Вітросилова установка

1. Вітросилова установка, що містить ротор з вертикально розташованим валом, з яким за допомогою траверс і цапф зв’язані вертикальні лопаті, які мають вертикальні осі з шарнірними кільцями, за допомогою яких вони закріплені на траверсах з можливістю повороту навколо цих осей, і встановленими на нижніх кінцях лопатей додатковими осями з вилками та роликами, які стикуються з кільцеподібною напрямною у формі жорсткого обода, що має у плані форму кола, а також апаратуру керування вітросиловою установкою, яка відрізняється тим, що кільцеподібна U 1 3 Недоліками описаної вище вітроустановки є неможливість регулювання кута встановлення лопатей ротора при зміні величини швидкості з метою регулювання швидкості обертання ротора, а також необхідність додаткової системи керування гідродомкратами для здійснення роз’єднання роликів Г-образних важелів лопатей із замкнутою направляючою, яка має форму подібно до скоби. Більш близьким по своїй конструкції до пропонованого винаходу є „Ротор вітросилової установки” [2], що містить вертикально розташовані лопаті, кожна з яких зв’язана за допомогою траверс і цапф із вертикальним валом, один кінець якого розміщений усередині опорної стійки з опорним вузлом, а другий шарнірно через кронштейн і розтяжки також зв’язаний з нерухомою основою, при цьому лопаті споряджені також шарнірними кільцями, за допомогою яких вони закріплені на траверсах з можливістю повороту навколо своєї вертикальної осі, і встановленими на нижніх кінцях лопатей вилками з роликами, а також містить флюгер із приєднаною до нього кільцеподібною направляючою, причому їх з’єднання виконане пружним з можливістю зміни кутового зсуву їх відносно один одного, а напрямна додатково споряджена приймачем швидкісного напору. Додаткові відрізнення полягають у тому, що пружне з’єднання флюгера з кільцеподібною направляючою містить установлений на флюгері підпружинений ролик і контактуючу з ним опорну кругову циліндричну поверхню, установлену на кільцеподібній направляючій з ексцентриситетом щодо осі повороту флюгера, причому вертикальні поверхні кільцеподібної направляючої реброподібної форми мають у плані форму окружностей, центр яких зміщений щодо осі повороту флюгера у бік його робочого елементу, а приймач швидкісного напору виконаний зонтикоподібним, причому пелюстки зонтикоподібної поверхні з’єднані з розташованим горизонтально осьовим штоком зонтика пружно, а останній установлений на кільцеподібній направляючій шарнірно з кутовим зсувом у 135 відносно подовжньої осі важеля флюгера в напрямку обертання ротора. Така конструкція ротора вітросилової установки дозволяє в залежності від швидкості вітру автоматично за рахунок зрівноважування моментів від сил, що виникають на приймачі швидкісного напору, на аеродинамічній поверхні флюгера, у точці контакту підпружиненого ролика з опорною поверхнею, а також від аеродинамічного крутного моменту на валу ротора, встановлювати кути установки лопатей вітроколеса шляхом кутового зсуву кільцеподібної направляючої стосовно напрямку вітрового потоку таким чином, щоб при різних швидкостях вітру (у тому числі і перевищуючих робочу) зберігати максимальним крутний момент на валу ротора, і постійну кутову швидкість обертання ротора. Недоліками такого ротора є те, що відсутня можливість оптимізувати роботу ротора за рахунок керування положенням лопатей ротора на траєкторії їх колового руху, що не дозволяє при різних швидкостях вітру величини отримати максимальні величини коефіцієнта використання енергії вітро 16097 4 вого потоку Ср та коефіцієнта крутного моменту См, які є основними характеристиками ефективності роботи ротору вітросилової установки. Задача, розв’язувана пропонованим винаходом - підвищення ефективності роботи вітросилової установки за рахунок поліпшення експлуатаційних характеристик і підвищення надійності роботи вітросилової установки при малих і великих швидкостях вітру шляхом використання механізму керування положенням лопатей ротора за рахунок лінійного зсуву кільцеподібної замкнутої направляючої уздовж напрямку вітру на деяку відстань, величина якої залежить від величини швидкості вітрового потоку і параметрів роботи ротора вітросилової установки. Поставлена задача вирішується тим, що вітросилова установка, яка містить ротор з вертикально розташованим валом, з яким за допомогою траверс і цапф зв’язані вертикальні лопаті, які споряджені вертикальними вісями з шарнірними кільцями, за допомогою яких вони закріплені на траверсах з можливістю повороту навколо цих осей, і встановленими на нижніх кінцях лопатей додатковими вісями з вилками та роликами, які стикуються з кільцеподібною направляючою у формі жорсткого ободу, що має у плані форму окружності, а також апаратуру керування вітросиловою установкою, містить також механізм керування положенням лопатей ротора, з яким кільцеподібна напрямна з’єднана таким чином, що має можливість лінійного переміщення уздовж лінії дії вітрового потоку, а механізм розміщено на поворотній платформі, яка жорстко з’єднана з флюгером. Додаткові відмінності полягають у тому що механізм лінійного переміщення кільцеподібної направляючої містить привідний електродвигун, редуктори та подовжні направляючі, розміщені на платформі механізму, та черв’яки, зв’язані з редукторами та гайками, які жорстко з’єднані з основою кільцеподібної направляючої, яка має також ролики для переміщення уздовж подовжніх направляючих, а апаратура керування вітросиловою установкою містить програмний пристрій для визначення оптимальної величини лінійного зміщення центра кільцеподібної направляючої відносно центральної осі обертання ротору в залежності від параметрів роботи ротора вітросилової установки. Пропонована конструкція вітросилової установки дозволяє в залежності від швидкості вітру та необхідних параметрів роботи ротора (швидкість обертання, величина крутного моменту, величина потужності на валу ротора) автоматично за допомогою алгоритму залежності вказаних параметрів від швидкості вітру, який є ноу-хау авторів, задавати величину лінійного зміщення центра кільцеподібної направляючої відносно центральної осі обертання ротору таким чином, щоб оптимізувати будь-який - з цих параметрів. Сутність винаходу пояснюється кресленнями. На Фіг.1 представлений вид збоку вітросилової установки з ротором; на Фіг.2 - розріз АА на Фіг.1 ; на Фіг.3 - розріз ББ на Фіг.2; на Фіг.4 - вид В; на Фіг.2; на Фіг.5 - а) залежності величини коефіцієнту використання енергії вітрового потоку Ср від вели 5 чини коефіцієнту швидкохідності Z при різних величинах лінійного зміщення «е»; б) залежності величини коефіцієнту Ср від величини лінійного зміщення «е» при кількох сталих значеннях коефіцієнту Z (для моделі ротора з К=87,5мм і Ь=50мм див. Фіг. 3). Вітросилова установка (Фіг.1) має ротор 1 з вертикальним валом 2, опори якого встановлені на агрегатному приміщенні 3, яке є основою вітроустановки, та на верхній опорі 4, яка фіксується розтяжками 5, та механізм 6 керування лопатями 7, розміщений під ротором 1. Вітроротор 1 складається з лопатей 7 і траверс 8, які закріплені на вертикальному валу 2. Для орієнтації механізму 6 щодо напрямку вітрового потоку слугує встановлений з можливістю вільного обертання навколо вісі валу 2 пристрій 9 флюгерного типу, який жорстко зв’язаний з механізмом 6 вертикальною тягою 10. На цьому ж пристрої 9 розміщений датчик вимірювання швидкості вітру 11. В агрегатному приміщенні 3 (Фіг.4) розміщуються апаратура 12 керування вітросиловою установкою, з’єднувальнороз’єднувальна муфта 13, редуктор 14 і агрегат 15, що споживає енергію обертання вала 2 ротора - насос чи електрогенератор. На лопатях 7 на нижньому та верхньому торцях кожної з них на хорді симетричного профілю лопаті на деякій відстані від носка профілю розміщені з можливістю вільного обертання в траверсах 8 вісі 16, а на нижньому торці, на деякій відстані від вісі 16 убік хвостової частини профілю розміщена додаткова вісь 17, яка рухається по додатковій кільцеподібній направляючій 18, що виконана у вигляді жорсткого обода і належить до механізма 6 керування положенням лопатей 7. Для забезпечення вільного проходження осі 17 уздовж бокових поверхонь обода 18 ця вісь споряджена вилкою 19 з роликами 20. Додаткова кільцеподібна напрямна 18 за допомогою розміщених на підкосах 21 роликів 22 має можливість лінійного переміщення уздовж направляючих 23, встановлених на платформі 24 механізму б. Платформа 24 розміщена на даху агрегатного приміщення 3 з можливістю повороту навколо вертикальної осі, співвісної із подовжньою віссю вертикального вала 2. Поворот платформі 24 (і всього механізму 6) здійснюється за рахунок зв’язку її тягою 10 з флюгером 9 для орієнтації механізму б в напрямку вітрового потоку. Для лінійного переміщення додаткової кільцеподібної направляючої 18 уздовж направляючих 16097 6 23 під її днищем 25 прикріплені дві гайки 26, а на платформі 24 розміщені електродвигун 27 і два черв’ячних редуктори 28, входи яких приєднані до вала 29електродвигуна 27 через сполучні муфти 30. Вихідний черв’ячний вал 31 редуктора 28 виконаний достатньої довжини з опорою 32 на кінці і проходить усередині гайки 26. Вітросилова установка працює в такий спосіб. При виникненні вітрового потоку флюгер 9 під впливом аеродинамічних сил, що виникають на його робочому елементі, вільно повертається навколо вертикального вала 2 до положення, при якому його опір потоку, що набігає, буде мінімальним (при цьому подовжні вісі направляючих 23 збігаються з напрямком вітрового потоку). Для забезпечення самозапуску вітроротора у роботу при невеликих швидкостях вітру та для підвищення його потужностних та моментних характеристик під час роботи необхідно повернути кожну з лопатей 7 на деякий кут відносно свого начального положення, для чого необхідно перемістити додаткову кільцеподібну направляючу 18 на деяку відстань «е» (Фіг.3) у напрямку дії вітрового потоку. Для цього апаратура 12 керування вітросиловою установкою на деякий проміжок часу включає електродвигун 27, після чого за допомогою редукторів 28 починається обертання довгих черв’ячних валів 31 і гайки 26 переміщуються уздовж подовжньої осі черв’ячного вала 31, в результаті чого додаткова кільцеподібна напрямна 18 переміщується відносно платформи 24 механізму 6 на задану відстань, лопаті ротора змінюють своє положення відносно траверс ротора таким чином, що зростає величина крутного моменту на валу ротора і ротор починає обертатись. Надалі в залежності від швидкості вітру та від необхідності підтримувати оптимальну величину одного з трьох вищезазначених параметрів програмний пристрій апаратури 12 задає необхідну величину відстані «е» згідно визначеного алгоритму. Вплив величини «е» лінійного переміщення кільцеподібної направляючої на один з важливих параметрів ефективності вітроротора Ср представлено на Фіг.5 [3]. Джерела інформації 1. A.C. 1548504 СРСР, МКИ F03D5/02 (1990р). 2. Патент України 58189, МКИ F03D7/06 (2003) - прототип. 3. Заключний звіт про НДР «Розробка конструктивних рішень вітроенергетичних устаткувань нового покоління» (№ держреєстрації 0104V006585) //Київ, ІГМ НАНУ, 2005р, 65с. 7 16097 8 9 16097 10 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 16097 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601