ВЕТРОКОЛЕСО Российский патент 1994 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а конкретнее к устройствам, использующим энергию ветра для привода электрогенераторов, водоподъемников, мельниц, насосов, компрессоров и других машин.

Известны лопастные ветряные двигатели с горизонтальным валом и ветряные энергетические установки с вертикальным валом и вертикальными управляемыми лопастями.

Ветряной двигатель с горизонтальным валом состоит из башни с поворотным оголовком, горизонтального вала с лопастным колесом, соединенного с генератором или другим механизмом непосредственно или через редуктор (кн. "Ветроэнергетика", под редакцией Д. де Рензо., перевод с английского Я.И. Шефтера, Москва, "Энергоиздат", 1982).

Однако низкий КПД ветряных двигателей с горизонтальным валом и большая материалоемкость не позволяют получить движитель достаточной мощности при приемлемых габаритах.

Известны более совершенные ветряные двигатели с вертикальным валом-ротором и вертикальными плоскостями-парусами, управление положением которых в зависимости от направления ветра осуществляется специальным приводом от ЭВМ (ИР 89, N 1, с.15).

Такие ветродвигатели имеют сравнительно высокий КПД, но сложность и материалоемкость конструкции делают их экономически невыгодным.

Целью изобретения является повышение КПД ветродвигателя при сравнительной простоте и надежности конструкции, обеспечение ее устойчивости при увеличенных ветровых нагрузках, снижение материалоемкости, повышение технологичности.

Указанная цель достигается тем, что вертикально установленные поворотные щиты-лопасти благодаря несимметричности относительно оси поворота с помощью специальных упоров под действием ветра сами фиксируются в положении наибольшей эффективности его воздействия на щит-лопасть, находящуюся в рабочей зоне, в то время как противолежащая щит-лопасть, находящаяся в зоне холостого хода, повернувшись на 180^о при входе в эту зону, благодаря разности плоскостей, на которые делит щит-лопасть ось ее поворота, становится ребром к ветру, а при смещении упоров в сторону вала ротора с помощью специального устройства все лопасти становятся ребром к ветру, исключая перегрузку установки в сильный ветер и обеспечивая остановку ветроколеса.

Такая конструкция ветроколеса позволяет упростить его устройство, повысить КПД, исключить ветровую перегрузку установки, снизить материалоемкость, упростить остановку ветродвигателя.

На фиг.1 показан общий вид роторного ветроколеса с управляемой самофиксацией поворотных щитов-лопастей в рабочем положении; на фиг.2 - вид ветроколеса в плане в динамике при действии ветра в направлении по стрелке А.

Ветроколесо с управляемой самофиксацией поворотных щитов-лопастей состоит из следующих частей: ротор с установленным в подшипниковой опоре 14 (фиг.1, 2), вертикальным валом 4, к которому жестко закреплены через фланцы 3 четыре пары расположенных под углом 90^о друг к другу пластинчатых кронштейнов 5, на концах которых смонтированы подшипниковые опоры 6 с установленными в них четырьмя поворотными щитами-лопастями 8 на осях 7, делящих щиты на две неравные части, одна из которых больше другой на 1/3. На расстоянии, на 20 мм меньшем ширины большей части щита-лопасти от оси ее поворота в прорезях кронштейнов 5, на шарнирных тягах 1 установлены пластинчатые упоры 2, к которым в нижней части крепятся одним концом тросики 11, пропущенные через направляющие ролики, закрепленные на вертикальном валу ротора, а вторым концом - на скользящей втулке 13, установленной на шпонке в нижней части вертикального вала между подшипниковой опорой 14 и нижними кронштейнами щитов-лопастей с возможностью свободного осевого перемещения. Скользящая втулка 13 имеет кольцевую канавку на периферийной поверхности, в которую свободно входят два сухаря, соединенные шарнирно с вилкой 12, шарнирно закрепленной на стойке 1, которая установлена на подшипниковой опоре 14 вала ротора. На одном конце вилки 12 установлен контргруз 17, а на другом к проушине крепится соединенный с автоматическим устройством или ручным приводом управления упорами трос. На нижнем конце вала ротора жестко крепится шкив ременной передачи или полумуфта, соединяющая его через редуктор или непосредственно с исполнительным механизмом.

Ветроколесо работает следующим образом. Если ротор ветроколеса разделить на две части вертикальной плоскостью, проходящей через ось его вращения параллельно направлению движения воздушного потока, то с правой стороны ротора от этой плоскости (фиг.2) при направлении ветра по стрелке А будет зона рабочего хода лопастей, а с левой - зона холостого хода. Благодаря тому, что площадь части щита-лопасти 8, расположенной от оси ее поворота 7 со стороны вала ротор 4, больше площади другой ее части, а значит больше и сила воздействия на нее ветра, воздушный поток прижимает щит-лопасть 8 к упору 2, удерживая ее в этом положения, т.е. в положении наибольшего сопротивления ветру до тех пор, пока она не выйдет из рабочей зоны, в то время как противолежащая щит-лопасть, находясь в зоне холостого хода, благодаря той же разнице площадей ее частей по разные стороны от оси своего вращения, удерживается ребром навстречу ветру, т.е. в положении наименьшего сопротивления воздушному потоку.

В результате разницы силы воздействия ветра на правую и левую части ротора появляется крутящий момент, приводящий ротор в движение. При входе щита-лопасти в зону холостого хода, когда она начинает поворачиваться плоскостью к ветру, воздушный поток, воздействуя с разной силой на части щита-лопасти по обе стороны от оси ее вращения, заставляет щит-лопасть повернуться на 180^о (фиг.2, штрихпунктиp) и удерживает ее ребром навстречу ветру до входа в рабочую зону, где лопасть прижимается к упору и цикл повторяется.

При усилении ветра сверх допустимого или необходимости остановки ветродвигателя автоматическое устройство или вручную, воздействуя на вилку 12 через тросик, рычаг или другую связь, переместит скользящую втулку 13 вниз, смещая через тросики 11 упоры 2 в сторону вала 4 ротора, а щиты-лопасти 5 в рабочей зоне, освободившись от упоров под действием воздушного потока, повернутся ребром навстречу ветру, уравновешивая нагрузку на ротор по обе его стороны, и крутящий момент исчезнет. При освобождении вилки 12 от воздействия связи с автоматическим устройством втулка 13 под действием контргруза 17 сместится вверх, освобождая тросики 11 и упоры 2, которые под действием тяг 1 и собственного веса сместятся в сторону щитов-лопастей 8. Последние при повороте ротора под действием маховика или специального пускового устройства на 1/4 оборота, находясь в рабочей зоне, прижмутся воздушным потоком к упорам, вновь создавая крутящий момент на валу ротора.

Шарнирные тяги 1 и прорези в пластинчатых кронштейнах под упоры выполнены так, чтобы при нахождении упоров 2 в крайнем положении со стороны вала ротора, тяги 1 оставались наклоненными к горизонтальной плоскости под углом, не препятствующим свободному падению упоров под собственным весом при их освобождении от действия тросиков 11.

Такое устройство ветроколеса позволяет повысить его КПД, упростить конструкцию, повысить устойчивость и механическую надежность при одновременном снижении материалоемкости в сравнении с аналогичными установками. Это делает экономически выгодным производство и использование ветродвигателей предлагаемой конструкции как малой мощности - для привода электрогенераторов или непосредственно насосов, компрессоров, мельниц на отдаленных поселках, хуторах, пастбищах, садово-огородных и дачных поселках, так и большой мощности с использованием таких ветроколес в блоке по несколько штук.

Разработан технический проект установки. На ветродвигатель мощности до 3 кВт можно изготовить рабочие чертежи в течении двух месяцев, а изготовить такую установку можно в любой мастерской, где есть токарный, фрезерный и сверлильный станки и электрогазосварочное оборудование.

Использование: ветроэнергетика. Сущность изобретения: ветроколесо содержит вертикальный вал, закрепленные на нем взаимно перпендикулярные горизонтальные кронштейны с упорами и поворотными вокруг оси лопастями, размещенными на части, площадь одной из которых на 1/3 больше площади другой, а упоры удалены от вала на расстояние, меньшее ширины большей части лопасти. Кронштейны и упоры выполнены в виде пластин. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ВЕТРОКОЛЕСО, содержащее вертикальный вал, закрепленные на нем взаимно перпендикулярные горизонтальные кронштейны с поворотными вокруг осей лопастями, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД и упрощения конструкции, кронштейны снабжены упорами, лопасти разделены осями на части, одна из которых имеет площадь на 1/3 больше площади другой части, а упоры удалены от вала на расстояние, меньше ширины большей части лопасти. 2. Ветроколесо по п.1, отличающееся тем, что кронштейны и упоры выполнены в виде пластин. 3. Ветроколесо по п.1, отличающееся тем, что кронштейны снабжены прорезями, упоры выполнены в виде вертикальных пластин, установленных в прорезях, закрепленных на них при помощи шарнирных тяг и соединенных тросиками, проходящими через направляющие ролики со скользящей втулкой, связанной с тросом управления упорами при помощи сухарей и вилки с противовесом.