ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИМИСЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ Российский патент 1996 года по МПК F03D3/00 

Предлагаемое изобретение по международной классификации изобретения относится к классу F 03 3/00 ветряные двигатели с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра.

Изобретение относится к области ветроагрегатов для преобразования энергии ветра в механическую энергию (крутящий момент). Преимущественная область использования: ветряные электростанции, также возможно использование в транспортных средствах (наземный и надводный) и других машинах, для работы которых необходим крутящий момент.

В мире существуют ветродвигатели с осью вращения ротора, совпадающей с направлением ветра и с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра, так называемые ортогональные установки. Ветродвигатели первого типа имеют достаточное распространение с древнейших времен (ветряные мельницы). В наше время появились ветродвигатели второго типа с вертикальной осью вращения.

Известен ветродвигатель, содержащий ротор с вертикальной осью вращения с независимыми аэродинамическими поверхностями, установленными по окружности ротора. Ветродвигатель данного типа вырабатывает энергию при достаточно сильном ветре (более 5 м/с) и имеет достаточно большую скорость вращения ротора, т. к. скорость движения крыла должна быть больше скорости ветра. Высокая скорость вращения ротора, имеющего большие размеры и массу, приводит к увеличению центробежных сил, возникновению нежелательных вибраций. Для устранения указанных явлений необходимо усложнять и упрочнять конструкцию, появляется необходимость более частого технического обслуживания, уменьшается ресурс ветродвигателя. Кроме того, для запуска ветродвигателя данного типа при увеличении силы ветра до необходимого уровня нужно принудительно раскрутить ротор с приложением внешней энергии. Это требует создания дополнительной системы для выполнения данной операции.

Все вышесказанное приводит к усложнению и удорожанию ветродвигателя, увеличению массы, усложняет транспортировку элементов и их монтаж, к необходимости использования внешней энергии для запуска и системы, следящей за ветром, более частого технического обслуживания и снижению автономности ветродвигателя.

Целью данного изобретения является создание ветродвигателя, работоспособного при любой скорости ветра и начинающего вырабатывать энергию при возникновении ветра без принудительной раскрутки, возможностью регулирования частоты вращения ротора и вырабатываемой мощности, с хорошими эксплуатационными характеристиками.

Сущностью данного изобретения является самоориентирующиеся относительно ветра аэродинамические поверхности с продольной осью вращения и с управляемым хвостовым оперением приводящего во вращение ротор ветродвигателя с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра, т. е. крыло и оперение представляют собой классическую схему аэродинамический устойчивого самолета с хвостовым оперением без вертикального оперения и фюзеляжа, установленного вертикально по продольной оси крыла.

Ветродвигатель состоит из следующих основных узлов (фиг. 1): аэродинамическая поверхность 1 (в дальнейшем крыло), состоящая из двух половин с продольной свободной осью вращения, параллельной оси вращения ротора ветродвигателя с хвостовыми балками 3; узла крепления крыла 4 с механизмом управления хвостовым оперением крыла. Крылья с помощью узлов крепления 4 закреплены на роторе ветродвигателя по окружности с диаметром D со свободной осью вращения. Ось вращения крыла находится впереди фокуса крыла и оперения с необходимым запасом аэродинамической устойчивости (т. е. ось вращения крыла представляет центр тяжести самолета). Расположение крыльев по окружности должно быть симметричным относительно центра ротора и количество более одной. Верхние и нижние части крыла жестко связаны между собой с помощью вала 4а (фиг. 2). Узел крепления крыла состоит из полой оси вращения крыла 4б и опор вращения крыла. Ось вращения жестко крепится на роторе ветродвигателя, а внутри нее проходит вал 4а. Механизм управления хвостовым оперением (фиг. 2) состоит из следующих основных узлов: эксцентрик 5, ведомое кольцо 6, которое охватывает эксцентрик 5 и вращается вокруг нее на колесах 7 и через тягу 8 воздействует на хвостовое оперение. На фиг. 2 также изображены: вал 4а, связывающий нижнюю и верхнюю половинки крыла, ось вращения крыла 4б, крыло 1, хвостовая балка 3 и хвостовое оперение 2. Эксцентрик жестко связан осью вращения крыла с эксцентриситетом, которая при вращении ротора ветродвигателя не изменяется.

Принцип работы ветродвигателя состоит в следующем: при возникновении ветра все крылья благодаря хвостовому оперению автоматически ориентируются против ветра. Крыло, находящееся в положении (по фиг. 1 и 3) становится в положение, изображенное на фиг. 2. Эксцентрик из-за эксцентриситета ε через ведомое кольцо и тягу 8 повернет хвостовое оперение 2 на угол d относительно хорды крыла. В результате крыло установится относительно ветра с углом атаки g, благодаря чему возникнет поперечная аэродинамическая сила У_I (фиг. 3), приводящая во вращение ротор ветродвигателя. Когда крыло дойдет до положения II, ось вращения крыла с эксцентриком 5 повернется на угол 90^o, а крыло остается ориентированным против ветра с нулевым углом атаки, т. к. ведомое кольцо 6 повернется вокруг эксцентрика на 90^o, эксцентриситет e ведомого кольца относительно оси вращения становится равным нулю, в результате угол поворота оперения d и угол атаки крыла g равняются нулю. Поперечной аэродинамической силы не возникает, есть только минимальная сила аэродинамического сопротивления Х_II в сторону вращения. По мере движения крыла к положению III эксцентриситет e увеличивается в отрицательную сторону относительно положения I, т. е. крыло поворачивается на отрицательный угол атаки g. Возникает поперечная сила У_III, направленная в сторону вращения, т. е. крыло находится за осью вращения ротора. Положение IV соответствует положению II, но при этом аэродинамическое сопротивление ХIV создает отрицательный вращающий момент. В положениях II и IV силы друг друга уравновешивают, а в положениях I и III пара сил создает положительный крутящий момент. На опоры ветродвигателя действуют только силы аэродинамического сопротивления и крутящий момент.

Таким образом, ветродвигатель постоянно вращается в одном направлении и вырабатывает механическую энергию. При изменении направления ветра крылья автоматически ориентируются против ветра и вращаются в ту же сторону. По такому принципу ветродвигатель работает при поступательной скорости движения крыла ниже скорости ветра. Данная конструкция позволяет, изменяя величину эксцентриситета, регулировать скорость вращения ротора, крутящий момент, принудительно останавливать ветродвигатель при любом ветре и выбрать оптимальный режим работы. Если эксцентриситет установить отрицательным, возможно вращение ротора в обратном направлении.

Возможно специально профилировать рабочую поверхность эксцентрика и менять положение относительно оси. По аналогии с самолетами возможны различные варианты исполнения крыла, хвостового оперения и хвостовой балки. Крыло может иметь любой профиль, может быть жестким или гибким, любой формы в плане с аэродинамической и геометрической круткой, щелевым и с механизацией, изменяемой кривизны и адаптивным. Параллельно с крылом могут быть установлены и другие крылья (бипланы, трипланы и др.), которые увеличивают площадь крыла без увеличения количества узлов крепления и механизмов управления. Выбор параметров оперения и хвостовой балки зависит от параметров крыла.

Использование: применяется в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветродвигатель с самоустанавливающимися аэродинамическими поверхностями содержит ротор с вертикальной осью с независимыми основными аэродинамическими поверхностями, которые установлены по окружности ротора и имеют свою вертикальную ось вращения. Основная аэродинамическая поверхность содержит управляемое аэродинамическое хвостовое оперение, эксцентрик, систему толкателей, тяг и качалок, установленных с возможностью управления хвостовым оперением, при этом эксцентрик размещен неподвижно относительно ротора на оси основной аэродинамической поверхности, при этом последняя установлена устойчиво относительно своей оси вращения, а ее центр масс совпадает с упомянутой осью вращения. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветродвигатель с самоустанавливающимися аэродинамическими поверхностями, содержащий ротор с вертикальной осью с независимыми основными аэродинамическими поверхностями, которые установлены по окружности ротора и имеют свою вертикальную ось вращения, отличающийся тем, что основная аэродинамическая поверхность содержит управляемое аэродинамическое хвостовое оперение, эксцентрик, систему толкателей, тяг и качалок, установленных с возможностью управления хвостовым оперением, при этом эксцентрик размещен неподвижно относительно ротора на оси основной аэродинамической поверхности, при этом основная аэродинамическая поверхность с оперением аэродинамически устойчива относительно оси вращения и центр масс совпадает с осью вращения. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что эксцентрик установлен с возможностью изменения величины эксцентриситета относительно оси вращения основной аэродинамической поверхности.