Вітроустановка

Реферат: Вітроустановка включає вал, на якому закріплена маточина з радіально розташованими лопатями та відцентровими тягарцями, і зв'язаний з лопатями пружний елемент. Пружний елемент виконаний у вигляді торсіонного валу, суміщеного з повздовжньою віссю кожної лопаті, при цьому, один кінець торсіонного валу жорстко закріплений до маточини, а інший його кінець жорстко з'єднаний з як мінімум одним відцентровим тягарцем. Крім того, верхній кінець лопаті жорстко з'єднаний з торсіонним валом та аеродинамічним елементом, в який вмонтовані відцентрові тягарці, а нижній кінець лопаті виконаний з можливістю повороту навколо торсіонного валу. UA 73244 U (54) ВІТРОУСТАНОВКА UA 73244 U UA 73244 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до вітроенергетики та може бути використана для регулювання обертів та потужності вітроустановок з горизонтальною віссю обертання ротора. Відомо ряд вітроустановок з ротором та поворотними лопатями, наприклад, ВБЛ-3, що обладнана поворотними лопатями з відцентровим регулятором кутової швидкості ротора, який складається з жорстко встановлених на махах лопатей відцентрових тягарців, кривошипношатунного механізму, що передає рух від поворотних лопатей до втулки, яка може здійснювати зворотно-поступальний рух вздовж головного валу. При цьому русі втулка має можливість стискати спочатку пускову пружину (меншої жорсткості), потім більш жорстку робочу пружину. Зупинка вітроустановки здійснюється вручну з землі завдяки ручному приводу зупинки ротора. При запуску вітроустановки кут встановлення має значення близько 30°, що збільшує початковий обертальний момент та забезпечує самозапуск при наявності достатньої швидкості вітру. В робочому положенні кут встановлення має значення близько 7°, а в зупиненому - мінус 6°. В процесі регулювання кут змінюється у вказаному діапазоні (від плюс 7° до мінус 6°). Тобто застосовується антифлюгерне регулювання, (див. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М, Энергоатомиздат, 1983, с. 79-82). Недоліком вказаного пристрою є складність конструкції, а саме: дві пружини, кривошипношатунний механізм, рухома втулка, самі тягарці, державка, на якій вони кріпляться, підшипникові вузли у махах лопатей або у маточині і т.д. Із відомих пристроїв найбільш близьким за технічною суттю і вибрана, як прототип вітроелектрична установка (А.с. 1772410 СССР, МПК F03D 1/00. Ветроэлектрический агрегат. Опубл. 30.10.92, Бюл. № 40), яка включає вал, на якому закріплена маточина з радіально розташованими поворотними лопатями та відцентровими тягарцями, і зв'язаний з лопатями пружний елемент. Особливість даного пристрою полягає в тому, що він містить, крім радіально розташованих поворотних лопатей з пружним елементом, також запобіжні пальці та обмежувач ходу лопатей у радіальному напрямку. В даній вітроустановці пристрій повороту є доволі складним як конструктивно, так і технологічно, тому що потребує виготовлення з високою точністю запобіжних пальців, які повинні спрацьовувати одночасно, щоб уникнути розбалансування ротора, яке може привести до його регулювання. В основу корисної моделі поставлено задачу спрощення та удосконалення конструкції вітроелектричної установки з метою підвищення її ефективності шляхом використання для повороту лопатей відцентрових тягарців, що розташовані на кінцях лопатей в аеродинамічних елементах, і як пружний елемент, торсіонного валу, що проходить вздовж осі лопаті. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованій конструкції, яка включає вал, на якому закріплена маточина з радіально розташованими лопатями та відцентровими тягарцями, і зв'язаний з лопатями пружний елемент, згідно корисної моделі, пружний елемент виконаний у вигляді торсіонного валу, суміщеного з повздовжньою віссю кожної лопаті, при цьому, один кінець торсіонного валу жорстко закріплений до маточини, а інший його кінець жорстко з'єднаний з як мінімум одним відцентровим тягарцем, крім того, верхній кінець лопаті жорстко з'єднаний з торсіонним валом та аеродинамічним елементом, в який вмонтовані відцентрові тягарці, а нижній кінець лопаті виконаний з можливістю повороту навколо торсіонного валу. Крім того, аеродинамічний елемент з відцентровими тягарцями виконаний у вигляді відігнутого під кутом близько 90° кінця лопаті або торцевої шайби. Таке технічне рішення дозволяє відносно простими засобами регулювати обертальний момент на валу ротора вітроустановки, що в свою чергу підвищує експлуатаційну надійність та сприяє виконанню вимог з охорони праці. У цій конструкції відсутній доволі складний відцентровий регулятор, як окремий вузол. Його задачі виконує відцентровий тягарець, що вмонтований у аеродинамічний елемент на кінці лопаті. Момент, що створюється відцентровими тягарцями, у випадку одного тягарця визначається за формулою (кн. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. -М:, Госиздат сельскохозяйственной литературы, 1957, с. 197-198): 1 2 2 m b sin 2 2 , де m - маса тягарця;  - кутова швидкість ротора; M M 55 1 2 2 m b sin 2 2 - відстань від осі лопаті до центру тяжіння відцентрового тягарця;  - кут між віссю обертання ротора та прямою, проведеною від повздовжньої осі лопаті до центру тяжіння відцентрового тягарця. 1 UA 73244 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 З цієї формули випливає, що відстань від осі обертання ротора до місця встановлення відцентрових тягарців ніяк не впливає на значення моменту, що створюється тягарцями, тому виникає можливість, для спрощення конструкції, розмістити їх на кінці лопаті та вмонтувати у вінглети або торцеві шайби. Роль пружини виконує торсіонний вал, що проходить вздовж всієї лопаті. Його задача повернути лопать у початкове положення після відпрацювання зміни кутової швидкості. Крім того, цей торсіонний вал одночасно виконує роль струмопровідника для захисту вітроустановок від блискавки та зняття статичних зарядів з лопатей згідно рекомендацій гармонізованого ДСТУ ІЕС 61400-24-2001 (Системи турбогенераторні вітряні. Частина 24. Захист вітротурбін від блискавок). Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями, що наведені: на фіг. 1 загальна кінематична схема пристрою; на фіг.2 - вид А з фіг. 1; на фіг.3 - вид Б з фіг. 1. Запропонована конструкція містить горизонтальний вал 1, на якому жорстко закріплена маточина 2 з лопатями 3 (див. фіг. 1, 2 і 3). Лопаті мають аеродинамічний профіль. Повздовжньою віссю у порожнині лопаті розташовується торсіонний вал 4, один кінець якого жорстко кріпиться до маточини 2, а інший - до силового елемента у вигляді державки 5, на якому жорстко закріплені відцентрові тягарці 6, як мінімум один. Силові елементи 5 разом з відцентровими тягарцями 6 розташовані у аеродинамічному елементі типу вінглети або торцевої шайби 7, що може бути виконана як односторонньою так і двосторонньою (як на фіг.2). Верхній кінець обшивки лопаті 3 жорстко з'єднаний з аеродинамічним елементом та, відповідно, силовими елементами 5 і відцентровими тягарцями 6. Вінглети 7 можуть бути виконані у вигляді відігнутого під кутом близько 90° кінця лопаті аеродинамічного профілю як мінімум в одну сторону. Працює вітроустановка наступним чином. При набіганні повітряного потоку на лопаті 3, вони починають обертатись разом з маточиною 2 навколо горизонтального валу 1. Обертання маточини 2 через трансмісію передається на вал електрогенератора (на фіг. 1, 2 і 3 не показані). При цьому, при обертанні ротора, на відцентрових тягарцях 6 виникають відцентрові сили, які через державки 5 (силові елементи) створюють момент на торсіонному валу 4 та, відповідно, намагаються розвернути лопаті на нові кути її установлення. Цей момент урівноважується моментом опору, що створює торсіонний вал 4 при скручуванні. Система буде знаходитись у рівновазі до того моменту, доки оберти ротора не досягнуть номінального значення, яке відповідає номінальній швидкості вітру. При подальшому збільшенні швидкості вітру та, відповідно, обертів ротора момент від відцентрових тягарців 6 перевищить момент опору торсіонного валу 4, що призведе до його скручування та, відповідно, розверне лопаті 3 на нові кути її установлення. Це призведе до стабілізації обертів та потужності установки. Регулювання може виконуватись як в напрямку збільшення кута установлення лопатей, так і в напрямку його зменшення. При раптовому вимиканні навантаження, оберти ротора значно збільшуються і процес регулювання буде відбуватись як і в попередньому випадку. Таким чином, відцентровий регулятор виконаний не як окремий вузол, а вмонтований у аеродинамічний елемент на кінцях лопатей типу вінглети або торцевої шайби. Це призводить до зменшення кінцевих втрат на лопатях, і, таким чином, збільшує коефіцієнт використання енергії вітру вітроустановкою. Крім того, виконання пружного елемента у вигляді торсіонного валу призводить до компактності конструктивного рішення, та одночасно до можливості захисту від блискавок та відводу з лопатей статичних зарядів, що накопичуються на їх поверхнях внаслідок тертя об повітря при обертанні. Отже, завдяки наведеним конструктивним рішенням отримаємо компактну і просту конструкцію відцентрового регулятора прямої дії, що одночасно є елементом системи захисту від блискавки. При цьому, завдяки наявності аеродинамічного елементу на кінцях лопатей, збільшується коефіцієнт використання енергії вітру вітроустановкою. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 1. Вітроустановка, що включає вал, на якому закріплена маточина з радіально розташованими лопатями та відцентровими тягарцями, і зв'язаний з лопатями пружний елемент, яка відрізняється тим, що пружний елемент виконаний у вигляді торсіонного валу, суміщеного з повздовжньою віссю кожної лопаті, при цьому, один кінець торсіонного валу жорстко закріплений до маточини, а інший його кінець жорстко з'єднаний з як мінімум одним відцентровим тягарцем, крім того, верхній кінець лопаті жорстко з'єднаний з торсіонним валом 2 UA 73244 U 5 та аеродинамічним елементом, в який вмонтовані відцентрові тягарці, а нижній кінець лопаті виконаний з можливістю повороту навколо торсіонного валу. 2. Вітроустановка за п. 1, яка відрізняється тим, що аеродинамічний елемент з відцентровими тягарцями виконаний у вигляді відігнутого під кутом близько 90° кінця лопаті або торцевої шайби. 3 UA 73244 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4