RU2235902C1 - Windwheel of horizontal-axial-type wind power generating plant - Google Patents

Abstract

FIELD: wind-power engineering.

SUBSTANCE: relates to devices for automatically regulating blade turning angle. Proposed windwheel of horizontal-axial-type wind power generating plant containing blades whose shafts are fitting through radial antifriction bearings in supports made in form of cups secured on windwheel hub and blade turning angle centrifugal governor including flyweights and spring mechanism is furnished, additionally, with bushings secured on shafts of blades contacting with bottom of cup and forming with bottom a friction pair. Bushing is either solid article or contains insert or coating of antifriction material.

EFFECT: provision of stability of windwheel (prevention of self-sustained vibrations) of wind-power generating plant with blade turning angle centrifugal governor under and operating conditions.

1 dwg

Description

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к устройствам для автоматического регулирования угла поворота лопастей, и может быть использовано при создании ветроэнергетических установок.The invention relates to wind energy, in particular to devices for automatically controlling the angle of rotation of the blades, and can be used to create wind power plants.

Известно ветроколесо ветроэлектрических агрегатов ВЭ-2 (Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. Издательство сельского хозяйства СССР. - Москва, 1957, стр. 45, рис.36) или ветроколесо ветроустановки с центробежным регулятором по свидетельству на полезную модель №25915, каждое из которых может быть принято за прототип. Ветроколесо содержит лопасти, валы которых размещены через радиальные и радиально-упорные подшипники качения в опорах, выполненных в виде закрепленных на ступице ветроколеса стаканов, центробежный регулятор угла поворота лопастей, включающий центробежные грузы и пружинный механизм. Все данные признаки, кроме наличия радиально-упорных подшипников, удерживающих лопасть в радиальном направлении, присутствуют (являются общими) и в предлагаемом техническом решении.The wind wheel of wind power units VE-2 is known (Shefter Y.I., Rozhdestvensky IV. Inventor of wind engines and wind turbines. USSR Agricultural Publishing House. - Moscow, 1957, p. 45, Fig. 36) or wind turbine with a centrifugal regulator according to Utility Model Certificate No. 25915, each of which may be taken as a prototype. The wind wheel contains blades, the shafts of which are placed through radial and angular contact ball bearings in bearings made in the form of cups mounted on the hub of the wind wheel, a centrifugal blade angle adjuster, including centrifugal loads and a spring mechanism. All these signs, except for the presence of angular contact bearings holding the blade in the radial direction, are present (are common) in the proposed technical solution.

Данная конструкция ветроколеса достаточно распространена и позволяет регулировать обороты ветроколеса в зависимости от силы ветра, однако в процессе ее работы был выявлен следующий недостаток - взаимодействующие с воздушным потоком лопасти и центробежный механизм угла их поворота образуют колебательную систему, которая при недостаточной диссипации энергии может на отдельных режимах работы оказаться неустойчивой по возмущению, в результате чего возникают автоколебания, способные нарушить нормальную работу ветроэнергетической установки и даже привести ее к разрушению.This design of the wind wheel is quite common and allows you to adjust the speed of the wind wheel depending on the strength of the wind, however, in the process of its operation, the following drawback was revealed - the blades interacting with the air flow and the centrifugal mechanism of their rotation angle form an oscillatory system, which, with insufficient energy dissipation, can in some modes work to be unstable in perturbation, resulting in self-oscillations that can disrupt the normal operation of the wind power new and even lead to its destruction.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения устойчивости ветроколеса (исключение возможности возникновения автоколебаний) ветроэнергетической установки с центробежным регулятором угла поворота лопастей при любых режимах работы.The present invention solves the problem of ensuring the stability of the wind wheel (eliminating the possibility of self-oscillations) of a wind power installation with a centrifugal regulator of the angle of rotation of the blades under any operating conditions.

Для достижения указанного технического результата ветроколесо ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа, содержащее лопасти, валы которых размещены через радиальные подшипники качения в опорах, выполненных в виде закрепленных на ступице ветроколеса стаканов, центробежный регулятор угла поворота лопастей, включающий центробежные грузы и пружинный механизм, дополнительно содержит закрепленные на валах лопастей втулки, контактирующие с дном стакана и образующие с ним пару трения, при этом втулка выполнена целиком или содержит вкладыш или покрытие из антифрикционного материала.To achieve the technical result, the wind wheel of a horizontal-axis type wind turbine containing blades, the shafts of which are placed through bearings in radial bearings made in the form of glasses mounted on the wind wheel hub, a centrifugal blade rotation angle adjuster, including centrifugal loads and a spring mechanism, additionally contains fixed on the shafts of the blades of the bushings in contact with the bottom of the glass and forming a friction pair with it, while the sleeve is made in whole or will have a liner or coating of anti-friction material.

При этом материал пары трения и ее параметры (радиус трения, способ смазки) подбираются в зависимости от конкретных параметров ветроустановки (размеры, мощность, диапазон ветров и т.п.) таким образом, чтобы во всем диапазоне скоростей ветра и при всех возможных амплитудах возмущающих воздействий была обеспечена устойчивость рассматриваемой системы. Так, как правило, при выполнении стакана из стали вторая половина пары трения, т.е. втулка или ее часть, например вкладыш, или ее покрытие, может быть выполнено из баббита, бронзовых или алюминиевых сплавов и т.п., пластиков (текстолита, капрона, тефлона и т.п.). Кроме того, возможно, а зачастую и целесообразно, использование в околоподшипниковом пространстве жидкой или консистентной смазки.In this case, the material of the friction pair and its parameters (friction radius, lubrication method) are selected depending on the specific parameters of the wind turbine (dimensions, power, wind range, etc.) so that in the entire range of wind speeds and for all possible amplitudes disturbing impacts, the stability of the system under consideration was ensured. So, as a rule, when making a steel cup, the second half of the friction pair, i.e. the sleeve or part thereof, for example a liner, or its coating, can be made of babbitt, bronze or aluminum alloys, etc., plastics (textolite, nylon, teflon, etc.). In addition, it is possible, and often advisable, to use liquid or grease in the bearing space.

Отличительными признаками предлагаемого ветроколеса ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа является то, что оно дополнительно содержит закрепленные на валах лопастей втулки, контактирующие с дном стакана и образующие с ним пару трения, при этом втулка выполнена целиком или содержит вкладыш или покрытие из антифрикционного материала.Distinctive features of the proposed wind-driven wind turbine of the horizontal-axial type are that it additionally contains bushings fixed to the shafts of the blades, in contact with the bottom of the cup and form a friction pair with it, while the sleeve is made entirely or contains a liner or coating of antifriction material.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными (указанными в ограничительной части формулы) достигается следующий технический результат - по сравнению с прототипом исключается вероятность возникновения автоколебаний лопастей ветроколеса при их взаимодействии с набегающим потоком.Due to the presence of these distinctive features in conjunction with the known (indicated in the restrictive part of the formula), the following technical result is achieved - in comparison with the prototype, the possibility of self-oscillation of the blades of the wind wheel when they interact with the oncoming flow is excluded.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемую конструкцию ветроколеса ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".As a result of a search by sources of patent and scientific and technical information, a set of features characterizing the proposed design of a windwheel of a horizontal-axis type wind turbine was not found. Thus, the present invention meets the eligibility criterion of "new."

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности “изобретательский уровень”.Based on a comparative analysis of the proposed technical solution with the prior art according to the sources of scientific, technical and patent literature, it can be argued that between the totality of signs, including distinctive, and the functions performed by them and the goals achieved, there is no obvious causal relationship. Based on the foregoing, we can conclude that the technical solution in the proposed device does not follow explicitly from the prior art and, therefore, meets the eligibility criterion of “inventive step”.

Предложенное техническое решение может найти применение в конструкциях ветроэнергетических установок для обеспечения их устойчивой работы во всем диапазоне скоростей ветра. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию охраноспособности "промышленно применима".The proposed technical solution can find application in the construction of wind power plants to ensure their stable operation in the entire range of wind speeds. Thus, the proposed technical solution meets the eligibility criterion of "industrially applicable".

Изобретение поясняется чертежом. Ветроколесо ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа содержит лопасти 1, валы 2 которых размещены через радиальные подшипники качения 3 в опорах, выполненных в виде закрепленных на ступице 4 ветроколеса стаканов 5. На валах 2 лопастей 1 при помощи гаек 6 закреплены втулки 7 из антифрикционного материала, контактирующие с дном стаканов 5. Каждый из валов 2 рычажным механизмом, включающим рычаги 8 и 9, соединен со штоком 10. Перемещение штока 10 в направлении оси втулки 15 регулируется предварительно поджатой пружиной 11. Для предотвращения угловых перемещений штока 10 относительно втулки 15 в ней выполнен продольный паз 12, в котором может перемещаться закрепленный в штоке 10 штифт 13. Грузы 14 центробежного регулятора размещены на лопасти 1. Удержание лопасти 1 от перемещений под действием центробежных сил в радиальном направлении осуществляется с помощью упорного подшипника скольжения, образованного стаканом 5 и втулкой 7, выполняющего одновременно роль демпфера сухого трения.The invention is illustrated in the drawing. The wind wheel of the horizontal-axis type wind power installation contains blades 1, the shafts 2 of which are placed through radial rolling bearings 3 in bearings made in the form of cups 5 mounted on the hub 4 of the windwheel 5. On the shafts of the 2 blades 1, bushings 7 made of antifriction material are fixed with nuts 6, contacting the bottom of the cups 5. Each of the shafts 2 by a linkage including levers 8 and 9 is connected to the rod 10. The movement of the rod 10 in the direction of the axis of the sleeve 15 is controlled by a pre-pressed spring 11. To prevent In addition to the angular displacements of the rod 10 relative to the sleeve 15, a longitudinal groove 12 is made in it, in which the pin 13 can be moved in the rod 10. The weights 14 of the centrifugal regulator are placed on the blades 1. The blade 1 is kept from moving under the action of centrifugal forces in the radial direction using thrust sliding bearing formed by a cup 5 and a sleeve 7, which simultaneously performs the role of a dry friction damper.

Работа описанного устройства осуществляется следующим образом. Если угловая скорость вращения ветроколеса превышает заданную величину, усилие, передаваемое на шток 10 со стороны центробежных грузов 14, превышает усилие предварительного поджатия пружины 11. Шток 10 начинает перемещаться вдоль оси втулки 15. При наличии действующих на лопасть 1 возмущений, вызванных, например, порывами ветра, и недостаточной диссипации энергии в системе, образованной лопастью 1 с центробежными грузами 14 и пружиной 11, могут возникать автоколебания, способные нарушить нормальную работу ветроэнергетической установки и привести к ее разрушению. Предотвращение возможности появления автоколебаний достигается с помощью полученного демпфера сухого трения, обеспечивающего, при правильном подборе материалов пары трения (стакана 5 и втулки 7), а также радиуса трения и способа смазки, необходимую диссипацию энергии. Вероятность возникновения автоколебаний и их амплитуда увеличиваются с ростом угловой скорости вращения ветроколеса, но одновременно увеличиваются действующие на лопасть 1 центробежные силы, а следовательно, и силы трения в демпфере сухого трения. Таким образом обеспечивается самонастройка в колебательной системе.The operation of the described device is as follows. If the angular speed of rotation of the wind wheel exceeds a predetermined value, the force transmitted to the rod 10 from the side of the centrifugal weights 14 exceeds the force of the pre-compression of the spring 11. The rod 10 begins to move along the axis of the sleeve 15. If there are disturbances acting on the blade 1, caused for example by gusts wind, and insufficient energy dissipation in the system formed by the blade 1 with centrifugal loads 14 and spring 11, self-oscillations can occur that can disrupt the normal operation of the wind power installation and cause ty to its destruction. Prevention of the possibility of self-oscillations is achieved using the obtained dry friction damper, which ensures, with the correct selection of materials of the friction pair (cup 5 and sleeve 7), as well as the friction radius and the lubrication method, the necessary energy dissipation. The probability of occurrence of self-oscillations and their amplitude increase with increasing angular velocity of rotation of the wind wheel, but at the same time, the centrifugal forces acting on the blade 1 increase, and hence the friction forces in the dry friction damper. This ensures self-tuning in the oscillatory system.

Claims (1)

Ветроколесо ветроэнергетической установки горизонтально-осевого типа, содержащее лопасти, валы которых размещены через радиальные подшипники качения в опорах, выполненных в виде закрепленных на ступице ветроколеса стаканов, центробежный регулятор угла поворота лопастей, включающий центробежные грузы и пружинный механизм, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит закрепленные на валах лопастей втулки, контактирующие с дном стакана и образующие с ним пару трения, при этом втулка выполнена целиком или содержит вкладыш или покрытие из антифрикционного материала.A wind wheel of a horizontal-axis type wind power installation containing blades, the shafts of which are placed through bearings in radial bearings made in the form of cups fixed to the wind wheel hub, a centrifugal blade rotation angle adjuster, including centrifugal loads and a spring mechanism, characterized in that it additionally contains bushings mounted on the shafts of the blades of the blades in contact with the bottom of the glass and forming a friction pair with it, while the sleeve is made in its entirety or contains a liner or coating tion of antifriction material.