ВЕТРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F03D3/06 F03D7/06 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к конструкциям двигателей с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра или потока жидкости. Ветровые двигатели могут быть использованы для проведения в действие электрических генераторов, водяных насосов, компрессоров и т. п.

Известны конструкции ветровых двигателей с вертикальной осью вращения, в которых лопасти ротора имеют возможность поворота вокруг собственной оси, расположенной перпендикулярно, параллельно или наклонно к оси вращения двигателя. Под действием ветра часть лопастей устанавливается вдоль направления ветра, оказывая ему незначительное сопротивление, а диаметрально расположенные лопасти устанавливаются поперек направления ветра, тем самым создавая усилие, приводящее к вращению ротора ветрового двигателя. Эти конструкции обеспечивают наибольший коэффициент использования энергии ветра независимо от направления ветра и не требуют ориентации двигателя по направлению ветра или элементов, направляющих струю ветра на лопасти двигателя.

Известны следующие конструкции: первичный двигатель, работающий от напора ветра и воды (заявка Японии N 59-32 661, кл. F 03 D 3/06, F 03 B 7/00, 1985); ветроколесо (патент США N 4 408 955, кл. F 03 D 7/06, 1984); приемник ветровой энергии с вертикальной осью и подвижными лопатками (заявка Франции 2.494.781 (AI), кл. F 03 D 3/06, 1982); ветросиловая установка (заявка Великобритании, N 2 119 025, кл. МКИ F 03 D 3/00, 1984); устройство для использования энергии ветра (заявка ФРГ N 0 32 33 618, кл. F 03 D 3/06, 1984); ветровой двигатель (заявка ПНР N 265 323, кл. F 03 D, 1989).

Общие недостатки всех перечисленных двигателей, разных по конструкции; при переходе лопастей из горизонтального положения в вертикальное, и наоборот, происходит удар лопасти о какие-либо упорные устройства, что приводит к деформации и к преждевременному выходу из строя лопастей, а так же к нежелательному шумовому эффекту; отсутствует защита от разрушения элементов конструкции при большой силе ветра.

Известна конструкция ветродвигателя, (авторское свидетельство СССР N 136 13 72, кл. F 03 D 3/06, 1986), выбранная в качестве прототипа. Это ветродвигатель с вертикальной осью вращения, содержащий ротор, прикрепленные к нему оси (махи) с роликами, опирающиеся на кольцевую направляющую, поворотные лопасти, установленные на осях под углом ϕ к вертикали и опущенные на упругие элементы (пружинные амортизаторы), а также упоры в виде тросов, препятствующие повороту лопастей на угол больше ϕ(в вертикальном положении) под действием ветра. Пружинные амортизаторы не оказывают сопротивления такому повороту, что вызывает сильный удар лопастей о тросы. Диаметрально противоположные лопасти, преодолевая сопротивление амортизаторов, поворачиваются на угол, близкий к горизонтальному, т. е. к 90^о - ϕ.

Недостатки этой конструкции: при занятии лопастью вертикального положения происходит ее удар, что приводит к преждевременному разрушению лопастей и тросов, которые являются несущими элементами для осей (махов). Это снижает надежность и долговечность ветродвигателя. Кроме того, удары создают нежелательный шумовой эффект; диаметрально противоположные лопасти не могут занять горизонтального положения из-за возрастающего сопротивления пружинного амортизатора, что вызывает нежелательное сопротивление вращению ротора ветродвигателя и следовательно понижает его КПД.

Цель изобретения - повышение надежности и долговечности ветрового двигателя, повышение его КПД, уменьшение уровня шума и защита ветрового двигателя от силы ветра больше допустимой.

Эти цели достигаются тем, что в известном ветровом двигателе с вертикальной осью вращения, содержащем ротор, прикрепленные к нему оси, на которых под углом ϕк вертикали установлены поворотные лопасти, соединенные с упругими элементами и установленные с возможностью поворота на угол ϕ+ 90^о в одном направлении при сопротивлении упругих элементов, и на угол 90^о -ϕ в противоположном направлении, при котором упругие элементы не оказывают сопротивления повороту лопастей.

В предложенном ветровом двигателе отсутствуют ударные нагрузки, так как лопасти под действием ветра, преодолевая сопротивление упругих элементов, имеют возможность повернуться в вертикальное положение и далее до ϕ+ 90^о. Кроме того, при усилении ветра выше допустимого лопасти поворачиваются в указанном направлении на угол больше ϕ, что обеспечивает ветровому двигателю скорость вращения, близкую к начальной, независимо от увеличения скорости ветра.

Диаметрально противоположные лопасти из-за отсутствия сопротивления упругих элементов располагаются практически в горизонтальном положении, т. е. поворачиваются на угол 90^о -ϕ от исходного положения, что резко уменьшает сопротивление вращению ротора ветрового двигателя и увеличивает его КПД.

На чертеже изображен ветровой двигатель.

Ветровой двигатель состоит из ротора 1, вращающегося вокруг вертикальной оси 2. К ротору прикреплены оси 3, на которых установлены поворотно лопасти 4; 4.1; 4.2 и 4.4. Каждая лопасть соединена упругим элементом - пружиной 5 - с концом соседней оси. В исходном положении лопасти 4.2 и 4.4 повернуты на уголϕ к вертикали.

Двигатель работает следующим образом. При направлении ветра, указанном на чертеже, лопасти 4.2, преодолевая сопротивление пружины, устанавливаются в положение, близкое к вертикальному (на угол около величины ϕ), а лопасть 4, не испытывая сопротивления пружины, поворачивается в положение, близкое к горизонтальному (на угол, близкий к величине 90^о - ϕ).

Разность ветровых усилий, действующих на лопасть 4.2, находящуюся в положении, близком к вертикали, и на диаметрально расположенную лопасть 4, находящуюся в положении, близком к горизонтали, создает момент вращения ротора 1 ветрового двигателя.

В случае, когда сила ветра превышает допустимую, пружина 5, отрегулированная на определенную нагрузку, позволяет поворот лопасти 4.3 на угол больше ϕ. Причем чем больше сила ветра, тем на больший угол повернется лопасть. В результате пропорционально силе ветра уменьшаются лобовая площадь лопасти и угол атаки, что обеспечивает постоянную скорость вращения ротора двигателя независимо от увеличения скорости ветра и предохраняет конструкцию от разрушения.

Эффективность конструкции заключается в повышении надежности и долговечности элементов конструкции, понижении шумового эффекта, так как в предложенном ветровом двигателе отсутствуют ударные нагрузки. Повышается КПД ветрового двигателя, и двигатель защищается от силы ветра больше допустимой.

Использование: в ветродвигателях с вертикальной осью вращения, в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветровой двигатель содержит ротор 1, вращающийся вокруг вертикальной оси 2. К ротору прикреплены оси 3, на которых установлены поворотные лопасти под углом ϕ к вертикали. Каждая лопасть соединена упругим элементом - пружиной 5 - с концом соседней оси и установлена с возможностью поворота на угол v + 90в одном направлении при сопротивлении упругих элементов и на угол 90- v в противоположном направлении, при котором упругие элементы не оказывают сопротивления повороту лопастей. 1 ил.

ВЕТРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ, содержащий вертикальный ротор с осями, установленные на осях под углом ϕ к вертикали поворотные лопасти, соединены с упругими элементами с возможностью поворота, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, каждая поворотная лопасть соединена посредством упругого элемента с концом соседней оси с возможностью поворота на угол ϕ+90^o в одном направлении при сопротивлении упругих элементов и на угол 90^o-ϕ в противоположном направлении, при котором упругие элементы не оказывают сопротивления повороту лопастей.