ВЕТРОКОЛЕСО Российский патент 1994 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках (ВЗУ) с вертикальной осью вращения.

В работе ВЗУ можно выделить три характерных режима: запуск, номинальный и максимальный режимы. Желательно, чтобы конструкция ВЭУ обеспечивала оптимальные эксплуатационные характеристики на всех режимах: на режиме запуска - самораскрутку, на номинальном режиме - максимальный коэффициент использования энергии ветра, на максимальном режиме - ограничение оборотов вала ВЭУ при сильных ветрах.

Известен роторный двигатель, движимый жидкой средой, содержащий шесть шарнирно закрепленных на траверсах лопастей с противовесами, имеющих возможность без ограничений вращаться вокруг осей [1].

Однако указанный ветродвигатель на режиме запуска не обеспечивает самораскрутки, т.к. при страгивании все лопасти будут ориентироваться по ветру и диаметрально расположенные лопасти взаимно уравновесят вращающие моменты, кроме того, на максимальном режиме на предусмотрено ограничение оборотов вала при больших скоростях ветра.

Кроме того, известен ротор ветродвигателя, являющийся прототипом изобретения и содержащий шарнирно закрепленные на траверсах лопасти и механизмы поддержания постоянной скорости вращения вала, состоящие из грузов на передних кромках лопастей и пружин, связывающих каждую лопасть с соответствующей траверсой [2].

Однако указанный ветродвигатель не обеспечивает самораскрутку при запуске и высокую эффективность на номинальном режиме, т.е. на этих режимах лопасти неподвижны относительно их точек подвески.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик ветродвигателя на режимах запуска и номинальном при сохранении высоких эксплуатационных характеристик при больших скоростях ветра.

Поставленная цель достигается тем, что ветродвигатель, содержащий вертикальный вал, закрепленные на нем радиальные траверсы с шарнирно установленными подпружиненными лопастями и противовесы, снабжен шарнирно связанными между собой пилонами с кронштейнами, а траверсы-упорами, при этом пилоны расположены на лопастях, кронштейны шарнирно связаны с траверсами и установлены с возможностью взаимодействия с упорами, концы пружин соединены соответственно с пилоными в зоне задних кромок лопастей и одними концами кронштейнов, а на других концах последних размещены противовесы.

На фиг.1 приведен общий вид ветродвигателя; на фиг.2 - схема узла навески лопастей; на фиг.3 - схема сил, действующих на лопасти, поясняющая работу ветродвигателя; на фиг.4 - характеристики ветродвигателя, полученные на модели в аэродинамической трубе.

Ветродвигатель (фиг. 1, 2) содержит вал 1, жестко прикрепленные к нему траверсы 2, на концах которых подвешены лопасти 3. Лопасти закреплены к траверсам посредством пилонов 4, шарнирно закрепленных на кронштейнах 5, которые, в свою очередь, шарнирно закреплены на траверсах 2. Кронштейн 5 и пилоны 4 связаны между собой предварительно напряженными пружинами 6. На кронштейнах 5 расположены противовесы 7. Вращение кронштейнов 5 ограничено упорами 8, расположенными на траверсах 2.

Ветродвигатель работает следующим образом.

При нулевой и малых угловых скоростях вращения вала 1 центробежные силы малы, и лопасть 3 с кронштейном 5 как единое целое, под действием аэродинамической силы R_a, вращается вокруг оси а (см. фиг.2). При этом в наветренной области лопасти отклоняются хвостиками внутрь ометаемого цилиндра на угол, ограниченный упорами, а в заветренной - наружу (см. фиг.3), за счет чего сила R_а дает положительную проекцию Т на перпендикулярное к оси траверсы 2 направление, т.е. создается вращающий момент, обеспечивающий самозапуск и раскрутку ветродвигателя до номинальных угловых скоростей.

При номинальных угловых скоростях ветродвигатель работает следующим образом: под действием центробежных сил лопасти 3 устанавливаются под оптимальным углом, а под действием аэродинамических сил, не касаясь упоров, совершают малые колебания относительно этого угла, что повышает коэффициент использования энергии ветра.

При увеличении скорости ветра и угловой скорости вала 1 выше заданного значения центробежная сила, действующая на лопасти 3, превысит силу натяжения пружин 6, и лопасти 3 начнут поворачиваться вокруг оси б, отклоняясь от оптимальных углов, что приводит к ограничению вращающего момента и угловой скорости вала 1 ветродвигателя.

Эксперименты, проведенные на модели ветродвигателя в аэродинамической трубе, подтвердили наличие устойчивого самозапуска при малых скоростях ветра (см. фиг.4) и возможность автоматического ограничения оборотов при больших скоростях ветра. Эксперименты также показали, что шарнирная подвеска лопастей обеспечивает максимальный коэффициент использования энергии ветра ζ= 0,42, по сравнению с ζ = 0,33 на той же модели при жестком креплении лопастей.

Таким образом, ветродвигатель, как и прототип, обеспечивает ограничение оборотов вала при больших скоростях ветра, но по сравнению с прототипом имеет лучшие эксплуатационные характеристики: обеспечивает самозапуск, что позволит обойтись без дополнительных источников энергии и устройств, и имеет больший коэффициент использования энергии ветра на номинальном режиме.

Использование: в электроэнергетике, в ветроэнергетических установках с вертикальной осью вращения. Сущность изобретения: ветроколесо содержит вал, закрепленные на нем радиальные траверсы с упорами, и подпружиненные лопасти, шарнирно соединенные с траверсами посредством кронштейнов и пилонов, связанных предварительно напряженными пружинами. За счет поворотов лопастей при запуске под действием аэродинамических сил осуществляется самораскрутка ветродвигателя. При больших скоростях ветра происходит ограничение оборотов вала за счет отклонения лопастей от оптимального угла под действием центробежных сил. 4 ил.

ВЕТРОКОЛЕСО, содержащее вертикальный вал, закрепленные на нем радиальные траверсы с шарнирно установленными подпружиненными лопастями, противовесы, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности и обеспечения самозапуска, оно снабжено шарнирно связанными между собой пилонами с кронштейнами, а траверсы - упорами, при этом пилоны расположены на лопастях, кронштейны шарнирно связаны с траверсами и установлены с возможностью взаимодействия с упорами, концы пружин соединены соответственно с пилонами в зоне задних кромок лопастей и одними концами кронштейнов, а на других концах последних размещены противовесы.