ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03D3/00 F03D7/06 

Изобретение относится к ветродвигателям с вертикальной осью вращения и может использоваться для привода различных механизмов, предпочтительно электрогенераторов.

Известные лопастные ветродвигатели карусельного типа с вертикальной осью вращения с программным диском поворота лопастей [1] с зубчато-ременным или зубчато-цепным механизмом, а также зубчато-карданным механизмом поворота лопастей для оптимизации углов их атаки [2] сложны конструктивно, недостаточно надежны при длительной работе и не обеспечивают достаточно полное использование энергии ветрового потока в силу значительных дестабилизирующих силовых нагрузок в механизмах поворота лопастей, препятствующих их оптимальной регулировке на оптимальный угол атаки.

Наиболее близким по технической сущности является ветродвигатель, содержащий опору, вал отбора мощности с верхней и нижней траверсами в виде радиальных спиц, через которые пропущены поворотные оси, имеющие лопасти и ведомые шестерни, связанные ременной передачей с центральными шестерными, посаженными на втулку, связанную с флюгером [3]
Однако, ввиду наличия зубчато-ременной передачи и значительных нагрузок веса на втулку центральных шестерен ветродвигатель имеет недостаточную надежность и значительные потери мощности из-за невозможности точной регулировки угла атаки лопастей на оптимальное значение. Неоптимальное число лопастей и выполнение траверс в виде радиальных спиц приводят к дополнительным потерями мощности. Конструкция весьма усложнена и металлоемка.

Цель изобретения повышение надежности работы и снижение потери мощности при одновременном упрощении конструкции ветродвигателя.

Цель достигается за счет того, что ветродвигатель, содержащий опору, установленный на опоре вертикальный вал отбора мощности с центральной шестерней, соединенные с валом верхнюю и нижнюю траверсы, шарнирно установленные в траверсах вертикальные оси с закрепленными на них лопастями и ведомыми шестернями, кинематически связанными с центральной шестерней, и флюгер, снабжен дополнительной осью и промежуточными шестернями, вал отбора мощности выполнен полым, опора в виде вертикальной стойки, на наружной поверхности которой посредством подшипников установлен вал отбора мощности, на верхней траверсе закреплены неподвижные оси с установленными на них промежуточными шестернями, каждая из которых находится в зацеплении с центральной шестерней и соответствующей ведомой шестерней, при этом один конец дополнительной оси скреплен с центральной шестерней и флюгером, а другой конец посредством подшипников установлен в опоре, все шестерни размещены в одной горизонтальной плоскости над верхней траверсой.

Отношение числа зубьев центральной, промежуточной и ведомой шестерни равно соответственно 1:5:2; число зубьев центральной шестерни кратно трем; смежные вертикальные оси размещены на траверсах под углом 120^о друг к другу на одинаковом расстоянии от центра вала; каждая траверса выполнена в виде диска; ветродвигатель оснащен кожухом, установленным с зазором относительно дополнительной оси и скрепленным по периферии с верхней траверсой; вертикальная стойка выполнена в виде трубы; вал отбора мощности выполнен в виде трубы; к валу отбора мощности подсоединен синхронный электрогенератор, закрепленный на опоре.

На фиг. 1 изображен ветродвигатель (вид сбоку); на фиг. 2 то же, вид сверху.

Ветродвигатель содержит опору 1 в виде вертикальной трубчатой стойки, на наружной поверхности которой посредством опорных подшипников качения 2 и 3 установлен вертикальный вал отбора мощности 4, выполненный полым, предпочтительно в виде трубы. На валу 4 укреплены верхняя 5 и нижняя 6 траверсы, каждая из которых выполнена в виде диска, охватывающего вал. Через установленные в траверсах 5 и 6 подшипники качения 7 и 8 пропущены поворотные оси 9, смежные из которых размещены под углом 120^о друг к другу по окружности одного диаметра. На каждой из трех осей 9 симметрично укреплена лопасть 10 прямоугольной формы и ведомая шестерня 11. Верхняя траверса 5 оснащена тремя осями вращения 12 с установленными на них с возможностью свободного вращения промежуточными шестернями 13, каждая из которых находится в зацеплении с центральной шестерней 14 и соответствующей ведомой шестерней 11. Центральная шестерня 14 укреплена на дополнительной поворотной вертикальной оси 15, на одном конце которой со стороны шестерни укреплен флюгер 16, а другой конец дополнительной оси посредством подшипников качения 17 и 18 установлен в верхней части трубчатой опоры 1 так, что ось вместе с шестерней могут свободно вращаться вокруг вертикальной сои даже при весьма незначительных усилиях, возникающих на флюгере при смене направления ветра (на чертеже условно показано стрелками). Все упомянутые шестерни 11, 13 и 14 размещены в одной горизонтальной плоскости над верхней траверсой 5. Отношение число зубьев центральной, промежуточной и ведомой шестерен между собой равно соответственно 1: 5: 2, причем число зубьев центральной, а следовательно, и всех остальных шестерен кратно трем. При этом центральная шестерня 15 является управляющей по отношению к ведомым шестерням 11 и, поворачиваясь вокруг своей оси под воздействием самоустанавливающегося по ветру флюгера, через промежуточные шестерни 13 поворачивает на соответствующий угол и ведомые шестерни 11, а вместе с последними и лопасти 10, устанавливая их на наиболее оптимальный угол атаки по отношению к вектору скорости ветрового потока. Диаметр шестерни 14 выбран предельно минимальным, что при указанном соотношении числа зубьев шестерен обеспечивает высокую чувствительность всего шестеренчатого механизма к силовым воздействиям со стороны флюгера. Отсутствие весовых нагрузок на вращающиеся шестерни 11, 13 и 14 также способствует повышению чувствительности к силовым воздействиям со стороны флюгера. Кроме того, указанное соотношение зубчатых шестерен позволяет наиболее полно использовать габариты ветродвигателя для увеличения площади лопастей. Все это позволяет оптимизировать работу и наиболее полно использовать энергию потока ветра. Для исключения снижения КПД шестеренчатого механизма при его длительной работе в условиях дестабилизирующих воздействий внешних осадков, песчаных бурь и т.д. шестерни сверху закрыты кожухом 19 с осевым отверстием, через которое пропущена дополнительная вертикальная поворотная ось 15, а по периферии кожух скреплен с поверхностью верхней траверсы 5, обеспечивая требуемое уплотнение от проникновения осадков и песка в зубчатое зацепление шестерен, а также в подшипники. Диаметр траверс 5 и 6 предпочтительно равен диаметру окружности, описываемой внешними ребрами лопастей при их вращательном движении вокруг вала 4, что также повышает коэффициент использования ветровой энергии за счет снижения потерь давления на лопастях на перетекание среды в зоны пониженного давления. Вся весовая нагрузка с подвижных частей ветродвигателя передается на нижнюю часть трубчатой стойки опоры 1, поэтому последняя, как и вал отбора мощности 4, имеют минимальный вес и весьма простую конструкцию (в виде стандартных труб), сто снижает металлоемкость и стоимость ветродвигателя.

На нижней части вала отбора мощности 4 укреплен шкив 20, который посредством клиноременной передачи 21 соединен со шкивом 22, укрепленным на валу синхронного электрогенератора 23, установленного на опоре. Через пульт управления 24 электрогенератор может быть подключен к общей электросети. Проведенные эксперименты показали, что работа предлагаемого ветровдвигателя в паре именно синхронного электрогенератора (380/220 В) обеспечивает постоянство числа оборотов ветровдвигателя в диапазоне скоростей ветра равным 3-30 м/с, что обеспечивает простоту его включения в общую электросеть без дополнительных систем регулировки.

В процессе работы под воздействием ветра лопасти 10 передают вращающий момент через траверсы 5 и 6 на вал отбора мощности 4, а с последнего через шкив 20 и ремень 21 на шкив 22 электрогенератора 23. В зависимости от направления ветра флюгер 16 самоустанавливается по ветру и через дополнительную ось 15 поворачивает центральную шестерню 14, а весте с ней через шестерни 11 и 13 поворачивает на определенный угол и лопасти 10, всегда устанавливая их при этом в наиболее оптимальное по отношению к направлению ветра положение, при котором обеспечивается максимальное использование энергии ветра. При неизменности направления ветра флюгер удерживает шестерню 14, следовательно, и лопасти 10 в неизменном положении. Шестерни 11 и 13 свободно обкатывают шестерню 14, автоматически изменяя текущее значение угла атаки лопастей в зависимости от их положения при движении вокруг вертикальной стойки 1, обеспечивая максимальное использование энергии ветрового потока, что подтверждено экспериментальными исследованиями ветродвигателя. Разгрузка центральной шестерни 14 от лишних весовых нагрузок способствует более точной установке ее вместе с флюгером вдоль направления ветра и в сочетании с жесткой передачей через промежуточные шестерни 13 обеспечивает (по сравнению с ременными и цепными передачами) точную регулировку положения лопастей 10 при их окружном движении с установкой их на наивыгоднейший угол атаки по отношению к вектору скорости обдувающего их ветрового потока.

Ветродвигатель может работать и на другие типа потребителей мощности, однако, наиболее оптимальна его работа с синхронным электрогенератором, обеспечивающим надежную работу как на индивидуального потребителя, так и на общую электросеть.

Экспериментальные исследования показали, что данный ветродвигатель имеет максимальный момент вращения при трех лопастях, расположенных под углом 120^о друг к другу по диаметру одной окружности. Если момент вращения, создаваемый одной установленной поперек ветра лопастью, принять за единицу, то для трехлопастного ветродвигателя этот момент возрастает в 1,73 раза, тогда как для 4-лопастного лишь в 1,4 а для 6-лопастного всего лишь в 1,2 раза. При этом выполнение опоры в виде вертикальной трубчатой стойки значительно упрощает монтаж и эксплуатацию ветродвигателя. Кратность числа зубьев шестерен трем также повышает точность регулировки угла установки лопастей, следовательно, повышает коэффициент использования энергии ветра.

Сравнительные испытания ветродвигателя с зубчато-ременной и цепной передачей, а также предлагаемого ветродвигателя, подтвердили более высокую надежность и мощность предлагаемого ветродвигателя при прочих равных условиях их испытаний и габаритных размерах, что подтверждает более высокую эффективность конструкции предлагаемого ветродвигателя.

Использование: ветроэнергетика, в частности в ветродвигателях с вертикальной осью вращения. Сущность изобретения: двигатель с вертикальным валом отбора мощности снабжен дополнительной осью с центральной шестерней и промежуточными шестернями, кинематически связанными с центральной шестерней. Вал отбора мощности выполнен полым, опора в виде вертикальной стойки, на наружной поверхности которой посредством подшипников установлен вал отбора мощности. На верхней траверсе закреплены неподвижные оси с установленными на них промежуточными шестернями, каждая из которых находится в зацеплении с центральной шестерней и соответствующей ведомой шестерней. Один конец дополнительной оси скреплен с центральной шестерней и флюгером, а другой посредством подшипников установлен в опоре. Предложенная конструкция позволит снизить потери мощности и повысить надежность. 8 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий опору, установленный на опоре вертикальный вал отбора мощности с центральной шестерней, соединенные с валом верхнюю и нижнюю траверсы, шарнирно установленные в траверсах вертикальные оси с закрепленными на них лопастями и ведомыми шестернями, кинематически связанными с центральной шестерней, и флюгер, отличающийся тем, что ветродвигатель снабжен дополнительной осью и промежуточными шестернями, вал отбора мощности выполнен полым, опора в виде вертикальной стойки, на наружной поверхности которой посредством подшипников установлен вал отбора мощности, на верхней траверсе закреплены неподвижные оси с установленными на них промежуточными шестернями, каждая из которых находится в зацеплении с центральной шестерней и соответствующей ведомой шестерней, при этом один конец дополнительной оси скреплен с центральной шестерней и флюгером, а другой конец посредством подшипников установлен в опоре, все шестерни размещены в одной горизонтальной плоскости над верхней траверсой. 2. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что отношение числа зубьев центральной, промежуточной и ведомой шестерен равно соответственно 1:5:2. 3. Ветродвигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что число зубьев центральной шестерни кратно трем. 4. Ветродвигатель по пп. 1-3, отличающийся тем, что смежные вертикальные оси размещены на траверсах под углом 120^o друг к другу на одинаковом расстоянии от центра вала. 5. Ветродвигатель по пп. 1-4, отличающийся тем, что каждая траверса выполнена в виде диска. 6. Ветродвигатель по п. 5, отличающийся тем, что он оснащен кожухом, установленным с зазором относительно дополнительной оси и скрепленным по периферии с верхней траверсой. 7. Ветродвигатель по пп. 1-6, отличающийся тем, что вертикальная стойка выполнена в виде трубы. 8. Ветродвигатель по пп. 1-7, отличающийся тем, что вал отбора мощности выполнен в виде трубы. 9. Ветродвигатель по пп. 1-8, отличающийся тем, что к валу отбора мощности подсоединен синхронный электрогенератор, закрепленный на опоре.