RU2430265C2

RU2430265C2 - Wind-driven unit with horizontal rotation axis of wind turbine and power limitation

Info

Publication number: RU2430265C2
Application number: RU2009145682/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Гаврилович Петько (RU); Виктор Гаврилович Петько; Владимир Валерьевич Пугачёв (RU); Владимир Валерьевич Пугачёв
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2011-09-27
Also published as: RU2009145682A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: wind-driven unit with horizontal rotation axis 2 of wind-driven turbine 1 and power limitation has support 5 of wind-driven unit, side shovel 15, power counteracting unit with application points of force between head of wind-driven unit and device responding to wind direction, put on vertical axis in head with possibility of turn by not less than 90°. As the device responding to wind direction there used is tail vane 12 the head 14 of which is rigidly connected to side shovel 15 perpendicular to tail vane plane 12. Axis 11 of tail vane 12 is connected by means of mechanical transmission to pin gear 6 on support 5 by means of shaft 8 passing coaxially through vertical axis 13 in head 14. Axis 13 in head 14 is hollow.

EFFECT: improving serviceability and reliability of operation of wind-driven unit.

2 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для энергоснабжения бытовых и производственных потребителей энергии.The invention relates to wind energy and can be used to power household and industrial energy consumers.

Известны ветроэнергетические агрегаты с горизонтальной осью вращения ветротурбины, нагруженной на какой-либо потребитель механической энергии. (например, ветряная мельница конструкции ВИМ, Е.М.Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. Государственное издательство сельскохозяйственной литературы. Москва - 1957. стр.447, рис.333). Их общим недостатком является резкое повышение мощности при увеличении скорости ветра сверх установленной величины, что приводит к выходу из строя элементов как ветроагрегата, так и приемника.Known wind power units with a horizontal axis of rotation of a wind turbine loaded on any consumer of mechanical energy. (for example, a windmill designed by VIM, E.M. Fateev. Wind turbines and wind turbines. State Publishing House of Agricultural Literature. Moscow - 1957. p. 477, Fig. 333). Their common drawback is a sharp increase in power with an increase in wind speed in excess of the set value, which leads to failure of the elements of both the wind turbine and the receiver.

От указанного недостатка свободен ветроэнергетический агрегат, принятый за прототип (Е.М.Фатеев. Ветродвигатели и ветроустановки. Государственное издательство сельскохозяйственной литературы. Москва - 1957. стр.166, рис.108, рис.156, ветродвигатель ТВ-8). В данном ветроагрегате при увеличении скорости ветра сверх установленной величины ветротурбина выводится из под ветра с помощью жестко связанной с головкой ветроагрегата боковой лопаты. При этом нарастание мощности, частоты вращения и момента прекращается.The wind power unit accepted for the prototype is free from this drawback (E.M. Fateev. Wind turbines and wind turbines. State publishing house of agricultural literature. Moscow - 1957. p. 166, fig. 108, fig. 156, TV-8 wind turbine). In this wind turbine, when the wind speed increases above the set value, the wind turbine is removed from under the wind with the help of a side shovel rigidly connected to the head of the wind turbine. In this case, the increase in power, speed and torque stops.

Недостатком данного устройства является то, что боковая лопата действует непосредственно на головку массивной быстро вращающейся ветротурбины, что требует применения громоздкой боковой лопаты, по размерам сопоставимой с размерами ветротурбины, а быстрый поворот плоскости ветротурбины под действием такой лопаты вызывает опасные для целостности ветроагрегата гироскопические моменты.The disadvantage of this device is that the side shovel acts directly on the head of a massive rapidly rotating wind turbine, which requires the use of a bulky side shovel, comparable in size to the size of a wind turbine, and the rapid rotation of the plane of the wind turbine under the influence of such a shovel causes gyroscopic moments that are dangerous for the integrity of the wind turbine.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка.The objective of the present invention is to remedy this drawback.

Технический результат достигается в ветроагрегате с горизонтальной осью вращения ветротурбины и ограничением мощности, имеющим опору ветроагрегата, боковую лопату и силовой противодействующий механизм с точками приложения силы между головкой ветроагрегата и устройством, реагирующим на направление ветра, насаженным на вертикальную ось в головке с возможностью поворота не менее чем на 90°, в котором согласно изобретению в качестве устройства, реагирующего на направление ветра, использована виндроза, головка которой жестко связана с боковой лопатой, перпендикулярной плоскости виндрозы, а ось виндрозы связана механической передачей с цевочной шестерней на опоре посредством вала, проходящего соосно через вертикальную ось в головке, при этом ось в головке выполнена полой.The technical result is achieved in a wind turbine with a horizontal axis of rotation of the wind turbine and power limitation, having the support of the wind turbine, a side shovel and a power opposing mechanism with points of force application between the head of the wind turbine and the device that reacts to the wind direction, mounted on the vertical axis in the head with the possibility of rotation no less than than 90 °, in which according to the invention as a device that responds to the direction of the wind, windrose is used, the head of which is rigidly connected to oic shovel perpendicular vindrozy plane vindrozy axis and connected by a mechanical transmission with the rack drive gear wheel on a support by a shaft passing coaxially through the vertical axis in the head, the axle head is hollow.

Работа заявляемого устройства поясняется кинематической схемой, изображенной на фиг.1(вид сбоку) и фиг.2 (вид сверху).The operation of the claimed device is illustrated by the kinematic diagram depicted in figure 1 (side view) and figure 2 (top view).

Ветроагрегат состоит из ветротурбины 1 с горизонтальной осью 2 в головке ветроагрегата 3, насаженной с возможностью поворота на 360° на вертикальную ось 4 опоры 5. Верхняя часть опоры снабжена жестко связанной с опорой цевочной шестерней 6, соосной с осью опоры 4. Цевочная шестерня 6 находится в зацеплении с ведущей шестерней 7, кинематически связанной через вал 8, пару конических шестерен 9 и 10 с горизонтальной осью 11 виндрозы 12. При этом вал 8 соосно пропущен через выполненную полой вертикальную ось 13 головки 3 ветроагрегата. Горизонтальная ось 11 установлена в насаженной на полую вертикальную ось 13 с возможностью поворота не менее чем на 90° головке 14 виндрозы. К головке 14 неподвижно прикреплена боковая лопата 15, направление которой совпадает с направлением оси 11 виндрозы. Боковая лопата под действием силового противодействующего механизма, в качестве которого в данном варианте исполнения устройства использована пружина 17 с точками приложения силы между головкой виндрозы и головкой ветроагрегата, прижата с силой F к скрепленному с головкой 3 ветроагрегата упору 16. При этом лопата находится в положении, перпендикулярном оси ветротурбины, а плоскость крыльчатки виндрозы перпендикулярна плоскости ветротурбины.The wind unit consists of a wind turbine 1 with a horizontal axis 2 in the head of the wind unit 3, mounted with the possibility of 360 ° rotation on the vertical axis 4 of the support 5. The upper part of the support is provided with a pinion gear 6 rigidly connected to the support, coaxial with the axis of the support 4. The pinion 6 is located in engagement with the pinion gear 7 kinematically connected through the shaft 8, a pair of bevel gears 9 and 10 with the horizontal axis 11 of the windrose 12. In this case, the shaft 8 is coaxially passed through the hollow vertical axis 13 of the head 3 of the wind turbine. The horizontal axis 11 is mounted on a hollow vertical axis 13 mounted on a hollow vertical axis 13 with the possibility of rotation of the windrose head 14 by at least 90 °. A side shovel 15 is fixedly attached to the head 14, the direction of which coincides with the direction of the axis of the windrose 11. The lateral shovel under the action of a power opposing mechanism, which is used as a spring 17 in this embodiment of the device with points of force between the windrose head and the wind turbine head, is pressed with a force F to the stop 16. The spade is in position perpendicular to the axis of the wind turbine, and the plane of the impeller of the windrose is perpendicular to the plane of the wind turbine.

Работает заявляемое устройство следующим образом.The claimed device operates as follows.

Если скорость ветра не превышает установленную для данного агрегата величину, механизм ориентации ветротурбины с помощью виндрозы работает обычным образом, т. е. при отклонении направления ветра от направления, перпендикулярного плоскости ветротурбины, воздушный поток, набегая на плоскость крыльчатки виндрозы с той или другой стороны, приводит ее во вращение в том или ином направлении. За счет механической передачи через звенья редуктора (звенья 7…11) это приводит к повороту головки 3 ветроагрегата в сторону ветра до тех пор, пока плоскость крыльчатки 12 виндрозы не установится вдоль направления ветра и ее вращение прекратится. Таким образом, плоскость крыльчатки виндрозы всегда будет стремиться установиться вдоль направления ветра, а плоскость ветротурбины при этом будет перпендикулярна направлению ветра.If the wind speed does not exceed the value set for this unit, the wind turbine orientation mechanism using windrose works in the usual way, i.e. when the wind direction deviates from the direction perpendicular to the plane of the wind turbine, the air flow running onto the plane of the windrose impeller from one side or the other, brings it into rotation in one direction or another. Due to mechanical transmission through the links of the gearbox (links 7 ... 11), this leads to the rotation of the head 3 of the wind turbine in the direction of the wind until the plane of the impeller 12 of the windrose is established along the direction of the wind and its rotation stops. Thus, the plane of the windrose impeller will always tend to settle along the direction of the wind, while the plane of the wind turbine will be perpendicular to the direction of the wind.

При увеличении скорости ветра сверх установленной величины боковая лопата под действием напора набегающего на нее потока воздуха, преодолевая сопротивление пружины, повернется на угол γ, тем больший, чем больше скорость ветра. На этот же угол по отношению к направлению ветра и плоскости ветротурбины повернется и плоскость крыльчатки виндрозы, которая начнет вращаться и установится в конечном итоге опять параллельно направлению ветра. При этом на угол γ по отношению к направлению ветра будет повернута теперь ось ветротурбины, что скомпенсирует влияние повышенной скорости ветра на развиваемую ветротурбиной мощность. Для того чтобы мощность при всех скоростях ветра выше установленной величины оставалась на постоянном установленном уровне, необходимо, чтобы закон изменения угла поворота ветротурбины от скорости ветра при условии постоянства развиваемой ветротурбиной мощности (γ_Т=f(V) при Р_Т - const), совпадал с законом изменения угла поворота боковой лопаты от скорости ветра (γ_Л=f(V)). Первый из них для каждого типа ветротурбины может быть рассчитан теоретически или снят экспериментально, а второй легко может быть реализован за счет применения пружины переменной жесткости или изменения с изменением γ_Л радиуса r_γ приложения силы пружины. Для этого сила натяжения пружины должна быть приложена к головке 14 виндрозы через гибкую связь 18.When the wind speed increases above a set value, the side shovel under the influence of the pressure of the incoming air flow, overcoming the resistance of the spring, will turn by an angle γ, the greater the greater the wind speed. At the same angle with respect to the direction of the wind and the plane of the wind turbine, the plane of the windrose impeller will also turn, which will begin to rotate and eventually establish itself again parallel to the direction of the wind. In this case, the axis of the wind turbine will now be rotated by an angle γ with respect to the wind direction, which will compensate for the effect of the increased wind speed on the power developed by the wind turbine. In order for the power at all wind speeds above the set value to remain at a constant set level, it is necessary that the law of change in the angle of rotation of the wind turbine from the wind speed, provided that the developed wind turbine power is constant (γ _T = f (V) at Р _Т - const), coincides with the law of change of the angle of rotation of the side shovel from the wind speed (γ _L = f (V)). The first of them for each type of wind turbine can be calculated theoretically or removed experimentally, and the second can easily be realized through the use of a spring of variable stiffness or changes with a change in γ _L radius r _{γ the} application of spring force. For this, the spring tension force must be applied to the windrose head 14 via flexible coupling 18.

Таким образом, поскольку боковая лопата действует на крыльчатку виндрозы, размеры которой более чем на порядок меньше размеров ветротурбины, а скорость ее вращения также значительно меньше скорости вращения ветротурбины, гироскопические моменты, действующие на крыльчатку виндрозы, незначительны и не опасны для целостности элементов ветроагрегата. Кроме того, и необходимый размер боковой лопаты также более чем в 10 раз меньше размеров боковой лопаты в устройстве, принятом за прототип, а поворот ветротурбины осуществляется плавно без рывков и ударов. Все это в конечном итоге повышает работоспособность и надежность работы ветроагрегата в целом.Thus, since the side shovel acts on the windrose impeller, the dimensions of which are more than an order of magnitude smaller than the size of the wind turbine, and its rotational speed is also much lower than the speed of rotation of the wind turbine, the gyroscopic moments acting on the wind turbine impeller are insignificant and not dangerous for the integrity of the elements of the wind turbine. In addition, the required size of the side shovel is also more than 10 times smaller than the size of the side shovel in the device adopted as a prototype, and the rotation of the wind turbine is carried out smoothly without jerking and shock. All this ultimately increases the efficiency and reliability of the wind turbine as a whole.

Claims

A wind turbine with a horizontal axis of rotation of the wind turbine and power limitation, having a wind turbine support, a side shovel and a power opposing mechanism with points of force application between the head of the wind turbine and a device that reacts to the direction of the wind, mounted on the vertical axis in the head with the possibility of rotation of at least 90 ° characterized in that as a device that responds to the direction of the wind, a windrose is used, the head of which is rigidly connected with a side shovel perpendicular to the plane of the wind vases, and the axis of the windrose is connected by mechanical transmission with the pinion gear on the support by means of a shaft passing coaxially through the vertical axis in the head, while the axis in the head is hollow.