру вітроколесо стані, а на кронштейні механізму орієнтування на вітер закріплений поводок, напроти якого розташован один кінець пружини крутіння, другий кінець якої жорстко закріплено на вертикальній опорі, яка проходить всередині пружини, що дозволяє головці під дією сили лобового тиску вітроколеса займати необхідне положення по відношенню до вектора швидкості вітру, закручуючи пружину не більш ніж як на 180° і повертаючись в початкове положення в годину затишшя, не накручуючи кабель навкруги вертикальної опори Застосування горизонтального шарнірного зв'язку головки з вертикальною опорою дозволяє при завеликих швидкостях вітру повернути головку в вертикальній площині на 90° тобто вивести и ІЗПІД вітру і цим самим зменшити навантаження на силові елементи вітроколеса, трансмісії та на вертикальну опору Розміщення ВІСІ ЦЬОГО горизонтального шарніру між центром ваги головки і центром ваги генератора дозволяє зменшити величину моменту, який необхідно прикласти для повороту головки на 90° під час виведення її ІЗ-ПІД вітру, що позитивно відбивається на габаритних розмірах аеродинамічної пластини та довжині и хвоста, а значить зменшуються капітальні витрати, та витрати при транспортних та монтажних роботах Таке розміщення ВІСІ шарніру робить запропоновану схему виведення вітроколеса ІЗ-ПІД вітру економічно доцільною для вітродвигунів потужністю до ЮОквт Кріплення аеродинамічного профілю пластини в горизонтальній площині з допомогою шарнірів на хвості і фіксування її пружинами та упором забезпечує стале положення вітроколеса при робочих швидкостях вітру, так як аеродинамічна сила діюча на пластину, має із-за малого кута атаки невелике значення, При збільшенні швидкості вітру пружина стискується, кут атаки збільшується, значно зростає аеродинамічно сила і вітроколесо виводиться ІЗ-ПІД вітру, повертаючись навкруги горизонтального шарніру на 90° Хвіст виготовляють із двох рядом розташованих з зазором труб В цей зазор при повороті і входить один із стопорних штирів, які жорстко закріплені по периметру вертикальної опори в радіальному напрямку Центр ваги головки відносно горизонтального шарніру буде утримувати и в вертикальному положенні, а стопорні штирі не дозволять їй повернутися навкруги в горизонтальній площині Від зміну напрямку вітрового потоку головка постійно обертається в горизонтальній площині і кабель може накручуватись на вертикальну опору Щоб запобігти цьому на кронштейні механізму орієнтування закріплений поводок, який або закручує, або розкручує пружину крутіння, яка одним своїм кінцем закріплена жорстко на вертикальній опорі, а другим контактує з поводком і не дає головці закручувати кабель на вертикальний опорі більш ніж на 180° Сукупність суттєвих ознак винаходу При штормових вітрах з допомогою горизонтального шарніру, який з'єднує головку з вертикальною опорою і горизонтальної аеродинамічного профілю пластини, зафіксованої пружиною та упором на хвості, головка з вітроколесом може виводитися ІЗПІД вітру, повертаючись в вертикальній площині на 90° і утримуватись в такому положенні стопорними штирями, закріпленими не вертикальній опорі, а пружина крутіння утримує головку від постійного її закручування в одному і тому ж напрямку, не даючи кабелю накручуватися навкруги вертикальної опори Технічний результат розміщення ВІСІ горизонтального шарніру між центрами ваги головки і генератора зменшує момент, необхідний для повороту головки на 90° і дає можливість невеликого габариту аеродинамічною пластиною повертати головку з вітроколесом вітродвигуна потужністю до ЮОквт Відпадає необхідність приміняти струмоз'ємник або розкручувати час від часу кабель Причинно-наслідковий зв'язок з'єднання головки з вертикальною опорою з допомогою горизонтального шарніру і розміщення його між центрами ваги головки і генератора дозволяє невеликих габаритів аеродинамічній пластині автоматично виводити вітроколесо з вітрового потоку при штормових вітрах, а пружині крутіння в години затишшя вертати головку в початкове положення не закручуючи кабель кругом вертикальної опори На фіг 1 зображена схема вітродвигуна, на фіг 2 - розріз вертикальної опори по А-А з фіг 4 після виводу вітроколеса ІЗ-ПІД вітру, на фіг 3 схема взаємодії поводка з пружиною крутіння, на фіг 4 - схема розміщення головки після виводу вітроколеса ІЗ-ПІД вітру на фіг, 5-вид зверху на пластину аеродинамічного профілю 54948 Вітродвигун включає [див фіг 1-5] головку 1, в якій установление генератор 2 з гальмом 3, а також мультиплікатор з опорним вузлом і карданним валом 4, через які генератор кінематичне з'єднується з вітроколесом 5, вертикальну опору 6, в верхньому КІНЦІ якої вмонтовано підшипниковий вузол 7 механізма орієнтування на вітер з радіально-упорними підшипниками та трубчатого віссю 8, на кронштейні 9 якої закріплено поводок 10, та розміщена вісь горизонтального шарніру 11, з допомогою якого головка приєднується до вертикальної опори До головки прикріплен двохтрубчатий хвіст 12 механізма виводу вітроколеса від вітру, на КІНЦІ ЯКОГО шарніром 13 закріплена в горизонтальній площині аеродинамічного профілю пластина 14 і зафіксована пружинами 15 та упором 16 На хвості кріпиться також балансувальний вантаж 17 і трос ручного керування 18 положенням головки Впродовж хвоста і троса від генератора може бути розміщеним і силовий кабель (на фіг умовно не зображений) до електричної мережі або місцевого споживача По тросу і хвосту до генератора закріплюється кабель системи контролю за роботою генератора (також умовно не зображений) На вертикальній опорі по її периметру, закріплені в радіальному напрямку стопорні штирі 19 та одним своїм кінцем пружина крутіння 20, другий кінець якої 21 розташован напроти поводка 10 Всередині вертикальної опори, через трубчату вісь 8 проходить трос 22, яким головку повертають в робоче положення На ньому закріплено амортизатор 23 При розрахунках вітродвигуна в центр ваги головки 02 входить вага вітроколеса 5, генератора 2 з гальмом 3, мультиплікатора з опорним вузлом і карданним валом 4, вага рами на якій вони кріпляться, вага хвоста 12, вантажа 17, пластини 14 з пружинами 15, упором 16 та шарніром 13 Місце розміщення вантажу 17 вибирається таким, щоб розмір "а" був мінімальним, не дорівнював би нулю і не мав би від'ємного значення Тобто, щоб центр ваги головки "Ог" і центр ваги генератора "0" не знаходились би по одну сторону відносно ВІСІ горизонтального шарніру 11 Розмір "с" [фіг 1-5] залежить від того як змінюється по довжині хорди рівнодіюча під'ємної сили "У" в залежності від кута атаки а і також вибирається мінімальним відносно точки прикладення сили "У" при максимальному куту а Розмір d розраховується із рівності моментів У d=T-B, де Т-величина лобового тиску вітропотоку на вітроколесо при номінальному режиму роботі, а в - конструктивний розмір між віссю вітроколеса та віссю горизонтально шарніру 11 L - розмір між центром ваги вітроколеса d і продовжною віссю вертикальної опори розраховується з умови необхідного моменту установки вітроколеса на вітер силою лобового тиску Т при мінімальній робочій швидкості вітру [1, стор 68] В години затишшя вітродвигун має вигляд зображений на фіг 1 Кут а, в залежності від виду аеродинамічної форми пластини 14 дорівнює "0", або має даже деяке від'ємне значення, щоб сила У була мінімальна Пружини 15 притискають хвостову частину пластини 14 до упору 16 Центр ваги Ог утримує головку, притискуючи її до кронштейну 9 3 появою вітру, вітроколесо під дією лобового тиску починає повертатися в горизонтальній площині в підшипниковому вузлі 7 поки площина вітроколеса не стане перпендикулярно вектору швидкості вітрового потоку Якщо швидкість вітру дорівнює робочим значенням швидкості вітрового потоку, система контролю за роботою генератора включає його в роботу, Вітроколесо починає обертатися, мультиплікатор збільшує його оберти, генератор виробляє струм Від вітрового потоку на пластині 14 буде виникати аеродинамічна сила У, направлена вниз Але доки швидкість вітру буде залишатися в значеннях робочих величин пружини 15 будуть утримувати кут а в його початковому значенні і сила У буде зростати пропорційно квадрату швидкості вітру [V в] На вітроколесі сила лобового тиску теж зростає пропорційно V 2 B, а гіроскопічний момент ще більш притискує головку 1 до кронштейну 9 Таким чином вітродвигун буде працювати стабільно, так як незначні коливання швидкості вітру зверх номінальних значень не будуть виводити вітроколесо ІЗ-ПІД вітру При збільшенні VB зверх робочих значень система контролю за роботою генератора виключає його з роботи і зупиняє гальмом 3 Гіроскопічний момент стає рівним нулю Пружина 15 стискуючись, збільшує кут а Сила У значно зрастає, момент У d становиться більшим за момент Т-в і головка починає повертатися в вертикальній площині по часовій стрільці Змінюється кут між вектором VB І площиною вітроколеса Сила Т зменшується, а після переходу центра ваги Ог через вертикальну площину, проведену через вісь горизонтального шарніру 11, подальшому повороту головки буде сприяти вага всієї головки Щоб вивід вітроколеса не був дуже стрімким всередині опори 6 проходить трос 22, який стискує пружину амортизатора 23 і повністю гасить енергію головки на куті її повертання від 60° до 90° В затишшя цим же тросом 22 знизу головка повертається в своє початкове положення При ПІДХОДІ хвоста 12 до опори 6 в простір між двох труб входить один із стопорних штирів 19, який не дає можливості повернутися головці із положення нестійкої рівноваги на 180° і зайняти знову робоче положення 3 допомогою троса ручного керування 18 головку можна також повернути на 90° в години затишшя для профілактичних робіт, або яких других цілей Так як вітер постійно змінює напрямок, то головка повинна вільно обертатися в горизонтальній площині Якщо під дією лобового тиску [фігЗ] головка буде повертатися в напрямку сої, то вона може повернутися на кут[р+у] не скручуючи пружину 20, так як поводок 10 не буде контактувати з кінцем пружини 21 А якщо сила Т буде повертати головку в напрямку а>2, то після повернення на кут у пружина 20 в подальшому буде розкручуватися, накопичуючи потенційну енергію Так як за один раз вітроколесо повертається не більш як на 180°, то і кабель буде накручуватися на вертикальну опору на той же кут Жорсткість пружини вибирається такою, щоб її скручуючого моменту при повороті на 100-120° 8 54948 було достатньо, щоб вернути головку в початкове положення, подолавши момент сил тертя в підшипниковому вузлі 7 Щоб вітроколесо більше знаходились в просторі, позначеному кутом р, пружину 20 потрібно закріпити на опорі 6 з урахуванням панівних напрямків вітру [рози вітрів] в місцевосці, де буде експлуатуватися вітродвигун Так як швидкість вітру від повного затишшя або робочих значень до штормових величин в природі здійснюється не миттєво, а на протязі, як мінімум, декількох хвилин, то таке превентивне виведення вітроколеса ІЗ-ПІД вітру перед початком шторму дозволить уникнути силовим елементом вітроколеса, трансмісії і вертикальній опорі значних динамічних перевантажень і зникає необхідність закладати в конструкцію вітродвигуна ті запаси МІЦНОСТІ ЯКІ спрацьовують один раз в два-три роки Це дозволить значно змінити витрати на матеріали і заощадити капітальні витрати, витрати на транспорт та монтажні роботи ЮМ Фатеев "Вітродвигуни і 1 використання в сільською господарстві" "Машвид", 1957р, 2 Авторське свідоцтво №1404670 F 03Д11/00 Бюллетень №23 від 23 06 88р 3 Авторське свідоцтво №1537887 F 03Д7/04 Бюллетень №3 від 23 01 90р - (прототип) Фіг.1 Фіг.2 Фіг.З 10 54948 Фіг.4 Фіг.5 Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24