ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03D3/00 F03D3/02 F03D3/04 

Изобретение относится к ветродвигателям и используется в ветроэнергетике.

Известен ветродвигатель, содержащий поворотную платформу с двумя вращающимися ветроколесами на валу, кинематически связанном с электрогенератором [1].

Этот ветродвигатель сложен конструктивно.

Также известен ветродвигатель, содержащий горизонтальный вал, установленный на платформе, опирающейся на кольцевой рельс. На валу закреплены крестовины, на внешних концах которых шарнирно подвешены рамы. Поворот каждой рамы ограничен с одной стороны крюками, закрепленными на брусьях крестовины, с другой стороны пальцами, установленными на распорках крестовин. Качающиеся рамы закрыты поворотными створчатыми узкими лопастями в виде жалюзи, которые могут отклоняться только в одну сторону [2].

Однако известный ветродвигатель имеет низкую мощность и малую надежность работы.

Цель изобретения - повышение мощности и надежности работы, увеличение удобств эксплуатации.

Повышение мощности и увеличение надежности и срока службы отдельных элементов обеспечиваются сплошным выполнением лопастей (без простых и сложных жалюзей), размещением ограничителей угла поворота на меньшем поле лопасти, что по сравнению с прототипом уменьшает величину плеча рычага на консольно установленных ограничителях на брусьях или распорках крестовины и тем самым уменьшает силу ударов при перебрасывании лопастей, поскольку в изобретении упоры установлены ближе к оси вращения лопастей, размещением центра тяжести лопасти на ее оси вращения, что уменьшает число ударов лопасти об ограничители угла поворота.

Более эффективная работа лопастей обеспечивается при том же значении угла поворота лопастей от плоскости спиц тем, что ось вращения лопасти смещена от продольной оси симметрии в сторону вала колеса, что, в свою очередь, увеличивает значения углов поворота вала, в которых активная часть лопастей находится в зоне ветра, и уменьшает значения углов поворота вала, в которых лопасти создают тормозящий момент. Величину этих углов можно регулировать изменением угла наклона ветронаправляющей поверхности (изменением уровней высоты центра колеса и кромки поверхности) и изменением углов отклонения плоскости лопасти от плоскости спиц внутри ограничителей угла поворота лопасти посредством замены более высокого упора.

Увеличение удобств эксплуатации обеспечивается большей простотой устройства, в частности, конструкции лопастей, а также тем, что ветронаправляющая поверхность расположена на основании поворотной платформы, и тем, что, будучи установлена вертикально, создает защитную от ветра зону для ремонтных работ.

На фиг. 1 и 2 показано, что ветряной двигатель содержит поворотную платформу 1, закрепленные на ней симметрично относительно вала 2 отбора мощности два рабочих колеса 3 и 4, каждое из которых имеет вал 5 и 6, снабженный размещенной на платформе 1 опорой 7 и соединенный при помощи конической передачи 8 с валом 2 отбора мощности, последний пересекает опору 7, поворотная платформа 1 снабжена каркасами 9 и 10 (обведены пунктиром) по числу рабочих колес, вторыми опорами 11 и 12 валов 5 и 6 колес 3 и 4 соответственно, спицы 13-18 колеса 3, жестко закрепленные на валу 5, и спицы 19-24 колеса 4, жестко закрепленные на валу 6, расположенные в одних и тех же плоскостях у обоих колес и равномерно расположенные по окружности колес, поворотные лопасти 25-27 колеса 3 и поворотные лопасти 28-30 колеса 4, каждая из лопастей поворотно размещена между концами спиц, лежащих в одной плоскости (например, на фиг. 2 лопасть 28 колеса 4 размещена между концами 31 спиц 22 и 19), а ось 32 вращения лопасти (одна позиция для всех осей вращения любых лопастей) сдвинута относительно продольной оси симметрии 33 лопасти и параллельна валу 6, разделяя поле лопасти на меньшее поле 36 и большее поле 37 (на примере лопасти 28 на фиг. 2 и 3), лопасти выполнены сплошными.

На фиг. 1 и 3 показано, что на платформе 1 с наветренной стороны установлено ветронаправляющее устройство 39 (обведено пунктиром), а с подветренной стороны колес установлено по крайней мере одно (на фиг. 1 показано два) устройство 40 для наведения двигателя на ветер в виде рулевой пластины.

На фиг. 2 дополнительно показано, что вал 2 отбора мощности проходит через втулку 65, жестко соединенную с опорой 7, и выходит в подземный машинный зал 66, на полу которого установлен опорный подшипник 67 вала 2. С последним через передачу, не показанную на чертеже, соединен электрогенератор 68. Поворотная платформа 1 оборудована поворотными колесами 69, опирающимися на твердую опору 70.

На фиг. 3 показано, что ветряной двигатель содержит поворотную платформу 1, закрепленное на ней рабочее колесо 4 с валом 6, установленным на опоре 12. Колесо имеет три пары спиц, равномерно расположенных по окружности на 120^о друг от друга, из которых видны спицы 19, 20 и 21. Между концами спиц установлены на осях 32 поворотные лопасти 28-30. Плоскость лопасти 28 совпадает с плоскостью спиц. Сторона 38 лопасти 28 (как и любой другой лопасти, находящейся в аналогичном положении) является надветренной. Ось 32 (на примере лопасти 30) делит поле лопасти на меньшее поле 36 и большее поле 37. На меньших полях лопасти с каждой ее стороны установлены разновысотные ограничители 34 и 35 углов поворота лопасти. С надветренной стороны установлен ограничитель 35 с большим размером высоты. Лопасти 29 и 30 показаны в положении упора на этот ограничитель. Лопасть 28 находится в положении упора на ограничитель 34. С надветренной стороны установлено ветронаправляющее устройство 39, включающее ветронаправляющий плоский элемент 61, шарнирное соединение 62 этого элемента с основанием 64 поворотной головки и привод 63. С подветренной стороны поворотной головки установлено устройство 40 для наведения двигателя на ветер. Поворотная платформа 1 опирается на поворотные колеса 69, установленные на твердую опору 70 колес.

Лопасть 30, расположенная на левых наклонных спицах 21 (и 24), расположена благодаря ограничителю 35 вертикально (перпендикулярно свободному направлению ветра).

Пунктирное положение ветронаправляющего элемента 61, когда он перпендикулярен плоскости основания 64 поворотной головки, показывает его положение при ремонте или монтаже ветряного двигателя.

На фиг. 4 показано, что, например, на лопасти 28, вращающейся на оси 32, установленной на концах 31 спиц 19 и 22, закреплены на разных ее сторонах разновысотные ограничители 34 и 35 углов поворота лопасти. Ограничители выполнены зигзагообразной формы с различной высотой между параллельными полками (полками 57 и 58 низкого ограничителя, полками 59 и 60 высокого ограничителя) для различных сторон лопасти. Ограничитель 34 с меньшей высотой установлен на подветренной стороне лопасти и фиксирует положение ее плоскости в плоскости своих спиц.

На фиг. 5 показано условно, что при перебрасывании любой лопасти (например, лопасти 28) с одного ограничителя на другой плоскость лопасти повернется относительно плоскости соответствующих спиц на угол α= 30^о. На чертеже этот угол образован лопастью 28, опирающейся упором 34 на спицу 19, и этой же лопастью 28А, опирающейся на спицу 19 упором 35А.

На фиг. 6 показан в упрощенном виде план четырехколесного трехлопастного двигателя, содержащего по два колеса с разных сторон вала 2 отбора мощности. Справа показаны колеса 4 и 42 со спицами 19-22, 20-23, 21-24 и 44 соответственно. Слева показаны колеса 3 и 41 со спицами 13-16, 14-17, 15-18 и 43 соответственно. С надветренной стороны на платформе 1 установлен плоский ветронаправляющий элемент 61. С подветренной стороны установлены два устройства 40 для наведения двигателя на ветер.

Заявленный ветряной двигатель работает следующим образом.

Рассмотрим самый неблагоприятный случай работы, когда после безветрия колесо 4 остановилось так, что лопасть 28 оказалась под центром вала 6 колеса. Благодаря расположению центра тяжести каждой лопасти на своей оси вращения, лопасти относительно плоскостей своих спиц могут находиться в любом положении в пределах значений углов, заданных ограничителями 34 и 35 углов поворота лопастей. В нижнем положении поворот лопасти относительно плоскости своих спиц значения не имеет, т.к. лопасть 28 отгорожена от ветра ветронаправляющим плоским элементом 61. Лопасти же 29 и 30 имеют одинаковую высоту под горизонтальной плоскостью центра колеса, но обе они не могут вследствие геометрии углов ограничителей угла поворота одновременно быть во флюгером положении относительно направления ветра, поэтому появившийся ветер перебросит обе лопасти 29 и 30 в плоскости своих спиц, проекция площадей спиц поперек направлению ветра скачком увеличится и колесо 4 начнет свое вращение по стрелке М, если сила ветра будет для этого достаточной. Никакого стартового устройства не требуется.

Рассмотрим подход, например, лопасти 30 к кромке 80 ветронаправляющего плоского элемента 61. Геометрия углов ограничителей 34 и 35 поворота лопастей такова, что если одна плоскость спиц занимает вертикальное положение выше вала 6 колеса, то плоскость лопасти, ближайшей к кромке 80, будет перпендикулярна основанию 64 поворотной головки. При вращении колеса подветренная сторона лопасти 30 будет преодолевать сопротивление воздуха в нижней части колеса и силой этого сопротивления будет прижиматься к спице ограничителем 35. Примем для дальнейшего, что скорость вращения колеса такова, что вращающим моментом лопасти вокруг ее оси вращения под действием крутящего момента центробежных сил, действующих на разновеликие поля лопасти, можно пренебречь. Отметим, что они будут стремиться прижимать лопасть к спице ограничителем 34, т.е. совместить плоскость лопасти с плоскостью своих спиц. При переходе кромки 80 линией проекции плоскости ветер "ударит" в меньшее поле 36 лопасти с ее надветренной стороны и перебросит лопасть на ограничитель 34, совместив плоскость лопасти с плоскостью спиц, хотя в этот момент времени ее плоскость спиц еще не горизонтальна. Подветренная сторона лопасти станет воспринимать давление наклонно восходящего потока воздуха, создавая дополнительную подъемную силу и дополнительный крутящий момент колеса, превышающий по своему значению силу сопротивления воздуха на проекцию площади лопасти, находящейся в нижней половине колеса.

Использование: в ветроэнергетике, в частности в ветродвигателях. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит два ветроколеса, размещенные на валу, расположенном в опоре на платформе. Ветроколеса состоят из лопастей колес, поворотно закрепленных на спицах, и укреплены на валу. Каждая лопасть выполнена сплошной и имеет два ограничителя угла поворота относительно плоскости спиц. Ограничители выполнены разной величины и установлены на разных сторонах каждой лопасти. При этом ограничитель с большим размером высоты установлен с надветренной стороны лопасти. На платформе размещено ветронаправляющее устройство на ветроколеса, а с подветренной стороны установлено по крайней мере одно устройство для наведения двигателя на ветер. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий поворотную платформу, расположенную на ней опору, размещенный в последней вал с закрепленными на нем симметрично относительно вала отбора мощности двумя ветроколесами, каждое из которых имеет поворотные лопасти, а каждая из лопастей поворотно укреплена между концами спиц, лежащих в одной плоскости и жестко закрепленных на валу, при этом ось вращения лопасти сдвинута относительно продольной оси симметрии лопасти и параллельна валу, причем лопасть имеет два ограничителя угла поворота относительно плоскости спиц, расположенные по разные стороны этой плоскости, отличающийся тем, что ось вращения каждой лопасти сдвинута в сторону вала колеса с образованием полей разной площади, ограничители углов выполнены разного размера для различных сторон лопасти и установлены на меньшем поле лопасти на разных ее сторонах, причем ограничитель с большим размером высоты установлен с надветренной стороны лопасти, центр тяжести последней размещен на ее оси вращения, а сами лопасти выполнены сплошными, при этом на платформе с надветренной стороны установлено ветронаправляющее устройство на ветроколеса, а с подветренной стороны установлено по крайней мере одно устройство для наведения двигателя на ветер. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что число лопастей в каждом колесе равно трем. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что с каждой стороны вала отбора мощности установлены по крайней мере два одинаковых ветроколеса с одинаковым числом лопастей, причем плоскости спиц каждого колеса сдвинуты равномерно по окружности колес, а колеса с одинаковым сдвигом плоскостей спиц расположены по обе стороны вала отбора мощности симметрично. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ограничители угла поворота лопасти выполнены зигзагообразной формы. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ветронаправляющее устройство содержит ветронаправляющий плоский элемент и привод с фиксатором положения элемента, причем плоский элемент шарнирно соединен с поворотной платформой, а соединение расположено на основании платформы, при этом длина элемента по направлению ветра не менее диаметра ветроколеса, когда плоскости лопастей последнего совпадают с плоскостями спиц.