ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических агрегатах с вертикальной осью вращения.

Известен ветродвигатель, содержащий установленное на вертикальном валу ветроколесо, выполненное в виде оболочки, размещенной концентрично валу и образованной двумя сопряженными выпуклыми частями цилиндрических поверхностей, и соединенных с ней лопастей с крыловидным поперечным сечением.

Недостатками известного ветродвигателя являются большие габариты, плохие условия транспортировки и относительно низкая производительность (КПД).

Для отдельных случаев использования возникает необходимость в оптимизации габаритов относительно обеспечения благоприятной возможности изготовления и транспортировки, причем производительность двигателя должна в основном остаться неизменной или даже быть улучшена.

Изобретение основано на том факте, что за счет уменьшения поперечного сечения сердечника ротора хотя и уменьшается противодействующая ветру рабочая поверхность, однако это обстоятельство не должно вести к снижению мощности (относительно того или иного конструктивного размера, т.е. высоты и общего диаметра), если соблюдаются определенные краевые условия.

Соответствующее изобретению определение размеров пригодно, в частности, для соответствующих родовому признаку ветродвигателей с уменьшенной конструктивной формой, в результате чего обеспечивается благоприятная возможность мобильного использования ветродвигателя, например, на транспортных средствах или парусных яхтах.

Установлено, что поскольку мощность пропорционально увеличивается с увеличением числа оборотов за счет использования "более открытой" конструкции, т. е. уменьшенного поперечного сечения сердечника ротора или тел несущих поверхностей и вытекающего из этого более высокого относительного использования потока, может достигаться приблизительно та же мощность. За счет увеличения относительного отклонения потока телом сердечника достигается в целом увеличение эффективности обтекаемых потоком тел.

За счет уменьшения тел и связанного с этим уменьшения массы дополнительно уменьшаются потери на трение и достигаются более благоприятные возможности изготовления и транспортировки. Редукторы и генераторы также становятся менее тяжелыми и габаритными, поскольку при более высоком числе оборотов (относительно отдаваемой на валу мощности) уменьшаются подлежащие передаче крутящие моменты. Цель использования соответствующего изобретению определения размеров направлена в первую очередь на исполнение малых конструктивных форм с более высокими значениями числа оборотов.

Установлено, что выбранные в соответствии с изобретением размеры могут предпочтительно использоваться не только для малых конструктивных форм, но и для более крупных исполнений.

В случае предпочтительно уменьшенного конструктивного размера отпадает необходимость в использовании внешнего расчаливания. Полый вал образует в случае благоприятной формы исполнения обсадную трубу, на которой крепится вращающееся тело. Направляемый внутри обсадной трубы, соединенный с вращающимся телом вал передает приводную мощность через промежуточную передачу на генератор.

Соответствующее изобретению определение размеров ведет не только к более удобному в экономическом отношении изготовлению установки, но и к упрощению ее транспортировки. Наряду с уменьшением веса в результате уменьшенной конструктивной формы осуществляет возможность уменьшения транспортировочных габаритов за счет поворота обтекаемых ветром тел (тело сердечника ротора и тела несущих поверхностей) из рабочей позиции в позицию транспортировки.

Для соблюдения малых транспортировочных габаритов обтекаемые ветром тела могут откидываться в основном в одну плоскость, если они укреплены с возможностью поворота вокруг их центров тяжести или центров с имеющими форму окружности поперечными сечениями (насколько сами они расположены внутри поперечного сечения тела).

Так как для соединения тел между собой в процессе эксплуатации между этими телами предусмотрены несущие элементы, существует возможность предусмотрения их также в качестве стопорных элементов для транспортировки. Несущие элементы принимают также подшипники, обеспечивающие вращение в процессе эксплуатации.

Арретируемое с возможностью откидывания крепление обтекаемых ветром тел позволяет транспортировать устройство в конфигурации с лишь незначительной высотой, причем конструктивная высота такой транспортной конфигурации приблизительно соответствует уменьшенным поперечным габаритам тела сердечника ротора. Это и другие обтекаемые ветром тела могут поворачиваться при этом после устранения арретирования вокруг названных осей, причем в случае тела сердечника ротора речь идет предпочтительно о центральной оси, а в случае обтекаемых ветром тел - о центральной оси имеющих форму полуокружности поперечных сечений, которые образуют передние кромки лопастей.

Если соединяющие обтекаемые ветром тела несущие элементы имеют в качестве распорок или замкнутых поверхностных элементов поперечные габариты, которые не превышают меньший поперечный размер тела сердечника ротора или в основном соответствуют этому размеру, то в этом случае транспортировочная конфигурация может быть реализована без существенных дополнительных расходов, так как поперечные распорки образуют торцовые стороны транспортировочного узла, в результате чего помимо арретировок необходимо предусмотреть лишь оболочку.

В этой имеющей квадратную форму конфигурации при этом дополнительно существуют полые пространства, в которых может размещаться разобранная или сложенная станина для ветрового двигателя с профильной конструкцией, поперечные размеры которой не превышают находящегося в распоряжении пространства.

Кроме того, особенно предпочтительным является то, что, если центр оси вращения тел лопастей для перевода их в положение покоя находится в центре его имеющего форму полуокружности поперечного сечения передних кромок, размеры ротора в положении покоя или транспортировки не увеличиваются относительно размера диаметра.

В случае другого предпочтительного усовершенствования генератор для выработки электрической энергии располагается, включая промежуточную передачу, внутри тела сердечника ротора, в результате чего отпадает необходимость в дополнительном пространстве для устройства для выработки тока. Переход с малой скорости вращения ротора на предпочтительно более высокую скорость вращения генератора осуществляется при этом с помощью планетарной передачи.

На фиг. 1 изображен ветровой двигатель с поворачиваемым вокруг вертикальной оси ветровым ротором, вид сбоку; на фиг. 2 показана вспомогательная конструкция для исполнения отклоняющих ветер поверхностей тела сердечника ротора и соответствующих тел лопастей, а также их взаимного углового расположения; на фиг.3 - дано поперечное сечение через ветровой ротор по фиг.1 на любой высоте в рабочей позиции; на фиг. 4 - поперечное сечение по фиг.1 в положении транспортировки или покоя.

Наиболее существенной составной частью ветрового двигателя 1 является ветровой ротор 2, вращающийся вокруг вертикально расположенного полого вала 3. Ветровой ротор состоит из тела 4 сердечника ротора и тел 5 и 6 лопастей, которые жестко соединены между собой, например укреплены на концевых плитах 7 и 8. Полый вал 3 оснащен двумя подшипниками 9 и 10, которые предусмотрены внутри тела сердечника ротора на его верхнем и нижнем концах. В результате общая конструкция является компактной и стабильной без внешнего расчаливания. Предусмотренные внутри тела сердечника ротора подшипники защищены от погодных влияний. Внутри полого вала 3 предусмотрен стационарно соединенный с верхней концевой плитой 7 приводной вал 11, который подводит приводную мощность ротора через планетарную передачу к генератору 12, который представляет собой устройство для преобразования энергии и выработки электрической энергии. Генератор расположен с капсюлированием внутри корпуса 13, выполненного в качестве опоры. В результате этого генератор ветрового двигателя может использоваться в экстремальных условиях на яхтах и т.п. С помощью крепежных средств 14 и 15 в форме крепежных зажимов обеспечивается возможность крепления устройства на жилых прицепах, а также на корме яхты или т.п., в том числе возможность нестационарного крепления.

Эта конструкция может незначительно изменяться в соответствии с теми или иными требованиями или условиями. Так, например, при больших размерах ветрового ротора 2 могут предусматриваться верхний и нижний подшипники или неподвижный вал с укрепленным на нем с возможностью вращения ветровым ротором 2, служащая одновременно для ременного привода 16 или непосредственно входящая в соединение с генератором 12 без использования промежуточного включенного ремня концевая плита 7 или 8 или т.п.

Предпочтительно при больших габаритах и при обусловленном весом полом исполнении тела ветрового ротора, в частности тела 4 сердечника ротора, генератор 6 или соответствующий, приводимый механически в действие агрегат, насос, дробильная установка или т.п. могут размещаться внутри полого тела сердечника ротора. Для этого предпочтительной является упомянутая форма исполнения с неподвижно расположенным валом.

Фиг.2 показывает в сечении важные для изобретения исполнение и конструкцию тел ветрового ротора. Тело 4 сердечника ротора содержит выгнутые наружу поверхности 17, 18 для отклонения ветра, которым придано по одному внешнему телу 5, 6 лопастей с в основном имеющим форму несущей поверхности поперечным сечением. Направление вращения ветрового ротора 2 обозначено стрелкой. Независимо от направления ветра ветровой ротор приходит во вращение из любого положения и незамедлительно вырабатывает энергию, которая может сниматься с клемм генератора.

Способность ветрового ротора 2 к самостоятельному троганию основана на форме отдельных поверхностей для отклонения ветра и на фиксированном в процессе эксплуатации положении тела 4 ветрового ротора и тел 5 и 6 относительно друг друга. Между вращающимся на ветру телом 5 или 6 лопасти и телом 4 сердечника ротора проходящий поток воздуха отклоняется к внешним телам лопастей. Скорость воздуха, который проходит снаружи мимо соответствующего тела лопасти, в результате этого существенно увеличивается, в результате чего возникает действующая наружу сила с одной составляющей в направлении вращения. Попадающий на часть тела 4 сердечника ротора ветер, который не затеняется движущимися мимо телами 5 или 6 лопастей, оказывает давление на движущуюся часть ветровой рабочей поверхности тела 4 сердечника ротора и, таким образом, поддерживает составляющую усилия, действующую в направлении вращения. Поток, существующий между движущимися в направлении ветра телами 5 или 6 лопастей и телом 4 сердечника ротора, отклоняет поступающий ветер из этой области наружу мимо заднего конца уходящего тела 5 или 6 лопасти, т. е. оказывает давление также в направлении вращения. Можно любым образом и для самых разных положений ветрового ротора при заданном направлении ветра пояснить постоянно действующие в направлении вращения составляющие, причем импульсу вращения одновременно способствуют многочисленные явления, например подъемная сила, отклонение, скоростной напор, разряжение вследствие завихрений и т.п.

Фиг. 2 показывает также, в каком соотношении и в какой форме и взаимном положении выбираются поверхности для отклонения ветра тела ветрового ротора в случае формы исполнения с одной парой внешних тел лопастей. Исходным размером является диаметр D ветрового ротора 2. Внешние ветровые рабочие поверхности 19, 20 тел 5, 6 лопастей выполнены в виде участков цилиндрической оболочки. Соответствующий радиус кривизны поверхностей 19, 20 для отклонения ветра соответствует 3,45-й части диаметр D ветрового ротора 2.

Внутренние поверхности 21, 22 для отклонения ветра тел 5,6 лопастей представляют собой ровные поверхности. Они образуют вместе с внешним поверхности 19, 20 для отклонения ветра задний остроугольный конец тел 5,6 лопастей, который расположен на радиусе ветрового ротора 2, который пересекает линию соприкосновения поверхностей 17, 18 тела 4 сердечника ротора. Ровные внутренние поверхности 21, 22 отклонения ветра проходят в направлении 41^о к соединению центра ветрового ротора с концом тела лопасти и завершаются в передней области тела 5,6 лопастей под углом 49^о к соединению центра ветрового ротора с концом тела лопасти. Передние поверхности 23, 24 отклонения ветра одного тела 5,6 лопасти также выполнены в виде участков цилиндрической оболочки, радиус кривизны которых соответствует половине расстояния между внешними и внутренними поверхностями 19/21 или 20/22 отклонения ветра на переднем конце тел 5/6 лопастей.

Поверхности 17, 18 тела 4 сердечника ротора также образуют участки цилиндрической оболочки. Их радиус кривизны соответствует расстоянию Х центра кривизны от передних поверхностей 23, 24 отклонения ветра приданного тела 5, 6 лопасти. Тот или иной центр кривизны поверхностей 17, 18 отклонения ветра удален от центра ветрового ротора 2 на расстояние Е, причем оно представляет собой 4,72-ю часть диаметра D ветрового ротора.

Центр ветрового ротора - центр кривизны передних поверхностей 23, 24 отклонения ветра отклонен от лопасти тел 5, 6. Важно то (и это обеспечивается при данной конструкции) что касательные поверхностей 17, 18 отклонения ветра образуют в плоскости чертежа угол, который меньше 90^о.

Такой ветровой ротор вращается при D=0,6 м и высоте или осевой длине 0,6 м при скорости 6 ветра приблизительно 450 об/мин (скорость 6 ветра соответствует скорости ветра 14 м/с).

Указанный выбор размеров ведет к тому, что в результате "более открытой" конструкции, т.е. в результате уменьшения поперечного сечения тела сердечника ротора или тела несущей лопасти и вытекающего из этого более высокого числа оборотов, может быть достигнута более высокая мощность.

И передача, и генераторы имеют меньший вес и габариты, так как при более высоком числе оборотов при той же мощности уменьшаются подлежащие передаче крутящие моменты, в результате чего при некоторых более крупных исполнениях ротора они могут быть расположены также внутри тела сердечника ротора. Соответствующий изобретению выбор размеров может предпочтительно использоваться не только при уменьшенных конструктивных формах, но и при более крупных исполнениях.

Соответствующий изобретению выбор размеров ведет не только к более удачной в экономическом отношении возможности изготовления, но и к созданию исполнения, отличающегося большим удобством транспортировки. Наряду с уменьшением веса в результате уменьшенной веса в результате уменьшенной конструктивной формы существует возможность уменьшения транспортировочных габаритов за счет вывода обтекаемых ветром тел (тело сердечника ротора и тела несущей поверхности) из рабочей позиции в позицию транспортировки. В качестве материала предпочтительно используется алюминий.

Изображенная на фиг. 3 конструкция для стационарного расположения тела ветрового ротора состоит из (изображенной штриховой линией) плиты 25 на нижней и верхней сторонах ветрового ротора 2. Фигура показывает вид на торцовую сторону, т.е. рассматривается применительно к работоспособному ротору сверху или снизу. Тем самым тела 5 и 6 лопастей могут несложным образом защищаться в их взаимном положении и в их положении относительно одновременно вращающегося тела 4 сердечника ротора от того или иного проворачивания. Для ветровых роторов 2 с большими размерами, которые вращаются вокруг неподвижного вала, одновременно вращающиеся детали креплений могут располагаться непосредственно на плите 25.

Фиг.4 показывает пример исполнения в транспортной конфигурации, которая является, в частности, благоприятной в том случае, если ветровой ротор, например на яхтах, должен храниться в узком пространстве. Видно, каким образом убираются тела лопастей, причем и тело сердечника введено в поверхностную область плиты, наибольший поперечный размер которой показан в главном направлении соединения тела сердечника ротора с элементами лопастей, а меньший поперечный размер определяет высоту транспортировочной конфигурации. Плиты 25 выбираются предпочтительно такими, что они меньше или равны этому поперечному размеру, что касается их ширины (на фигуре высоты). Тела лопастей развернуты так, что их расположенные в готовом к работе состоянии внутри ограничительные поверхности располагаются в наружном направлении и образуют части внешних поверхностей транспортировочных конфигураций. Видно, что образованный таким образом узел может без труда транспортироваться на большие расстояния.

Во многих случаях можно отказаться от дополнительной упаковки, если предусмотрена дополнительная транспортировочная арретировка, как это показано на фигуре. Эта дополнительная транспортировочная арретировка удерживает внешние тела лопастей в изображенной позиции, причем их острые концы указывают в направлении тела сердечника ротора и ограничивают его относительно возможности поворота. Таким образом, в случае необходимости транспортировки тело сердечника необходимо лишь ограничить в отношении его подвижности с помощью дополнительной арретировки. Если в случае другого, не изображенного исполнения тела лопастей арретированы в своей транспортировочной позиции так, что их расположенные в рабочем состоянии и снаружи поверхности располагаются рядом с телом ротора, то от последующей транспортировочной арретировки тела ротора можно отказаться в том случае, если оно может поворачиваться исключительно между своей рабочей позицией и транспортировочной позицией. Острые концы кромок лопастей прочно удерживают в транспортировочной конфигурации тело сердечника ротора в его соответствующем положении. При такой конструкции в качестве последующей арретировки необходимо предусмотреть лишь охватывающую общую конструкцию ленту, пленку или т.п. с целью защиты узла при транспортировке от непреднамеренного раскладывания.

Изобретение не ограничивается описанным выше предпочтительным примером исполнения. Возможно большое количество вариантов.

Использование: в ветроэнергетике, в частности в ветроагрегатных с вертикальной осью вращения. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит ветроколесо 2, выполненное в виде оболочки, размещенной концентрично вертикальному валу 3 и образованной двумя сопряженными выпуклыми частями цилиндрических поверхностей, и соединенных с ней пары лопастей 5, 6 с крыловидным поперечным сечением. Входные кромки и наветренные стороны лопастей выполнены в виде частей цилиндрических поверхностей. Радиус цилиндрических поверхностей оболочки составляет 1/3,3 - 1/3,6 диаметра ветроколеса. Эксцентриситет центра кривизны каждой из поверхностей составляет 1/4,5 - 1/5 диаметра ветроколеса, преимущественно 1/4,72. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий установленное на вертикальном валу, размещенном на опоре и связанном с механическим потребителем, ветроколесо, выполненное в виде оболочки, размещенной концентрично валу и образованной двумя сопряженными выпуклыми частями цилиндрических поверхностей, и соединенных с ней пары лопастей с крыловидным поперечным сечением, входные кромки и наветренные стороны которых выполнены в виде частей цилиндрических поверхностей, подветренные стороны - плоские, а остроугольные выходные кромки расположены на линии, соединяющей ось ветроколеса и точку сопряжения поверхностей оболочки, отличающийся тем, что радиус цилиндрических поверхностей оболочки составляет 1/3,3 - 1/3,6 диаметра ветроколеса, при этом эксцентриситет центра кривизны каждой из поверхностей составляет 1/4,5 - 1/5 диаметра ветроколеса, преимущественно 1/4,72. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что радиус цилиндрических поверхностей оболочки составляет 1/3,5 диаметра ветроколеса. 3. Ветродвигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол между линией, соединяющей точки сопряжения цилиндрических поверхностей оболочки, и линией, соединяющей точки сопряжения входных кромок с наветренными и подветренными сторонами лопастей, составляет 39 - 43^o, преимущественно 41^o. 4. Ветродвигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что диаметр ветроколеса меньше 1 м, преимущественно 0,6 м. 5. Ветродвигатель по пп.1 - 4, отличающийся тем, что высота ветроколеса меньше 1 м, преимущественно 0,6 м. 6. Ветродвигатель по пп.1-5, отличающийся тем, что ширина поперечного сечения оболочки не меньше толщины лопасти. 7. Ветродвигатель по пп.1-6, отличающийся тем, что ветродвигатель снабжен установленной концентрично валу и связанной с опорой обечайкой, ветроколесо укреплено на последней, а подшипники размещены в верхней и нижней частях ветроколеса между оболочкой и обечайкой. 8. Ветродвигатель по пп.1-7, отличающийся тем, что в качестве механического потребителя использован генератор, причем генератор расположен в опоре, а вал генератора соединен с валом ветроколеса. 9. Ветродвигатель по п. 8, отличающийся тем, что вал генератора соединен с валом ветроколеса при помощи планетарной передачи. 10. Ветродвигатель по пп.1 - 9, отличающийся тем, что оболочка и лопасти установлены с возможностью независимого вращения относительно своих вертикальных осей, размещенных соответственно в центре оболочки и в центрах полуокружностей входных кромок лопастей. 11. Ветродвигатель по пп. 1 - 10, отличающийся тем, что при транспортировке оболочка раположена большим размером вдоль линии, соединяющей центры полуокружностей входных кромок лопастей, а выходные кромки и части наветренних сторон лопастей контактируют с оболочкой. 12. Ветродвигатель по п. 11, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одной плитой, ширина которой равна меньшему размеру поперечного сечения оболочки или толщине лопасти.