ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ Российский патент 1995 года по МПК F03D3/06 F03D7/06 

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

Известен ветродвигатель с вертикальным валом, содержащий опору и установленный на ней кольцевой ротор с вертикальными лопастями.

В этом ветродвигателе не предусмотрен механизм управления частотой вращения ротора (в части ее ограничения) аэродинамическим способом. В таких случаях необходима система механического торможения с управляемым тормозным моментом. В длительном режиме гашения избыточной мощности, вырабатываемой ротором, механический тормоз требует соответствующей системы охлаждения.

Такое техническое решение значительно усложняет ветродвигатель и снижает его надежность, так как механическая тормозная система на длительных режимах подвержена износу, изменяющему ее характеристики, а кроме того, возможен перегрев и отказ тормозной системы.

Цель изобретения повышение надежности работы и упрощение конструкции ветродвигателя.

Цель достигается тем, что известный ветродвигатель с вертикальным валом, содержащий опору и установленный на ней кольцевой ротор с вертикальными лопастями, снабжен механизмом управления, кольцевой ротор выполнен полым овального профиля по меньшей мере с одной поперечной прорезью, расположенной на его внешней поверхности, и снабжен по меньшей мере одним тормозным щитком с горизонтальным валиком, тормозной щиток размещен в полости ротора и установлен на валике с возможностью перемещения в поперечной прорези, механизм управления состоит из горизонтального вала, противовеса, установленного на последнем с возможностью поворота, и тяги, шарнирно соединенной одним концом с тормозным щитком, а другим с противовесом.

Кроме того, тормозной щиток выполнен в виде прямоугольной пластины и установлен на валике со смещением центра симметрии относительно последнего вверх и к оси ротора. Противовес расположен на горизонтальном валу со смещением центра тяжести относительно последнего вниз и от оси ротора. Против каждой поперечной прорези установлено по меньшей мере два тормозных щитка, размещенных друг над другом, а механизм управления снабжен синхронизатором, выполненным в виде дополнительной тяги, шарнирно соединенной с каждым из тормозных щитков.

В роторе ветродвигателя согласно изобретению чувствительный и одновременно исполнительный элемент тормозной щиток, его поворот под действием центробежной силы при превышении допустимой частоты вращения ротора обеспечивает уменьшение полезной мощности вследствие увеличения аэродинамического сопротивления. Размеры (площадь) тормозного щитка могут быть на порядок меньше, чем лопасти, что вместе с его относительно небольшой нагруженностью в поле центробежных сил определяют небольшую массу.

Выполнение щитка в виде прямоугольной пластины упрощает его изготовление и расположение центра тяжести выше оси поворота за счет смещения центра симметрии пластины относительно оси валика вверх и к оси ротора.

Расположение противовеса на горизонтальном валу со смещением центра тяжести относительно последнего вниз и от оси ротора обеспечивает минимальное изменение момента на горизонтальном валу при повороте тормозного щитка.

При ограничениях на размеры одного тормозного щитка требуемая сила сопротивления может быть увеличена за счет того, что против каждой поперечной прорези установлено по меньшей мере два тормозных щитка, размещенных друг над другом, а механизм управления снабжен синхронизатором, выполненным в виде дополнительной тяги, шарнирно соединенной с каждым из тормозных щитков. Дополнительная тяга синхронизирует перемещение щитков и обеспечивает возможность использования одного общего противовеса. Количество соединенных в одну систему щитков может быть увеличено.

На фиг. 1 представлен общий вид ветродвигателя; на фиг. 2 вид А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 вид В на фиг. 3.

Ветродвигатель с вертикальным валом 1 содержит опору 2 и установленный на ней кольцевой ротор 3 с вертикальными лопастями 4. Кольцевой ротор 3 соединен с вертикальным валом 1, например, посредством траверс 5. Вертикальный вал связан (не показано) с преобразователем энергии 6. Ветродвигатель снабжен механизмом управления. Кольцевой ротор 3 выполнен полым овального профиля по меньшей мере с одной поперечной прорезью 7, расположенной на его внешней поверхности, и снабжен по меньшей мере одним тормозным щитом 8 с горизонтальным валиком 9. Тормозной щиток 8 размещен в полости 10 ротора 3 и установлен на валике 9 с возможностью перемещения в поперечной прорези 7. Валик 9 установлен, например, в корпусе 11, прикрепленном к кольцевому ротору 3 в его полости 10. Механизм управления, расположенный в корпусе 11, состоит из горизонтального вала 12, противовеса 13, установленного на последнем с возможностью поворота, и тяги 14, соединенной одним концом посредством шарнира 15 с тормозным щитком 8, а другим посредством шарнира 16 с противовесом 13.

Тормозной щиток 8 выполнен в виде прямоугольной пластины и установлен на валике 9 со смещением центра симметрии относительно последнего вверх и к оси 17 ротора 3.

Противовес 13 расположен на горизонтальном валу 12 со смещением центра тяжести относительно последнего вниз и от оси 17 ротора 3.

Против каждой поперечной прорези 7 установлено по меньшей мере два тормозных щитка 8 и 18, размещенных друг над другом, а механизм управления снабжен синхронизатором, выполненным в виде дополнительной тяги 19 соединенной с каждым из тормозных щитков 8 и 18 посредством шарниров 20 и 21.

Каждый дополнительный щиток 18 снабжен своим установленным в корпусе 11 валиком 22, на котором он установлен с возможностью перемещения в поперечной прорези 7.

Ветродвигатель работает следующим образом.

При движении потока воздуха с достаточной скоростью через ротор 3 на лопастях 4 возникают аэродинамические силы, результирующая которых дает крутящий момент, передаваемый посредством траверс 5 на вал 1 и далее на преобразователь энергии 6.

Пока мощность преобразователя энергии соответствует мощности аэродинамических сил на ротора 3, частота вращения последнего ограничивается системой регулирования потребляемой (через преобразователь 6) мощности и не превышает заданной. При этом возникающая на каждом тормозном щитке 8 и 18 центробежная сила вызывает воздействие на него крутящего момента, направленного наружу, величина которого недостаточна для того, чтобы преодолеть момент от сил веса тормозных щитков 8 и 18 и противовеса 13. Тормозные щитки 8 и 18 находятся в убранном положении внутри полости 10, их сопротивление отсутствует, и создаются условия для наилучшего использования энергии воздушного потока.

В случае превышения мощности ротора 3 над возможностями ее использования потребителями частота вращения увеличивается до величины, превышающей допустимое значение. При этом центробежная сила на тормозных щитках 8 и 18 возрастает и вызываемый ею крутящий момент превышает величину описанных ранее противодействующих моментов от сил веса тормозных щитков 8 и 18 и противовеса 13. Тормозные щитки 8 и 18 начинают отклоняться наружу, выдвигаются на поперечной прорези 7, и в соответствии с их поворотом увеличивается аэродинамическая сила сопротивления, что приводит к уменьшению мощности ротора 3 до величины, соответствующей уровню потребления энергии в данный момент.

Следует отметить, что при повороте тормозных щитков 8 и 18 на валиках 9 и 22 не возникает момент вращения от аэродинамической силы, поскольку сила аэродинамического давления действует перпендикулярно поверхности тормозных щитков 8 и 18 и, следовательно, плоскости их поворота. Это облегчает точную настройку момента начала поворота тормозных щитков 8 и 18 на определенную частоту и обеспечивает независимость настройки механизма управления от плотности воздуха.

Возможность совместной установки нескольких тормозных щитков 8 и 18 с общим противовесом 13 облегчает решение задачи торможения, когда размеры одного тормозного щитка 8 недостаточны для получения необходимой силы сопротивления. Использование одного противовеса 13 для управления поворотом более, чем одного щитка упрощает конструкцию механизма управления. При необходимости тормозную мощность можно еще увеличить, выполнив на внешней поверхности ротора 3 несколько поперечных прорезей 7 и установив против них аналогичные механизмы управления с тормозными щитками 8 и 18.

Использование изобретения позволит не только предотвратить разнос ротора в аварийной ситуации, то и ограничить частоту вращения ротора при длительных режимах частичной нагрузки ветродвигателя и при слишком сильных ветрах.

Использование: ветроэнергетика. Сущность изобретения: ветродвигатель с вертикальным валом содержит опору, установленный на ней кольцевой ротор 3 с вертикальными лопастями, расположенными по обе стороны ротора 3, и механизм управления. Кольцевой ротор 3, соединенный с валом вертикальным валом траверсами, выполнен полым, овального профиля с проперечными прорезями 7, расположенными на его внешней поверхности, и снабжен тормозными щитками 8 с горизонтальными валиками 9. Каждый тормозной щиток 8 размещен в полости 10 ротора 3 и установлен на валике 9 с возможностью его перемещения в соответствующей поперечной прорези 7. Механизм управления состоит из горизонтального вала 12, противовеса 13 и тяги 14, соединенной шарнирами 15 и 16 соответственно с тормозным щитком 8 и с противовесом 13. Предусмотрена установка нескольких тормозных щитков 8 и 18 с общим противовесом 13. 3 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ, содержащий опору и установленный на ней кольцевой ротор с вертикальными лопастями, отличающийся тем, что ветродвигатель снабжен механизмом управления, кольцевой ротор выполнен полым овального профиля по меньшей мере с одной поперечной прорезью, расположенной на его внешней поверхности, и снабжен по меньшей мере одним тормозным щитком с горизонтальным валиком, тормозной щиток размещен в полости ротора и установлен на валике с возможностью перемещения в поперечной прорези, механизм управления состоит из горизонтального вала, противовеса, установленного на последнем с возможностью поворота, и тяги, шарнирно соединенной одним концом с тормозным щитком, а другим с противовесом. 2. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что тормозной щиток выполнен в виде прямоугольной пластины и установлен на валике со смещением центра симметрии относительно последнего вверх и к оси ротора. 3. Ветродвигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что противовес расположен на горизонтальном валу со смещением центра тяжести относительно последнего вниз и от оси ротора. 4. Ветродвигатель по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что против каждой поперечной прорези установлены по меньшей мере два тормозных щитка, размещенных друг над другом, а механизм управления снабжен синхронизатором, выполненным в виде дополнительной тяги, шарнирно соединенной с каждым из тормозных щитков.