КРЫЛЬЕВОЙ ВЕТРОПРИВОД Российский патент 1995 года по МПК F03D5/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано как механический привод поршневых, центробежных, осевых гидронасосов и других потребителей механической энергии.

Известна конструкция ветродвигателя с вертикальной осью вращения и поворотными лопастями.

Прототипом изобретения является ветроагрегат с мачтой и парусом, размещенные на вращающейся головке, кинематически связанной гидронасосом.

Известный ветродвигатель имеет сложную конструкцию, большую материалоемкость, сложные регулировки при изменении скорости ветра, невысокий КПД и небольшой срок службы.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение КПД ветропривода.

Для достижения этой цели ветроприемный рабочий орган выполнен в виде одной или нескольких горизонтальных аэродинамических несущих поверхностей, закрепленных с помощью горизонтального шарнира на вертикальной стойке, имеющей в верхней части два упора, нижняя часть стойки установлена с помощью телескопического соединения в поворотной втулке и связана сферическим шарниром с штоком поршневого гидронасоса, причем поворотная втулка установлена в верхней части башни с помощью радиально-упорных подшипников, с внешней стороны поворотной втулки выполнен кронштейн, в котором посредством шарнира с двумя осями вращения помещена тяга с регулируемыми ограничителями, верхний конец тяги шарнирно связан с несущей поверхностью, причем это соединение расположено впереди, а шарнир вертикальной стойки - сзади центра давления несущей поверхности.

На фиг.1 изображен ветроагрегат при движении несущей поверхности вниз; на фиг.2 - то же, при движении несущей поверхности вверх; на фиг.3 - то же, общий вид.

Ветроприемный рабочий орган ветроагрегата выполнен в виде горизонтальной аэродинамической несущей поверхности 1. Несущая поверхность 1 закреплена с помощью горизонтального шарнира 2 и подкосов на вертикальной стойке 3, имеющей в верхней части два упора 4 и 5. Нижняя часть стойки 3 установлена с помощью телескопического соединения в поворотной втулке 6 и связана сферическим шарниром 7 с штоком поршневого гидронасоса 9. Поворотная втулка 6 установлена в верхней части башни 10 с помощью радиально-упорных подшипников 11. С внешней стороны поворотной втулки 6 выполнен кронштейн 12, в котором посредством шарнира 13 с двумя осями вращения помещена тяга 14 с регулируемыми ограничителями 15 и 16. Верхний конец тяги 14 шарнирно связан с несущей поверхностью 1, причем это соединение расположено впереди, а шарнир 2 вертикальной стойки 3 - сзади центра давления несущей поверхности 1.

Упрощение конструкции и повышения КПД предлагаемого ветроагрегата достигается тем, что рабочий ход гидронасоса обеспечивается вертикальной составляющей полной аэродинамической силы удобообтекаемого тела (крыла). Силовые элементы ветроагрегата воспринимают минимальные нагрузки, представляющие собой горизонтальную составляющую полной аэродинамической силы удобообтекаемого тела с профилированными концевыми шайбами, что позволяет с учетом необходимого запаса прочности иметь меньшую по весу в сравнении с прототипом конструкцию ветроагрегата, снизить материалоемкость, стоимость. Повышение КПД ветроагрегата обеспечивается также постоянной нагрузкой на шток гидронасоса и минимальными боковыми нагрузками.

Ветроагрегат работает следующим образом.

Набегающий поток (ветер), воздействуя на несущую поверхность 1, создает полную аэродинамическую силу, равнодействующая которой приложена в центре давления крыла. Крыло, установленное с помощью горизонтального шарнира 2 на стойке , занимает под действием полной аэродинамической силы положение "носик вниз" с фиксированным благодаря упору 4 умеренным углом атаки.

Вертикальная составляющая полной аэродинамической силы крыла перемещает стойку 3 вниз посредством телескопического соединения относительно поворотной втулки 6 и передает движение через тягу 8 потребителю энергии, например поршневому гидронасосу 9 двухстороннего действия. Тяга 14 скользит в шарнире 13, имеющем две оси вращения: вертикальную и горизонтальную, параллельную передней кромке крыла. Для привода центробежных, осевых гидронасосов и других потребителей механической мощности, работающих от вращения, применяется промежуточное звено в виде кривошипно-шатунного механизма.

При достижении крылом, стойкой 3 и штоком гидронасоса положения, близкого к крайнему нижнему, регулируемый ограничитель 15 тяги 14 соприкасается с кронштейном 12. Это приводит к повороту крыла около оси вращения. Крыло занимает положение "носик вверх" и под воздействием полной аэродинамической силы от набегающего потока и упора 5 имеет фиксированный положительный угол атаки. Под действием вертикальной составляющей полной аэродинамической силы крыло перемещается вверх, увлекая за собой стойку 3, тягу 8, что обеспечивает рабочий ход гидронасоса.

При достижении крылом, стойкой и штоком гидронасоса положения, близкого к крайнему верхнему, регулируемый ограничитель 16 тяги 14 соприкасается с кронштейном 12. Это приводит к повороту крыла около оси вращения. Крыло занимает положение "носик вниз" и под воздействием полной аэродинамической силы от набегающего потока и упора 4 имеет фиксированный отрицательный угол атаки. Под действием вертикальной составляющей полной аэродинамической силы крыло перемещается вниз, что обеспечивает рабочий ход гидронасоса 9.

Гидронасос 9 работает от возвратно-поступательных движений несущей поверхности 1 с постоянными по абсолютной величине углами атаки, а следовательно, и нагрузками при постоянной скорости ветра.

Настройка угла атаки несущей поверхности 1 осуществляется с помощью регулируемых упоров 4 и 5 и ограничителями 15 и 16 и с учетом относительной скорости перемещения крыла.

Установка крыла на ветер и снижение его индуктивного сопротивления обеспечивается концевыми шайбами 17 типа рассеивателей вихрей, вынесенными за хорду крыла для увеличения плеча. При изменении направления ветра боковая сила концевых шайб 17 на плече L создает момент около вертикальной оси. Несущая поверхность 1 поворачивается вместе со стойкой 3, поворотной втулкой 6 относительно сферического шарнира 7 и вертикальной оси башни 10 с помощью радиально-упорных подшипников 11. Поворот крыла продолжается до тех пор, пока концевые шайбы не установятся по ветру, при этом передняя кромка крыла 1 перпендикулярна направлению скорости ветра.

В случае большой высоты башни 10 необходимо применять секционную тягу 8, прогиб которой ограничивается роликовыми опорами.

По сравнению с прототипом предлагаемый ветроагрегат имеет более простую, дешевую и менее материалоемкую конструкцию. Это объясняется тем, что ветроприемный орган в виде аэродинамической несущей поверхности с концевыми шайбами типа рассеивателей вихрей имеет наименьшее лобовое сопротивление (боковую силу), воспринимаемое элементами конструкции ветропривода. Кроме этого, постоянные по величине нагрузки, которые обеспечиваются фиксированным углом атаки крыла, позволят повысить КПД ветропривода, ресурс работы всех элементов конструкции.

Использование: в ветроэнергетике. Сущность: ветроприемный рабочий орган ветроагрегата выполнен в виде одной или нескольких горизонтальных аэродинамических поверхностей 1. Поверхность 1 закреплена с помощью горизонтального шарнира 2 и подкосов на вертикальной стойке 3, имеющей в верхней части два упора 4 и 5. Нижняя часть стойки 3 установлена с помощью телескопического соединения в поворотной втулке 6 и связана сферическим шарниром 7 с штоком поршневого гидронасоса 9. Втулка 6 установлена в верхней части башни 10 с помощью радиально-упорных подшипников 11. С внешней стороны втулки 6 выполнен кронштейн 12, в котором посредством шарнира 13 с двумя осями вращения помещена тяга 14 с регулируемыми ограничителями 15 и 16. Верхний конец тяги 14 шарнирно связан с поверхностью 1, причем это соединение расположено впереди, а шарнир вертикальной стойки 3 - сзади центра давления поверхности 1. 3 ил.

КРЫЛЬЕВОЙ ВЕТРОПРИВОД, содержащий ветроприемный рабочий орган, размещенный на шарнирной вертикальной стойке, установленной в поворотной головке башни и связанной с гидронасосом, отличающийся тем, что ветроприемный рабочий орган снабжен регулируемой тягой, поворотная головка - кронштейном, стойка - упорами, расположенными в ее верхней части, причем ветроприемный орган выполнен в виде одной или нескольких горизонтальных аэродинамических поверхностей, шарнирно установленных на вертикальной стойке, последняя размещена в поворотной головке телескопически и соединена со штоком гидронасоса сферическим шарниром, а аэродинамические поверхности связаны с кронштейном при помощи регулируемой тяги, верхний конец которой шарнирно соединен с передней кромкой аэродинамической поверхности, которая связана со стойкой за центром давления.