ВЕТРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к конструкциям с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра. Двигатель может быть использован для приведения в действие электрических генераторов, водяных насосов, компрессоров и т.п.

Ближайшим по технической сущности к предлагаемому является устpойство ветродвигателя с вертикальным валом, содержащее ротор и прикрепленные к нему оси, на которых установлены поворотные лопасти, соединенные с упругими элементами с возможностью поворота на 90^о.

Недостатками указанного прототипа является то, что при переходе лопастей из рабочего положения в холостое и обратно возникают ударные нагрузки на конструкцию и в результате чего возникает необходимость применять различные амортизирующие элементы, а также нет защиты конструкции от разрушения при большой силе ветра.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности, уменьшение уровня шума, защита конструкции от разрушения при большой силе ветра, получение возможности работы при малой силе ветра, увеличение КПД и мощности ветрового двигателя.

Сущность изобретения состоит в том, что в ветровом двигателе, содержащим вертикальный вал с радиально закрепленными на нем осями, к которым крепятся основные лопасти, соединенные с упругими элементами, основные лопасти установлены под углом ϕ к вертикальной плоскости с возможностью поворота на угол ϕ + 90^о в направлении, совпадающем с направлением воздушного потока, и на угол 90^о ϕ в противоположном направлении.

В предлагаемом ветровом двигателе отсутствуют ударные нагрузки, так как лопасти при поворотах на углы ϕ + 90^о и 90^о ϕ не встречают каких-либо упоров, а в рабочем положении (близком к вертикальному, т.е. при повороте на угол, близкий к ϕ) удерживаются силой упругих элементов. Эта же причина снижает уровень шума.

Защита конструкции от разрушения при большой силе ветра достигается тем, что лопасти имеют возможность дальнейшего поворота из рабочего положения до угла ϕ + +90^о.

Увеличение КПД и возможность работы двигателя при слабом ветре достигается тем, что лопасти могут быть закреплены на осях с эксцентриситетом или в своей средней части, снабжены противовесом или дополнительными параллельными осями и лопастями, работающими синхронно с основными. Последнее, кроме того, позволяет вдвое увеличить мощность двигателя.

На фиг. 1,2,7,8, 9, 11 изображены варианты выполнения ветрового двигателя; на фиг.3,4,5 виды А,Б,В на фиг.2 основной лопасти в исходном, холостом (горизонтальном) и рабочем (вертикальном) положении соответственно; на фиг.6 разрез Г-Г на фиг.2; на фиг.10 вид по стрелке Д на фиг.9 (элементы ветрового двигателя, не имеющие отношения к описанию, на чертежах условно не показаны).

Ветровой двигатель содержит вертикальный вал 1 с радиально закрепленными на нем осями 3, к которым крепятся основные лопасти 4-7 под углом ϕ к вертикальной плоскости. Каждая лопасть установлена на оси 3 шарнирно, а ее нижняя кромка соединена упругим элементом 8 с периферийным концом соседней оси в направлении, противоположном направлению воздушного потока.

Двигатель работает следующим образом.

С помощью упругого элемента основная лопасть автоматически принимает нужное положение в зависимости от направленности воздушного потока, воздействующего в данный момент на эту лопасть. При направлении ветра, указанном на фиг.1, лопасть 4, не встречая сопротивления упругого элемента 8, поворачивается под воздействием воздушного потока в положение, близкое к горизонтальному, т.е. на угол, близкий к величине 90^о ϕ, а диаметрально расположенная лопасть 6, преодолевая сопротивление упругого элемента 8, под воздействием воздушного потока поворачивается в противоположном направлении, принимая в идеале положение, близкое к вертикальному, т.е. на угол, близкий к ϕ. Разность ветровых усилий, действующих на лопасть 4, и на лопасть 6, создает крутящий момент на валу 1 вокруг оси 2. В результате лопасти меняются местами. Когда сила ветра превышает допустимую, упругий элемент 8, отрегулированный на определенную нагрузку, позволяет продолжить поворот лопасти 6 на угол, больший ϕ (до ϕ + 90^о). Причем, чем больше сила ветра, тем на больший угол повернется лопасть 6, больше уменьшаются лобовая площадь лопасти и угол атаки, что и предохраняет конструкцию от разрушения.

Ветровой двигатель (фиг.1) очень прост в эксплуатации и в изготовлении, надежен, лопасти при работе не имеют контакта с упорами конструкции, поэтому отсутствуют ударные нагрузки и нет необходимости в применении демпферных устройств, имеет защиту от разрушения при большой силе ветра, но его работа невозможна в снегопад и при обледенении из-за того, что упругий элемент 8 расположен почти горизонтально и имеет относительно большую длину и не может быть защищен от атмосферных осадков.

Этот недостаток отсутствует в варианте двигателя на фиг.2.

Вариант ветрового двигателя (фиг. 2) отличается от варианта двигателя (фиг.1) только расположением упругих элементов и более сложным креплением их к лопастям. В варианте двигателя (фиг.2) каждая лопасть снабжена рычагом 9, который размещен вблизи вала 1. Периферийный конец рычага 9 соединен упругим элементом 10 с валом 1, причем точка соединения упругого элемента 10 с валом 1 лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось 3 лопасти, а точка соединения упругого элемента 10 с рычагом 9 лежит в плоскости, проходящей через ось 3 лопасти и составляющей с плоскостью лопасти угол ( 45^о + 45^°+ ).

Работа двигателя (фиг.2) аналогична работе двигателя на фиг.1. В исходном (нерабочем) положении (фиг.3) плоскость лопасти 5 расположена под углом ϕ к вертикальной плоскости и в упругом элементе 10 возникает незначительное усилие, уравновешивающее вес лопасти 5. Под воздействием ветра (фиг.4) лопасть 4 поворачивается в холостое положение, близкое к горизонтальному до угла 90^о ϕ, не встречая сопротивления упругого элемента 10, так как при переходе рычага 9 из положения I в положение II расстояние между точками крепления упругого элемента 10 к валу 1 и рычагу 9 не увеличивается. Диаметрально противоположная лопасть 6 (фиг.5) под воздействием ветра поворачивается в рабочее положение, близкое к вертикальному, т.е. на угол, близкий к ϕ, так как усилие от воздействия ветра уравновешивается усилием упругого элемента 10, отрегулированного на определенную нагрузку. При силе ветра выше допустимой лопасть 6 поворачивается на угол более ϕ (до угла ϕ + 90^o), преодолевая возрастающее усилие упругого элемента 10, тем самым уменьшается лобовая площадь лопасти и конструкция предохраняется от разрушения.

Разность усилий от воздействия ветра на лопасть 4 и на лопасть 6 создает крутящий момент на валу 1.

Как показано на фиг.6, двигатель может быть снабжен поршневыми амортизаторами 11, соединяющими периферийные концы рычагов 9 с валом 1. Амортизаторы 11 позволяют погасить вибрацию лопастей при нахождении их в холостом (горизонтальном) положении и уменьшить инерционные силы при резком переходе лопастей из холостого положения в рабочее и обратно.

В варианте ветрового двигателя (фиг.7) каждая лопасть снабжена противовесом 12, который расположен по другую сторону оси 3 на некотором расстоянии от этой оси.

В варианте ветрового двигателя (фиг.8) место крепления каждой лопасти на осях 3 делит ее на две части большую, нижнюю и меньшую верхнюю 13, что позволяет увеличить площадь лопастей, а отсюда и мощность двигателя.

Варианты двигателей (фиг.7 и 8) позволяют приблизить центры тяжести лопастей 5-7 к их осям поворота 3 и тем самым уменьшить величины сил инерции поворота лопастей, а также уменьшить требуемое усилие ветра, необходимое для поворота лопастей в горизонтальное положение.

В варианте ветрового двигателя (фиг.9) лопасти 15 шарнирно закреплены на осях 3 с эксцентриситетом "е". При этом силы, действующие на лопасть 15 в холостом положении, показаны на фиг.10, где S сила ветра, Q вес лопасти, "а" величина смещения центра тяжести лопасти 15 при ее повороте в холостое положение.

Такое закрепление лопастей дает им возможность занимать строго горизонтальное положение даже при очень малой силе ветра и тем самым свести к минимуму сопротивление лопасти, увеличить КПД и увеличить диапазон ветровых характеристик, при которых возможна работа двигателя.

В варианте ветрового двигателя (фиг.11) он снабжен дополнительными параллельными осями 16 и лопастями 17, установленными под углом 180^о-ϕ к вертикальной плоскости, а также синхронизатором 18 их вращения в противоположных направлениях основным лопастям 4-7. При этом вес соединенных попарно через синхронизатор основной лопасти и дополнительной лопасти взаимно уравновешивается, что позволяет им в холостом положении практически беспрепятственно занимать строго горизонтальное положение даже при минимальной силе ветра, а это в свою очередь увеличивает КПД. Кроме того, при повороте лопастей в рабочее положение суммарная площадь лопастей удваивается и тем самым удваивается мощность двигателя.

Использование: в ветроэнэргетике. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит ротор 1 с прикрепленными осями 3, на которых под углом ϕ к вертикали установлены поворотные лопасти 4 7. Лопасти соединены пружинами 8 с возможностью поворота в рабочее положение на угол v + 90° при сопротивлении пружины и в холостое (горизонтальное) положение на угол 90° v в противоположном направлении, при котором пружины не оказывают сопротивление повороту лопастей. 6 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. ВЕТРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий вертикальный вал с радиально закрепленными на нем осями, к которым крепятся основные лопасти, и упругие элементы, отличающийся тем, что лопасти установлены под углом ϕ к вертикальной плоскости с возможностью поворота на угол ϕ + 90^° в направлении, совпадающем с направлением воздушного потока, и на угол 90^°-ϕ противоположном в направлении. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть установлена на оси шарнирно, а ее нижняя кромка соединена упругим элементом с периферийным концом соседней оси в направлении, противоположном направлению воздушного потока. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть снабжена рычагом, который размещен вблиза вала, периферийный конец рычага соединен упругим элементом с валом, причем точка соединения упругого элемента с валом лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось лопасти, а точка соединения упругого элемента с рычагом лежит в плоскости, проходящей через ось лопасти и составляющей с плоскостью последний угол 45^°+ϕ/2.
4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что снабжен поршневыми амортизаторами, соединяющими периферийные концы рычагов с валом. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что место крепления каждой лопасти на оси делит лопасть на две части большую нижнюю и меньшую верхнюю. 6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что лопасти шарнирно закреплены на осях с эксцентриситетом. 7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными параллельными осями и лопастями, установленными под углом 180^°-ϕ к вертикальной плоскости, а также синхронизаторами их вращения в направлениях, противоположных движению основных лопастей.