ITPG20090006A1

ITPG20090006A1 - COMPACT ELECTROMECHANICAL DEVICE FOR COMMANDING AND MANAGEMENT OF THE AUTO-ORIENTATION OF THE VERTICAL-WIND ROTOR BLADES.

Info

Publication number: ITPG20090006A1
Application number: IT000006A
Authority: IT
Inventors: Piero Valentini
Original assignee: Piero Valentini
Priority date: 2009-03-04
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2010-09-05

Description

Descrizione Description

“Compatto dispositivo elettromeccanico per il comando e la gestione dell’auto orientamento delle pale di rotori eolici ad asse verticale” "Compact electromechanical device for the control and management of the self-orientation of vertical axis wind rotor blades"

Testo della descrizione Description text

Il dispositivo oggetto del presente trovato permette il comando e la gestione dell’ orientazione delle pale di rotori eolici ad asse verticale con meccanismi compatti ed estremamente affidabili, come richiesto per macchine che devono operare per lunghi tempi in luoghi soggetti alla più severe condizioni meteorologiche. La compattezza del dispositivo ed al contempo la semplicità costruttiva garantiscono una facile manutenzione e qualora fosse necessario operare una rapida sostituzione dell’intero dispositivo che essendo poco costoso e semplice può essere effettuata agevolmente anche da personale non estremamente specializzato. The device object of the present invention allows the control and management of the orientation of the blades of vertical axis wind rotors with compact and extremely reliable mechanisms, as required for machines that have to operate for long times in places subject to the most severe weather conditions. The compactness of the device and at the same time the simplicity of construction guarantee easy maintenance and should it be necessary to perform a quick replacement of the entire device which, being inexpensive and simple, can be easily carried out even by not extremely specialized personnel.

La Tb. n°l illustra schematicamente i componenti impiegati nell’azione coordinata del dispositivo. Anemometro di misura della velocità del vento con comunicazione continua dei valori al PLC 3 di comando e gestione dell’intero sistema, anche i dati di rilevamento direzione 2 del vento vengono trasmessi (Input) al PLC 3, il quale li elabora e li trasmette all’alimentazione del motore elettrico con riduttore em4 che pone in rotazione la ruota dentata 8 sulla quale è alloggiato il cuscinetto a rullini 7 ed il disco eccentrico 9 per il comando dell’orientamento delle pale 15 mediante i cinematismi 11-12-13-14 più dettagliatamente illustrati nella tavola n°2. The Tb. No. l schematically illustrates the components used in the coordinated action of the device. Wind speed measurement anemometer with continuous communication of the values to the PLC 3 for control and management of the entire system, also the data for detecting wind direction 2 are transmitted (Input) to the PLC 3, which processes them and transmits them to the '' power supply of the electric motor with reduction gear em4 which rotates the toothed wheel 8 on which the roller bearing 7 and the eccentric disk 9 for controlling the orientation of the blades 15 by means of the kinematic mechanisms 11-12-13-14 are housed plus illustrated in detail in table n ° 2.

Per una generica rotazione ω0del motore em4 deve corrispondere uno spostamento Sx ed Sy del disco eccentrico 9 nella direzione X ed Y, la cui entità viene rilevata dai sensori Kx e Ky collegati al PLC di comando. Il disco 9 essendo calettato al canotto 20 folle mediante i cuscinetti 25 al disco 13, sposta i rulli folli 24 equidistanti fra loro (in numero da 3 a 1 1) di un tratto Sx in direzione X ed Sy in direzione Y, con vincolo di guida tramite linguette 26 e 27 sul disco a scanalature ortogonali 28. Sul disco 23, alla periferia, è imbullonato l’ingranaggio 8, mentre il mozzo centrale è folle mediante i cuscinetti 21 sull’albero del rotore eolico 22, in tal modo si assicura la concentricità dei denti in presa dell’ingranaggio 8 posto in rotazione dal pignone del motore elettrico em4. Nella faccia inferiore perfettamente levigata dell’ingranaggio 8 si trova il disco di frizione 18 ricoperto di materiale di frizione, con mozzo dentato scorrevole (particolare Z sul canotto 20). Il disco di frizione 18 è spinto dalla molla assiale 17 verso la ruota dentata 8, rendendoli solidali nella rotazione. Quando si eccita l’elettromagnete C6, solidale al telaio della macchina, viene richiamato il disco di frizione 18, che vincendo la forza della molla antagonista 17 rende folle il canotto 20, escludendo questi dall’effettuare spostamenti eccentrici. For a generic rotation ω0 of the em4 motor, a Sx and Sy displacement of the eccentric disk 9 in the X and Y direction must correspond, the entity of which is detected by the sensors Kx and Ky connected to the control PLC. The disc 9 being keyed to the idle sleeve 20 by means of the bearings 25 to the disc 13, moves the idle rollers 24 equidistant from each other (in number from 3 to 1 1) by a portion Sx in direction X and Sy in direction Y, with a constraint of guide by means of tabs 26 and 27 on the disc with orthogonal grooves 28. On the disc 23, at the periphery, the gear 8 is bolted, while the central hub is idle by means of the bearings 21 on the shaft of the wind rotor 22, thus ensuring the concentricity of the teeth engaged by the gear 8 rotated by the pinion of the electric motor em4. In the perfectly smoothed lower face of the gear 8 is the friction disc 18 covered with friction material, with sliding toothed hub (detail Z on the sleeve 20). The friction disc 18 is pushed by the axial spring 17 towards the toothed wheel 8, making them integral in rotation. When the electromagnet C6 is energized, integral with the frame of the machine, the friction disc 18 is recalled, which overcoming the force of the antagonist spring 17 makes the sleeve 20 neutral, excluding these from making eccentric movements.

Agendo opportunamente sull’eccitazione dell’elettromagnete C6 e sull’alimentazione del motore elettrico ec4 si possono ottenere prestabiliti valori degli spostamenti dei rulli 24 che comandano i cinematismi di orientamento delle pale. La Tb. n° 3 illustra dettagliatamente i cinematismi di comando, sulla periferia del disco 14 sono alloggiati in divisioni equidistanti (da 3 a 1 1) i perni 31 delle leve a squadra 12 che ricevono il moto oscillatorio di comando dei rulli 24, trasmettendo Γ amplificato all’altra estremità sullo snodo sferico 29, con filettatura di registrazione delle aste 1 1 di comando ed inclinazione pale 15. La Tb. n° 4 illustra il particolare della leva a squadra 12, folle sul perno 31 mediante i cuscinetti 32. La Tb. n° 5 illustra dettagliatamente le cerniere mediante le quali il moto alternativo delle aste 1 1 viene trasformato in oscillazione angolare β delle pale 15. Il corpo fuso della cerniera 36 in lega leggera o titanio, porta una serie di filettature a passo in cui viene serrato il supporto 41 con diversi interassi PLO tra l’asse centrale 35 e l’asse 42 dello snodo sferico 38 collegato alle aste 11. Cambiando il posizionamento del supporto 41 ossia i raggi PL si possono variare le escursioni angolari β delle pale 15, per meglio sfruttare i diversi tipi di profilo aerodinamico di pala. By acting appropriately on the excitation of the electromagnet C6 and on the power supply of the electric motor ec4, it is possible to obtain predetermined values of the displacements of the rollers 24 which control the kinematics of orientation of the blades. The Tb. n ° 3 illustrates in detail the control kinematics, on the periphery of the disc 14 the pins 31 of the square levers 12 are housed in equidistant divisions (from 3 to 1 1) which receive the oscillatory motion of command of the rollers 24, transmitting amplified Γ to the the other end on the spherical joint 29, with thread for adjusting the control rods 11 and inclination of the blades 15. Tb. No. 4 illustrates the detail of the angle lever 12, idle on the pin 31 by means of the bearings 32. Tb. n ° 5 illustrates in detail the hinges by which the reciprocating motion of the rods 11 is transformed into angular oscillation β of the blades 15. The cast body of the hinge 36 in light alloy or titanium carries a series of pitch threads in which it is tightened the support 41 with different center distances PLO between the central axis 35 and the axis 42 of the spherical joint 38 connected to the rods 11. By changing the positioning of the support 41, i.e. the spokes PL, the angular excursions β of the blades 15 can be varied, for better take advantage of the different types of aerodynamic profile of the blade.

Il mozzo 34 collega la trave all’asse centrale 22 con i perni di oscillazione 35 che scaricano il peso della pala sul cuscinetto di spinta 43. Sulla cerniera 36 è predisposto un supporto sul quale viene fissata un asta cilindrica di diametro dw che può essere orientata di un angolo Θ sulla quale viene fissato il corpo 40 di acciaio inox con conformazione di profilo alare che funge come massa ma di bilanciamento. La Tb. n°6 illustra schematicamente la funzione delle masse di bilanciamento ma e la loro disposizione lungo ogni singola pala 15 (in numero da 3 a 11 nel rotore eolico). Il punto Cp è il centro di pressione delle pale, cioè quel punto in cui si possono ritenere applicate le forze derivanti dall’azione del vento, lungo la congiungente Cp con il centro del rotore Ac, sono incernierate le travi di collegamento. Per la stabilità di funzionamento in esercizio del rotore eolico e per le piccole forze di comando sulle aste 11 del dispositivo di orientamento in oggetto, devono risultare nulli i momenti sulla cerniera 35. Per soddisfare questa condizione è necessario lequilibrio dei momenti rispetto a Cp derivanti dalla forza centrifuga della pala che ruota con velocità or applicata nel punto Gb con braccio X2. Con una specifica massa equilibrante ma40 con dato un braccio XI si realizza la condizione per la quale sono nulli i momenti sulla cerniera. The hub 34 connects the beam to the central axis 22 with the oscillation pins 35 which unload the weight of the blade on the thrust bearing 43. A support is provided on the hinge 36 on which a cylindrical rod of diameter dw is fixed which can be oriented of an angle Θ on which the stainless steel body 40 is fixed with an airfoil conformation that acts as a mass but for balancing. The Tb. n ° 6 schematically illustrates the function of the balancing masses but and their arrangement along each single blade 15 (in number from 3 to 11 in the wind rotor). The point Cp is the pressure center of the blades, that is, the point where the forces deriving from the action of the wind can be considered applied, along the joining Cp with the center of the rotor Ac, the connecting beams are hinged. For the operational stability of the wind rotor and for the small command forces on the rods 11 of the orientation device in question, the moments on the hinge 35 must be zero. To satisfy this condition it is necessary to balance the moments with respect to Cp deriving from the centrifugal force of the blade rotating with speed or applied in the point Gb with arm X2. With a specific balancing mass ma40 with a given arm XI, the condition for which the moments on the hinge are zero is achieved.

Il rotore eolico multipale (da 3 a 11) ad asse verticale in oggetto, mediante il compatto dispositivo di orientamento descritto, può funzionare egregiamente nelle più diverse condizioni di vento, sia di velocità sia di direzione, mantenendo sempre un buon rendimento fluidodinamico. The vertical axis multi-pole wind rotor (from 3 to 11) in question, by means of the compact orientation device described, can operate very well in the most diverse wind conditions, both in terms of speed and direction, always maintaining a good fluid dynamic efficiency.

Il dispositivo permette un continuo adattamento dell' angolo d’incidenza delle pale, richiedendo modeste forze ed in virtù del cinematismo piccoli spostamenti per effettuare le funzioni di orientamento. The device allows a continuous adaptation of the angle of incidence of the blades, requiring modest forces and by virtue of the kinematics, small movements to perform the orientation functions.

Dall’azione combinata del motore elettrico em4 e dell’elettromagnete ec6 si ottengono quegli spostamenti del canotto centrale capaci di effettuare gli angoli d’incidenza istantanea β delle singole pale lungo il percorso orbitale nella traiettoria circolare sull’asse centrale del rotore. Il processore PLC 3 di gestione e controllo ricevendo i dati di vento in pochi centesimi di secondo comanda lo spostamento del canotto centrale il cui posizionamento Kx e Ky è rilevato dai sensori Sx ed Sy con corrispondenza degli angoli assegnati β. Il dispositivo realizza un compatto semplice ed affidabile sistema di gestione di auto orientamento delle pale (da 3 a 11), tramite le divisioni equidistanti dei rulli 24 fissati al disco 14. From the combined action of the em4 electric motor and the ec6 electromagnet we obtain those displacements of the central tube capable of effecting the instantaneous angles of incidence β of the individual blades along the orbital path in the circular trajectory on the central axis of the rotor. The PLC 3 management and control processor, receiving the wind data in a few hundredths of a second, commands the displacement of the central sleeve whose positioning Kx and Ky is detected by the sensors Sx and Sy with correspondence of the assigned angles β. The device creates a compact, simple and reliable management system for the self-orientation of the blades (from 3 to 11), by means of the equidistant divisions of the rollers 24 fixed to the disc 14.

La fabbricazione industriale di questo dispositivo di pilotaggio risulta molto economica, di facile posa in opera e di rapida sostituzione manutentiva. The industrial manufacture of this piloting device is very economical, easy to install and quick maintenance replacement.

Claims

Claims 1) The system that realizes the command motion of the blade orientation device, carried out by an eccentric disk pos. 9 Tb. n ° l with movements deriving from the rotation of the electric gearmotor and c pos. 4 2) The clutch disc engagement and disengagement system, pos. 18 Tb. n ° 2, made by means of a return electromagnet ec Tb. 2 and an axially loaded antagonist spring pos 17. 3) The management and control system with microprocessor pos. 3 Tb. 2, from whose output signals, in combined action between the eccentric claimed in point 1 and the electromagnet claimed in point 2, a specific positioning of the central sleeve pos. 13 Tb. 2. 4) The geometric configuration of the central sleeve pos. 13 Tb. 2, the end disc of which has n equidistant holes on the periphery (from 3 to 1 1 equal to the number of blades) on which the pins of the idle rollers pos. 24 Tb.2 are inserted. 5) The conformation of the intermediate sliding disc pos. 28 Tb. 2 with crossed guides on tabs pos. 26 and pos. 28, between the central sleeve and the disc pos. 14, integral with the rotor axis pos. 22. 6) The configuration of the kinematics illustrated in Tb is claimed. n3, in which the angle levers pos. 12 with arms of different lengths, are idle on the disc pos. 14 (by means of the pins pos. 31) moved by the rollers pos. 24 integral with the control sleeve n ° 13. 7) The balancing system of the forces acting on the axis of the hinges (pin pos. 35 Tb. N 6) is claimed, carried out by means of the masses pos. 40, attached to the auction pos. 39, fixed on the body of the hinges pos. 36. 8) The aerodynamic profile conformation pos. 40 Tb. n 5 of the balancing masses, with a hole dw which allows a variable angular positioning Θ. 9) The conformation of the supports pos. 41 Tb. n 5, fixed with variable radius adjustment on the body of the hinge 36. Realization that allows a different absolute value of the angle of incidence β of the blades. 10) The closed loop feedback system of the device Tb.l is claimed, which through the detection sensors pos. Kx and Ky, controls the strokes of the rods pos. 1 1 from the data detected by the instruments pos. 1 speed and pos. 2 wind direction.