ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F03D3/06 F03D3/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветряных двигателей.

Известен ветряной двигатель с лопастями изменяемого шага, содержащий вал, вращающийся вокруг оси, и лопасти, соединенные с валом для вращения вместе с ним. Каждая лопасть может поворачиваться вокруг своей оси, параллельной оси вала. Лопасти имеют гибкую пластину, принимающую под действием давления ветра форму криволинейной поверхности. Регулирование ориентации лопастей вокруг их осей осуществляется кулачковым устройством, управляющим лопастями только в зависимости от положения соответствующей лопасти относительно вала при ее вращении вокруг оси вала. Кулачковое устройство воспринимает импульсы от лопастей в режиме их переустановки, что способствует заданию определенного положения кулачковому устройству для обеспечения определенного воздействия ветра на лопасти [1]
Однако в данном устройстве невозможно достичь такого условия, чтобы лопасти двигались с минимальным аэродинамическим сопротивлением.

Кроме того, известен ветряной двигатель, содержащий установленные с возможностью вращения вокруг вертикальной оси поворотные лопасти, размещенные на стрелах ротора, связанных с кронштейнами, на которых установлены ролики для взаимодействия с направляющей поверхностью [2]
В известном устройстве ставилась задача повышения коэффициента использования энергии ветра путем оптимизации угла установки лопасти. Однако достичь минимального сопротивления встречного потока ветра не удалось.

Технической задачей, поставленной в настоящем изобретении, является достижение минимального аэродинамического сопротивления.

Это достигается тем, что ветряной двигатель, содержащий установленные с возможностью вращения вокруг вертикальной оси поворотные лопасти, размещенные на стрелах ротора, связанных с кронштейнами, на которых установлены ролики для взаимодействия с направляющей поверхностью, снабжен конической шестерней, ротор выполнен трехлопастным с расположением стрел под 120^o, на концах которых установлены валы с неподвижно закрепленными на них лопастями и конической шестерней, которая кинематически связана с роликами, установленными на концах кронштейнов, при этом направляющая поверхность для роликов выполнена в виде кулачка, состоящего из двух частей, связанного с флюгером для установки его согласно направлению ветра, имеющего одну часть, профиль поверхности скольжения которой выполнен в виде половины дуги окружности постоянного радиуса, а другая половина имеет поверхность скольжения, выполненную в виде профилированной поверхности переменного радиуса, изменяющегося по закону изменения угла, образуемого между стрелой и плоскостью пары крыльев, при условии, что последняя должна иметь положение параллельное плоскости, разделяющей кулачок на две части.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого ветродвигателя; на фиг. 2
то же, вид сверху; на фиг. 3 показано построение профиля кулачка.

Ветряной двигатель содержит мачту 1, в верхней части которой установлен трехлопастной ротор 2, состоящий из стрел 3, расположенных друг относительно друга под углом 120^o, на концах которых установлены валы 4 с неподвижно закрепленными на них поворотными лопастями 5 и 6 и конической шестерней 7. Сверху на стрелы 3 ротора 2 установлена флюгерная мачта 8 для размещения на ней флюгерного устройства, состоящего из флюгерной мачты 8, промежуточной опоры 9, в которой установлен подшипник 10 для вала 11, на котором закреплены в верхней части балка 12, а в нижней части вала кулачковое устройство 13.

На противоположном конце балки 12 установлено крыло 14 флюгера. На стрелах 3 ротора 2 установлены вал 15 с размещенными на нем конической шестерней 16 и кронштейном 17, на концах последнего установлены вращающиеся ролики 18, вал 19, имеющий возможность вращаться в опорах 20. На концах вала 19 установлены конические шестерни 21 и 22. В мачте 2 описываемого ветряного двигателя имеются верхняя 23 и нижняя 24 опоры вала 25, концы которого жестко связаны с ротором 2 и зубчатым колесом 26 редуктора. Второе зубчатое колесо 27 редуктора напрессовывается на вал электрогенератора 28.

Предлагаемый ветряной двигатель работает следующим образом. Под действием потока ветра, как показано на рисунке, флюгерное устройство устанавливается по ветру, устанавливая соответственно и кулачковое устройство 13. Последнее, имея кинематическую связь с роликами 18, кронштейном 17, валом 15, конические шестерни 16 и 21, далее через вал 19, конические шестерни 22 и 7, валы 4 с закрепленными на них парами лопастей 5 и 6 устанавливает лопасти 5 и 6 в положение, представленное на рисунке. Далее, как показано на фиг. 2, набегающий поток ветра начинает вращать лопасти 5 и 6, действуя на них, и верхняя пара лопастей 5 и 6 в данном положении будет испытывать силу давления ветра значительно выше, чем пары лопастей, которые в данный момент времени расположены таким образом, что их площадь сопротивления встречному потоку ветра минимальна, следовательно, и сила давления ветра будет минимальная. Когда поток ветра действует на пару лопастей 5 и 6, расположенных в верхней части (фиг. 2), то при значительной площади сопротивления движущемуся потоку воздуха (ветра) последнии создадут значительную силу сопротивления. Под воздействием этого сопротивления ротор 3 (фиг. 1) получает крутящий момент. По мере перемещения ротора 3 сопротивление лопастей 5 и 6, проходящих верхнюю половину дуги вращения (фиг. 2), изменяется от минимального, при входе в верхнюю зону дуги, до максимального значения, когда пара лопастей пройдет первую половину верхней дуги. И далее, по мере поворота, сила сопротивления ветру пары лопастей будет убывать, как и полезная площадь сопротивления этой пары. Но после поворота первой пары лопастей на 120^o в зону попутного движения ветра вступает следующая пара лопастей, и до тех пор пока первая пара выйдет из зоны попутного ветра, вторая пара пройдет уже дугу в 60^o и разовьет усилие до 70% от максимального.

В нижней зоне, как показано на фиг. 2, пары лопастей всю половину окружности вращения перемещаются навстречу потоку ветра с минимальным сопротивлением ему. Обеспечивается это кулачковым устройством 13 и всей кинематической цепью, описанной выше.

Профиль кулачкового устройства состоит наполовину из дуги окружности постоянного радиуса и второй половины дуги переменного радиуса, изменяющегося по закону изменения угла, образуемого между стрелой 3 и плоскостью пары лопастей 5 и 6, при условии, что последнии всю половину окружности должны двигаться во встречном потоке ветра и минимальным сопротивлением ему.

Профиль кулачка строится следующим образом (фиг. 3). Как было указано выше, одна часть профиля поверхности скольжения кулачка выполнена в виде половины дуги окружности постоянного радиуса, а другая часть проектируется исходя из условия, что R постоянный радиус, являющийся расстоянием от оси вращения ротора до оси кронштейна 17, r радиус, являющийся расстоянием от оси вращения кронштейна до центра вращения роликов 18, Φ угол разворота плоскости пары лопастей по отношению к стреле, который по мере вращения стрелы вместе с ротором изменяется от 0^o до 180^o в правой половине кулачка, а в левой половине он остается постоянным. Угол разворота v по мере перемещения стрелы с лопастями, определяется как угол, образуемый осью стрелы и плоскостью лопасти, при том условии, что последняя, перемещаясь в правой половине окружности вращения, должна занимать положение, параллельное плоскости, разделяющей кулачок на две части, что соответствует условию нахождения лопастей в положении минимального сопротивления встречного потока ветра.

Построение правой части профиля направляющего кулачка осуществляется с соблюдением вышеописанных условий, а именно из центра вращения ротора и центра кулачка О проводим несколько радиальных линий, длиной превышающих r, на них отмечаем точки радиуса r, из этих точек при помощи циркуля проводим окружности радиуса r, далее от линии радиуса перпендикулярно линии отмеряем угол, как показано на фиг. 3, и через точку пересечения второго луча угла v и линии окружности и ее центра проводим диаметр 1,1' и так далее.

Точки 1,1' и 2,2' представляют собой мгновенное месторасположение центров роликов 18, кронштейна 17. Соединяя соответственно точки 1' и т.д. и точки 1 и т.д. получим линии кулачка, по которым перемещаются центры вращения роликов 18. Линия, получившаяся при последовательном соединении точек 1, 2, 3 и т.д. без индексации, есть перемещение центра второго по ходу ролика 18 кронштейна 17, а линия, проходящая по точкам 1, 2, 3 и т.д. есть линия перемещения центра вращения первого по ходу ролика 18 кронштейна 17.

Конструктивно описываемая часть направляющего кулачка представляет собой две части, и одна часть от другой отстоит на величину диаметра ролика.

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: содержит поворотные лопасти, размещенные на стрелах ротора. На кронштейнах установлены ролики для взаимодействия с кулачком, выполненным из двух частей. Кулачок связан с флюгерным устройством. Профиль поверхности скольжения одной части кулачка выполнен в виде половины дуги окружности постоянного радиуса. Другая часть имеет поверхность скольжения, выполненную в виде кривых поверхностей переменного радиуса. 3 ил.

Ветряной двигатель, содержащий установленные с возможностью вращения вокруг вертикальной оси поворотные лопасти, размещенные на стрелах ротора, связанных с кронштейнами, на которых установлены ролики для взаимодействия с направляющей поверхностью, отличающийся тем, что он снабжен конической шестерней, ротор выполнен трехлопастным с расположением стрел под 120^o, на концах которых установлены валы с неподвижно закрепленными на них лопастями и конической шестерней, которая кинематически связана с роликами, при этом направляющая поверхность для роликов выполнена в виде кулачка, состоящего из двух частей, связанного с флюгерным устройством для установки его согласно направлению ветра, имеющего одну часть, профиль поверхности скольжения которой выполнен в виде половины дуги окружности постоянного радиуса, а другая часть имеет поверхность скольжения, выполненную в виде кривых поверхностей переменного радиуса.