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

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в стационарных и транспортных ветроустановках различного назначения и мощности.

Известен ветродвигатель [1] содержащий ветроколесо со ступицей и закрепленными в ней поворотными наклонными лопастями с цапфами, соединенными с валиками, снабженными коническими зубчатыми колесами, кинематически связанные с центральной шестерней, чеpвячной передачи и других зубчатых колес, соединенных с устройством отбора мощности, и флюгер с мачтой.

Недостатками этого ветродвигателя являются: низкий КПД, сложность и большая трудоемкость изготовления, большая масса.

Наиболее близким предлагаемому решению является базовый ветродвигатель [2] выбранный за прототип, содержащий ветроколесо с криволинейными лопастями, установленными на вертикальном валу с верхним подшипниковым фланцем, закрепленным на опоре, расположенной на основании, и экранирующие лопасти, поворотные щиты.

Недостатки базового ветродвигателя следующие:
низкий КПД, так как ветроколесо с криволинейными лопастями имеет большое сопротивление вращению против встречного воздушного потока, почти равное силе вращения; большая масса, так как регулировка частоты вращения достигается при помощи дополнительных четырех стоек и поворотных щитов, на изготовление которых расходуется в два раза больше металла, чем на само ветроколесо с лопастями; отсутствие механизма надежной регулировки числа оборотов, так как даже слабый ветер может полностью перекрыть путь ветроколеса к лопастям, и ветродвигатель остановится;
отсутствует механизм возврата щитов в первоначальное положение;
увеличение ветровой нагрузки на конструкцию ветродвигателя при буревых ветрах, так как щиты смыкаются, и площадь поперечного сечения конструкции противостоящей ветру увеличивается;
низкая единичная мощность.

Цель изобретения повышение надежности и экономичности в эксплуатации ветродвигателя путем автоматического изменения угла наклона лопасти к направлению ветра, что позволяет автоматически регулировать обороты ветродвигателя при бурях и усилении силы ветра; повышение КПД ветродвигателя путем уменьшения сопротивления при движении лопасти встречному потоку воздуха практически до нуля, так как лопасти самоустанавливаются параллельно направлению ветра, уменьшение массы и габаритов на единицу мощности, увеличение способов управления работой ветродвигателя: автоматический, дистанционный с пульта управления, ручной; уменьшение ветровой нагрузки при бурях и усилении ветра, так как лопасти устанавливаются параллельно ветру ветродвигатель останавливается, а площадь сопротивления ветровой нагрузке уменьшается; высокая единичная мощность.

Цель достигается тем, что ветродвигатель снабжен прямоугольными лопастями, один из углов которых в нижней части прилегающей к мачте, вырезан, лопасти верхней кромкой соединены шарнирами с радиальными поперечинами верхнего ветроколеса, а нижней кромкой опирается под углом на основание нижнего ветроколеса.

В конструкции ветродвигателя предусмотрено несколько способов управления работой ветродвигателя автоматический, дистанционный, ручной.

Автоматическое управление ветродвигателем и регулировка числа оборотов при усилении ветра осуществляются применением центробежного регулятора, в котором при увеличении числа оборотов противовесы под действием центробежных сил расходятся в стороны и через шарниры и тяги действуют на кольца управления, соединенные между собой продольными штангами, воздействуют на лопасти, поднимают их вверх, уменьшая этим угол встречному потоку воздуха, следовательно, площадь лопасти и обороты уменьшаются, при буревых ветрах лопасти поднимаются параллельно ветроколесу, и ветродвигатель останавливается, а верхнее положение лопастей фиксируется защелкой.

Для дистанционного управления ветродвигателем выполнен механизм дистанционного управления, который при включении оператором воздействует на внутренний стакан и перемещает его вверх, поднимает тяги противовесов и кольца управления, соединенные штангами, воздействуют на лопасти и поднимают их вверх, уменьшая угол встречному потоку воздуха, а следовательно, площадь лопасти, и обороты уменьшаются.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в предлагаемом ветродвигателе лопасти ветроколеса выполнены прямоугольными с одним вырезанным углом в нижней части, прилегающей к мачте, причем верхние кромки лопастей шарнирами соединены с радиальными поперечинами верхнего ветроколеса, а нижней кромкой под расчетным углом опираются на основание нижнего ветроколеса.

Кроме того, ветродвигатель снабжен универсальной системой управления, позволяющей эксплуатацию его в трех режимах: автоматическом, дистанционном с пульта управления оператором и ручном, причем, при всех системах управления исполнительным механизмом, регулирующим число оборотов ветродвигателя при увеличении скорости ветра, остановка в бурю производится одним этим механизмом, воздействующим одновременно на все лопасти. Это управляющие кольца, установленные с возможностью перемещения вдоль мачты, соединенные между собой штангами, расположенные в каждом ветроколесе в угловом вырезе каждой лопасти.

При автоматическом режиме управления для этой цели применен центробежный регулятор, который при увеличении числа оборотов свыше расчетной величины через шарниры и тяги взаимодействует с механизмом регулировки числа оборотов, перемещает его вверх по мачте и одновременно с ним поднимаются лопасти, уменьшая этим полезную площадь действия силы ветрового потока на лопасти, в результате уменьшается момент вращения, а следовательно, падают обороты ветродвигателя, а при буревых ветрах механизм регулировки числа оборотов поднимает лопасти параллельно ветроколесу, момент вращения уменьшается до нуля, ветродвигатель останавливается, а лопасти в верхнем положении фиксируются защелкой.

При дистанционном режиме управления оператором воздействие на механизм регулировки числа оборотов и перемещение его вверх-вниз по мачте осуществляется включением электродвигателя, который вращает пару шестерен и стакан с внутренней резьбой, взаимодействующий с наружной резьбой внутреннего стакана, в результате чего последний перемещается вдоль цапфы по направляющим вверх, и обороты уменьшаются, вниз увеличиваются. При ручном управлении перемещение механизма регулировки числа оборотов осуществляется вращением этих же шестерен и стаканов, но при помощи рукоятки.

Как видно из изложенного выше, конструкция ветродвигателя, принятого за прототип, обладает меньшим КПД по сравнению с предлагаемым.

На фиг.1 изображен ветродвигатель, разрез А-А на фиг.2; на фиг.2 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг.3 ветроколесо, вид спереди; на фиг.4 ветродвигатель повышенной мощности.

Ветродвигатель содержит ветроколеса 1 с прямоугольными лопастями 2 закрепленными в верхней части на шарнирах 3 к радикальным спицам 4 жестко закрепленным одним концом к трубчатому валу 5, а другим к трубчатому ободу 6. На верхней части мачты устанавливается подшипниковый узел 9 с крестовиной 10, к концам которой жестко закреплены растяжки 11, нижняя часть вала 5 установлена в упорных и радиальных подшипниках, а между подшипниками устанавливается шестерня, которая находится в зацеплении с шестернями редуктоpа 12, выходной вал редуктора соединен с устройством отбора мощности 13, которое может быть генератором, насосом и т.д. Ветродвигатель также содержит устройство автоматической регулировки 14 числа оборотов и автоматического выключения его в бурю, дополнительно имеется механизм дистанционного управления 15, включаемый с пульта оператором при помощи электромагнита 16, включающего муфту отбора мощности от редуктора или электродвигателя 17. Для автоматической регулировки числа оборотов выполнен центробежный регулятор 18, который состоит из противовесов 19, шарниров 20, тяг 21, соединенных с кольцами 22, жестко соединенными с внутренним кольцом 23, которое при помощи штанг 24 соединено своими кольцами управления 25, расположенными в последующих ветроколесах, защелки 26.

Механизм дистанционного управления 15 состоит из трубчатого кольца 27, установленного на подшипниках 28 внутреннего стакана 29 с наружной резьбой и направляющих 30, служащих для направленного линейного движения вдоль пазов неподвижной цапфы 37, наружного стакана 31 с внутренней резьбой, установленного на упорном подшипнике 32 и радиальном 33, в нижней части на нем жестко установлена шестерня 34, которая находится в зацеплении с шестерней 35 жестко закрепленной с валом электродвигателя 17, с другой стороны шестерни 35 установлен вал 36, который при помощи скользящей муфты (не показано), управляемой электромагнитом 16, получает момент вращения от шестерни редуктора для изменения угла установки лопастей 2.

Ветродвигатель работает следующим образом.

При появлении ветра достаточной скорости вращаются ветроколеса 1 с прямоугольными лопастями 2, закрепленными в верхней части на шарнирах 3 к радиальным спицам 4 жестко закрепленными одним концом к валу 5, а другим к трубчатому ободу 6, причем лопасти одной половины ветроколеса, расположенные под острым углом к направлению ветра, прижимаются нижней кромкой к конструкции нижнего ветроколеса (фиг.2 и 3), воспринимают энергию ветра и поворачивают лопасти 2 в направлении ветра вокруг оси мачты, а лопасти 2 с подветренной стороны откинуты давлением ветра назад и располагаются параллельно поверхности ветроколеса, создавая минимальное сопротивление потоку ветра, т.е. начинается вращение ветроколеса 1 и жестко соединенного с ним вала 5, на конце которой установлена шестерня редуктора 12, от которого вращение передается устройству отбора мощности 13. Верхняя часть вала 5 оканчивается подшипниковым узлом 9 и крестовиной 10, которая жестко при помощи растяжек 11 закреплена к якорям, которые воспринимают реакцию силы ветра. При большой мощности ветродвигателя и большой высоте вала 5 устанавливают дополнительные крестовины 10 в средней ее части. Для уменьшения шума лопасти 2 изготавливаются из специального пластика или на концах их устанавливаются амортизаторы.

Устройство автоматической регулировки 14 числа оборотов работает следующим образом.

При усилении ветра увеличивается число оборотов ветродвигателя, следовательно, и противовесы 19 вращаются с большим числом оборотов, поэтому под действием центробежных сил противовесы 19 расходятся в стороны и стремятся принять горизонтальное положение, а тяги 21 поднимают вверх кольцо 22, жестко соединенное с кольцом 23 исполнительного механизма регулировки числа оборотов, которое штангами 24 соединено со всеми кольцами управления 25, установленными с возможностью перемещения вдоль вала 5, расположенными в угловых вырезах каждой лопасти каждого ветроколеса, поэтому кольца управления 25 приподнимаются и поднимают лопасти 2, уменьшается полезная площадь действия сил ветрового потока на лопасти, следовательно, уменьшается момент вращения и обороты ветродвигателя уменьшаются, а при буревых ветрах механизм регулировки числа оборотов устанавливает лопасти параллельно ветроколесу, вращение уменьшается до нуля и ветродвигатель останавливается, а лопасти в верхнем положении фиксируются защелкой 26.

Механизм дистанционного управления 15 работает следующим образом.

При усилении ветра оператор пульта (не показано) включает электромагнит 16 или электродвигатель 17, который передает вращение на шестерни 35 и 34, которые вращают стакан 31 с внутренней резьбой, взаимодействующий с внутренним стаканом 29, который направляющими 30 соединен с продольными пазами неподвижной цапфы 37, стакан 29 вывинчивается по резьбе стакана 29 и поднимается вверх, поднимая кольцо 27, последнее поднимает тяги 21, кольцо 22, жестко соединенное с кольцом исполнительного механизма регулировки числа оборотов, и далее регулировка происходит аналогично автоматической регулировке.

Механизм ручного управления ветродвигателя осуществляется путем передачи вращения на шестерни 35 и 34, стаканы 31 и 29 аналогично механизму дистанционного управления, но при помощи рукоятки мускульной силой (не показано).

На фиг.4 изображен ветродвигатель повышенной мощности, аналогичный ветродвигателю изображенному на фиг.1, у которого с целью уменьшения ударных нагрузок лопастей 2 на колеса 7 и 8, возникающих при работе ветродвигателя, конструкция лопастей 2 выполнена горизонтально с осью 43, расположенной горизонтально выше средней линии лопасти 2, концы осей 44 устанавливаются в подшипники 45, прикрепленные к стойкам 46 и мачте 5.

Ветродвигатель (фиг. 4), снабженный лопастями 2 с осью, расположенной выше центра, работает следующим образом.

При отсутствии ветра все лопасти 2 под действием силы тяжести части лопасти, расположенной ниже средней части, ложатся под некоторым углом на колеса 7 и 8. При появлении ветра лопасти, расположенные под углом больше 90^о по направлению ветра, прижимаются к основанию колес 7 и 8, а лопасти с углом меньше 90^о силой ветра поднимаются и устанавливаются параллельно ветру, создается момент вращения, и ветродвигатель вращается, при повороте колеса 8 ветродвигателя около 180^о лопасти 2 плавно опускаются на основания колес 7 и 8, так как сила ветрового потока, воздействуя на верхнюю и нижнюю части лопасти, пропорциональна площади этих частей лопасти, следовательно, и нагрузка на колеса 7 и 8 и нижнюю кромку лопасти уменьшается.

Преимуществом ветродвигателя (фиг. 4) является то, что автоматический цетробежный регулятор соединен с механизмом регулировки числа оборотов 42, включающим электродвигатель 17, который вращает вал 42₁ и перемещает стакан 29, воздействует на кольцо 27, тяги 21, кольца 22 и 23, штанги 24 и кольца управления 25 лопастями, которые поворачиваются вокруг своей оси 44 в подшипниках 46 в зависимости от силы ветра и регулируют число оборотов ветродвигателя, причем путь перемещения колец управления 25 по вертикали уменьшается почти в два раза, а усилие перемещения уменьшается.

Устройство автоматической регулировки числа оборотов (фиг.4) работает следующим образом.

При усилении ветра увеличиваются число оборотов ветродвигателя и устройства отбора мощности 13 и вала 38, поэтому под действием центробежных сил противовесы 19 расходятся в стороны и стремятся занять горизонтальное положение, следовательно тяги 40 и 41 через шарнир 39 перемещают вверх механизм регулировки числа оборотов 42, который включает электродвигатель 17, вал 42₁ вращается в отверстии 43 с резьбой фланца стакана 29 и перемещает его вверх, через подшипник 28, кольцо 27, тягу 21, кольца 22 и 23, штанги 24 и кольца управления 25 поднимают лопасти 2, поэтому площадь их воздействию силы ветра уменьшается, следовательно, и уменьшаются обороты ветродвигателя, а при бурьевых ветрах лопасти устанавливают параллельно ветроколесу, вращение уменьшается до нуля и ветродвигатель останавливается, лопасти в верхнем положении фиксируются защелкой 26.

В рабочее положение ветродвигатель устанавливается следующим образом: защелка 26 дистанционно электромагнитом или вручную выключается, электродвигатель 17 реверсируется и лопасти возвращаются в рабочее положение.

Использование: в стационарных и транспортных ветроустановках. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит вертикальный трубчатый вал 5, верхний конец которого размещен в подшипнике крестовины 9, а нижний кинематически соединен с генератором электрического тока 13, поярусно расположенные трубчатые концентричные обода 6 с радиальными спицами 4, концы которых закреплены на валу 5 и периферийных ободах 6, лопасти 2, кольца 25, охватывающие вал 5, тяги 21, защелки 26 и механизм 14 автоматического регулирования угла поворота лопастей 2. Каждая лопасть 2 выполнена плоской прямоугольной формы со срезанным нижним углом у кромки, обращенной к валу 5. Лопасти 2 установлены шарнирно на спицах 4 с образованием зазора между валом 5 и срезанной кромкой. В зазорах размещены кольца 25, соединенные тягами 21 с механизмом 14 регулирования угла поворота лопастей 2. В вертродвигателе предусмотрено шарнирное закрепление лопастей 2 верхней кромкой или на осях, установленных выше средней линии каждой лопасти, при этом периферийные ободы 6 соединены вертикальными трубчатыми стойками. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий лопасти и вертикальный трубчатый вал, верхний конец которого размещен в подшипнике крестовины, а нижний кинематически соединен с генератором электрического тока, отличающийся тем, что ветродвигатель снабжен расположенными поярусно трубчатыми концентричными ободами и радиальными спицами с концами, закрепленными на валу и периферийных ободах, кольцами, охватывающими вал, тягами, защелками и механизмом регулирования угла поворота лопастей, при этом каждая лопасть выполнена плоской прямоугольной формы со срезанным нижним углом у кромки, обращенной к валу, и установлена шарнирно на спицах с образованием зазора между валом и срезанной кромкой, в зазорах размещены кольца, соединенные тягами с механизмом регулирования угла поворота лопастей, причем последние установлены под углом к плоскости концентричных ободов нижнего яруса. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что лопасти закреплены на спицах верхней кромкой. 3. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вертикальными трубчатыми стойками, соединяющими периферийные ободы, и радиальными осями, концы которых размещены в подшипниках, установленных на валу и вертикальных стойках, при этом лопасти закреплены шарнирно на осях, установленных выше средней линии каждой лопасти.