ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике и позволяет упростить конструкцию, повысить надежность и КПД.

Из патентной литературы известен ветродвигатель Рудакова а.с. N 1463949, кл. F 03 D 3/00, 1989 ), содержащий вал, прикрепленные к нему радиальные траверсы, связанные с ним складные парусные лопасти и элементы складывания лопастей, выполненные в виде ветроприемных пластин, тангенциально установленных на траверсах с возможностью перемещения вдоль них.

Указанный ветродвигатель не пригоден к работе в условиях сильных и, тем более, порывистых ветров, имеет низкую надежность и тихоходен, т.к. складные парусные лопасти не выдерживают сильных ветровых нагрузок, а ветроприемные пластины при работе совершают возвратно-поступательные движения вдоль траверсы и всегда расположены по отношению к ним под углом, близким к 90^o, в силу чего обладают определенной инертностью и повышенным сопротивлением вращению колеса в момент их движения навстречу ветровому потоку. Указанные недостатки уменьшают возможность применения ветродвигателя, снижают его надежность и КПД.

Известен также ветродвигатель Блескина ( а.с. N 1483081, кл. F 03 D 3/02, 1989 ), содержащий установленное на вертикальном валу рабочее колесо, выполненное в виде размещенных между верхним и нижним ободами поворотных лопастей, закрепленных на кронштейнах, связанных с валом, сочлененным с электрогенератором, причем лопасти выполнены в виде балансирных парусов, а сам ветродвигатель дополнительно содержит флюгер, установленный на вертикальном валу и выполненный в виде плоскости аэродинамического профиля с кронштейном, на периферийном конце которого установлен ограничитель поворота лопасти, лопасти снабжены узлами разгрузки, установленными на одном из ободом и цепной передачи, связывающей лопасти между собой и одну из них с флюгером, а узел разгрузки снабжен двумя оппозитными роликами.

Однако указанный ветродвигатель имеет низкую надежность из-за лопастей, выполненных в виде балансирных парусов, и цепной передачи, а поскольку ветроколесо установлено на вертикальном валу, и лопасти, движущиеся при работе против ветрового потока, имеющего ту же скорость, что и лопасти, активно воспринимающие его энергию, в силу чего оказывают повышенное сопротивление вращению ветроколеса, то ветродвигатель имеет сниженный КПД.

Известен ветродвигатель ( а.с. N 1476170 кл. F 03 D 1/02, 1989 ), содержащий поворотную головку, закрепленный на ней вертикальный киль для ориентации на ветер и два соосных лопастных ветроколеса, установленных на горизонтальном валу, связанном с валом отбора мощности посредством зубчатой передачи, причем киль закреплен на головке перпендикулярно горизонтальному валу, ветроколеса снабжены махами, а каждая лопасть выполнена в виде пары раскладных шарнирных пластин, установленных на конце маха и снабжена двухзвенным упором, звенья которого закреплены на пластинах и связаны между собой при помощи шарнира.

Но и этот ветродвигатель имеет пониженный КПД и низкую надежность, т.к. плоскости лопастей при работе периодически становятся параллельными ветровому потоку, особенно в моменты прохода махом своего горизонтального положения ( два раза за каждый оборот ветроколеса), то в указанный момент лопасти не воспринимают энергию ветрового потока, а в момент окончания полного разворота пластин лопасти они испытывают фронтальный динамический удар.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является ветродвигатель ( а.с. N 1173059, кл. F 03 D 3/02, 1985 ), содержащий опорную башню, установленную на ней поворотную головку, закрепленные на ней вертикальный киль, два рабочих колеса6 каждое из которых имеет горизонтальный вал, снабженный размещенной в головке опорой и соединенный при помощи зубчатой передачи с валом отбора мощности, два параллельных обода, жестко закрепленных на валу, размещенные между ними на горизонтальных осях поворотные лопасти и механизм поворота лопастей, при этом лопасти выполнены в виде рамок с закрепленным на них гибким парусным материалом, головка снабжена каркасом со стойками по числу рабочих колес, вал каждого колеса второй опорой6 закрепленной на стойке и двухрядной звездочкой, а оси лопастей размещенными со стороны головки консолями с установленными на них звездочками, связанными между собой при помощи бесконечной цепи, причем у каждого колеса две диаметрально противоположные звездочки выполнены двухрядным и соединены со звездочками вала этого же колеса при помощи дополнительной бесконечной цепи, а механизм поворота лопастей каждого колеса выполнен в виде закрепленных на звездочках вала и головке соответственно рычага и сектора, связанных между собой при помощи фиксатора.

Однако указанный ветродвигатель обладает следующими существенными недостатками, снижающими его надежность и КПД и усложняющими его конструкцию:
наличие гибкого парусного материала лопастей, который при каждом обороте рабочего колеса выгибается своей выпуклостью в противоположную сторону, т.е. испытывает при работе многократные перегибы, ведущие к его разрушению;
усложнена конструкция механизма поворота лопастей из-за наличия у каждого рабочего колеса двух разных групп звездочек, в т.ч. двухрядных;
низкая надежность и долговечность механизма поворота лопастей из-за наличия двух групп цепной передачи, каждая из которых включает цепь большой длины, неизбежно испытывающей беспорядочные колебательные движения и склонна к удлинению вследствие усиленного износа в шарнирных соединениях каждого звена цепи;
цепная связь обладает слабой кинематической жесткостью вследствие большого суммарного люфта и снижает синхронность поворота лопастей;
наличие вогнуто-выпуклых поверхностей на лопастях из-за применения гибкого парусного материала, ухудшает их обтекаемость, что снижает их КПД и ветродвигателя в целом, особенно в момент движения лопастей против ветрового потока.

Задачей предлагаемого изобретения является создание ветродвигателя простого по конструкции и обладающего высокой эффективностью, при решении которой достигается следующий технический результат:
упрощение конструкции и повышение надежности за счет применения жестких поворотных лопастей и жесткой кинематической связи в механизмах поворота лопастей и стабилизации скорости вращения рабочего колеса;
повышение КПД ветродвигателя вследствие повышения КПД каждой лопасти, выполненной в виде жесткой поворотной пластины обтекаемого профиля и четкой синхронизации поворота лопастей относительно вала рабочего колеса вследствие применения жесткой кинематической связи при помощи конических шестерен и трансмиссионных валов, за счет чего уменьшено лобовое сопротивление лопастей, находящихся в нижней части рабочего колеса, эффективное использование энергии ветра частью даже этих лопастей и высокоэффективное использование энергии ветрового потока лопастями, находящимися в верхней части рабочего колеса, т.е. в слое ветрового колеса, обладающего наибольшей энергией.

Поставленная задача решается тем, что ветродвигатель содержит поворотную вокруг вертикальной оси платформу, установленные на ней вертикальный киль обтекаемого профиля для ориентации на ветер, рабочее колесо, по крайней мере одно, имеющее перпендикулярный килю горизонтальный вал, снабженный укрепленными на вертикальных стойках опорами и соединенный при помощи зубчатой передачи с валом отбора мощности, параллельные, жестко закрепленные на валу обода, размещенные между ними поворотные лопасти, жестко закрепленные на параллельных валу осях, снабженных центрально-симметрично размещенными и закрепленными на ободах опорами с возможностью вращения в них совместно с лопастями, механизм поворота лопастей и механизм стабилизации скорости вращения рабочего колеса, причем каждая из лопастей выполнена в виде жесткой пластины обтекаемого профиля, кинематически связанной рабочим колесом на вращение в отношении 1:2, и при этом система кинематической связи вала рабочего колеса с валом отбора мощности включает конический шестерни, жестко закрепленные на торцах, указанных валов, связанные между собой при помощи конических шестерен, жестко закрепленных на торцах трансмиссионно-редукторного вала, установленного на стойке опоры вала рабочего колеса, а механизм поворота каждой лопасти и механизм стабилизации скорости вращения рабочего колеса, конструктивно объединены между собой с возможностью синхронного вращения лопастей и синхронного изменения исходного установочного угла каждой лопасти по отношению к направлению ветрового потока и включают конические шестерни, жестко закрепленные на внешних торцах осей лопастей, каждая из которых при помощи конических шестерен, жестко закрепленных на торцах радиальных трансмиссионно-редукторных валов, установленных на внешней поверхности торцов рабочего колеса, с конической шестерней, жестко закрепленной на поворотной втулке, установленной на валу рабочего колеса с возможностью поворота вокруг вала рабочего колеса, и снабженной жестко закрепленной на ней флюгерной лопастью, подпружиненной против ветрового потока, расположенной горизонтально вне периферии рабочего колеса, обращенной своей плоскостью фронтально к ветровому потоку и соединенной с поворотной втулкой посредством выносных вертикальных рычагов.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения от прототипа являются следующие признаки:
поворотные лопасти выполнены жесткими в виде целостных пластин обтекаемого симметричного профиля, что позволяет наиболее эффективно использовать их с наименьшими гидравлическими потерями, в т.ч. и при повышенных и неравномерных скоростях ветра, т.е. способствует повышение КПД и надежности ветродвигателя;
кинематическая связь поворотных лопастей с валом рабочего колеса, между собой и поворотной втулкой, выполненная в виде трансмиссионных валов с коническими шестернями и передаточным числом по отношению к валу рабочего колеса, равным 1:2, обеспечивает жесткость и надежность указанной связи с минимальными суммарными люфтами, возможность поочередного, через каждый оборот рабочего колеса, использования в качестве активных элементов обе кромки и обе поверхности каждой лопасти, что способствует повышению точности синхронизации поворота лопастей и синхронизации их исходных установочных углов, повышению надежности и долговечности ветродвигателя в целом, упрощению его конструкции;
применение поворотной втулки, снабженной конической шестерней и флюгерной лопастью, в качестве элемента механизма стабилизации скорости вращения рабочего колеса, путем синхронизации изменения исходных установочных углов лопастей, обеспечивает возможность объединения механизма стабилизации скорости вращения рабочего колеса с механизмом поворота лопастей, что также способствует упрощению конструкции ветродвигателя и повышению надежности его работы;
распределение исходных установочных углов лопастей по периферии рабочего колеса таким образом, что лопасть, наиболее активно воспринимающая ветровой поток и перемещающиеся при работе ветродвигателя в сторону вращения рабочего колеса, а именно лопасть с максимальным исходным установочным углом, активная плоскость поверхности которой перпендикулярна направлению ветра, всякий раз оказывается в верхней части рабочего колеса, т.е. в слое ветрового потока, имеющего наибольшую скорость, а лопасть, также перемещающаяся в сторону вращения рабочего колеса, но движущаяся навстречу ветровому потоку, а именно лопасть с наименьшим исходным установочным углом, плоскости поверхности которой параллельны направлению ветрового потока, всякий раз оказывается в нижней части рабочего колеса, т.е. в слое ветрового потока, имеющего наименьшую скорость, способствует наиболее полному эффективному использованию энергии ветрового потока, уменьшение гидравлических потерь, а значит - повышению КПД ветродвигателя.

Указанные признаки соответствуют признакам существенных отличий и позволяет признать предлагаемый ветродвигатель изобретением.

На фиг. 1 схематично изображен вид ветродвигателя сбоку; на фиг. 2 вид спереди; на фиг. 3 вид сверху; на фиг. 4 кинематическая схема узлов зубчатой передачи механизмов поворота лопастей, стабилизации скорости вращения рабочего колеса и передачи вращения с валом рабочего колеса на вал отбора мощности; на фиг. 5 векторная схема, величин сил векторного потока, воздействующих на лопасти рабочего колеса при исходных установочных углах лопастей (вектора, направленные по касательной к ободу рабочего колеса, обозначены более жирно выделенными стрелками); на фиг. 6 векторная схема величин сил и изменение установленных углов лопастей при усилении ветрового потока.

Ветродвигатель содержит поворотную вокруг вертикальной оси платформу 1, установленные на ней вертикальный киль 2 обтекаемого профиля для ориентации на ветер, рабочее колесо 3, по крайней мере одно, имеющее перпендикулярный килю горизонтальный вал 4, снабженный укрепленными на вертикальных стойках 5 опорами 6 и соединенный при помощи зубчатой передачи с валом 7 отбора мощности, параллельные, жестко закрепленные на валу обода 8, размещенные между ними поворотные лопасти 9, жестко закрепленные на параллельных валу осях 10, снабженных центрально-симметрично размещенными и закрепленными на ободах опорами 11 с возможностью вращения в них совместно с лопастями, механизм поворота лопастей и механизм скорости вращения рабочего колеса6 причем каждая из лопастей выполнена в виде жесткой пластины обтекаемого профиля, кинематически связанной с рабочим колесом на вращение в отношении 1:2, и при этом система кинематической связи вала рабочего колеса в свалом отбора мощности включает конические шестерни 12 и 13, жестко закрепленные на торцах шестерен 14 и 15, жестко закрепленных на торцах трансмиссионно-редукторного вала 16, установленного на стойке опоры вала рабочего колеса6 а механизм поворота каждой лопасти и механизм стабилизации скорости вращения рабочего колеса, конструктивно объединены между собой с возможностью синхронного вращения лопастей и синхронного изменения исходного установочного угла каждой лопасти по отношению к направлению ветрового потока и включают конические шестерни 17, жестко закрепленные на торцах осей лопастей, каждая из которых при помощи конических шестерен 18 и 19, жестко закрепленных на торцах радиальных трансмисионно-редукторных валов 20, установленных на внешней поверхности торцов рабочего колеса, связана с конической шестерней 21, жестко закрепленной на поворотной втулку 22, установленной на валу рабочего колеса с возможностью поворота вокруг вала рабочего колеса, и снабженной жестко закрепленной на ней флюгерной лопастью 23, подпружиненной против ветрового потока, расположенной горизонтально вне периферии рабочего колеса, обращенной своей плоскостью фронтально к ветровому потоку и соединенной с поворотной втулкой посредством выносных вертикальных рычагов 24.

Ветродвигатель работает следующим образом.

В исходном положении углы α установки лопастей (9) (см. фиг. 5 и 8) относительно направления (v) ветрового потока распределены следующим образом;
угол a лопасти, расположенной в нижней точке ободов (8) рабочего колеса равен 0^o, углы a лопастей, расположенных в передней части ободов, увеличивается от 0^o до 90^o, угол a лопасти, расположенной в верхней части ободов, равен 90^o, а углы a лопастей, расположенных в задней части ободов, продолжают увеличиваться до 180^o (или, если брать угол, смежный с углом a уменьшаются от 90^o до 0^o. Под воздействием кинетической энергии ветрового потока (скоростной напор) на активных поверхностях лопастей возникает повышенное давление, а на обратных им пониженное. За счет разницы давлений (наибольшим у верхней лопасти), лопасти увлекая за собой обод, перемещаются по касательной к ободу в сторону меньшего давления. При этом верхняя лопасть перемещается за счет прямого воздействия ветрового потока, лопасти, оказывающиеся в передней части ободов, за счет положительной подъемной силы перемещаются вверх, а лопасти, оказывающиеся в задней части ободов, за счет отрицательной подъемной силы вниз. При этом рабочее колесо приобретает вращательное движение в сторону суммарного воздействия касательных по отношению к ободу сил, а сами лопасти, перемещаясь одновременно с ободами, в течение одного его оборота совершают половину оборота вокруг своих осей в противоположную сторону под воздействием механизма поворота лопастей, т.к. шестерни 19, укрепленные на соответственных торцах радиальных трансмиссионно-редукторных валов 20, перемещаясь по венцу неподвижной шестерни 21, вращают указанные валы и приводит во вращение оси лопастей через шестерни 18, закрепленные на противоположных торцах этих валов, и шестерни 17, закрепленные на торцах осей лопастей. При усилении скоростного напора ветрового потока, за счет его воздействия на подпружиненную флюгерную лопасть 23, последняя, преодолевая подпружиненность, отклоняется по направлению потока на некоторую величину и через рычаги 24 поворачивают на валу рабочего колеса поворотную втулку с закрепленной на ней шестерней на некоторый угол, и через трансмиссию соответственно синхронно изменяет установочные углы a всех лопастей, при этом силы воздействия ветрового потока на лопасти уменьшаются, предотвращая чрезмерную нагрузку на них и чрезмерное увеличение скорости вращения рабочего колеса. ( На некоторых лопастях даже может возникнуть сила отрицательного направления по отношению к направлению вращения рабочего колеса (см. фиг. 6, нижняя лопасть). При уменьшении напора механизм стабилизации скорости вращения рабочего колеса возвращает лопасти к исходным положениям установленных углов.

Реализация предлагаемого изобретения позволяет получить ветродвигатель с повышенным КПД, упрощенной конструкции, надежный в работе и пригодный к использованию в условиях широкого диапазона скоростей ветра, в том числе - порывистого, в качестве привода электрогенератора или какого-либо механического устройства.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит поворотную платформу 1 с вертикальным килем 2 для ориентации на ветер, рабочее колесо 3 с перпендикулярным килю горизонтальным валом 4, снабженным укрепленными на стойках 5 опорами 6 и соединенным посредством зубчатой передачи с валом 7 отбора мощности и закрепленными на нем параллельными ободами 8 с размещенными между ними жесткими поворотными лопастями 9, закрепленными на параллельных валу осях 10 с возможностью вращения совместно с ними по отношению к валу рабочего колеса с числом 1:2 в опорах 11, размещенных на ободах, и кинематически связанных с валом рабочего колеса посредством трансмиссии, включающей конические шестерни 17, установленные на торцах осей радиальных валов 20 и шестерен 18 и 19, укрепленных на их торцах, с шестерней 21, закрепленной на поворотной втулке 22, снабженной флюгерной лопастью 23, скрепленной с втулкой посредством рычагов 24. Рабочее колесо приводится во вращение под взаимодействием на лопасти скоростного напора ветра, а вращение с шестерен 12, закрепленных на торцах вала рабочего колеса, передается на шестерни 13, закрепленные на торцах валов отбора мощности, через шестерни 14 и 15, закрепленные на торцах вертикального редукторного вала 16, укрепленного на стойках опор вала рабочего колеса. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Ветродвигатель, содержащий поворотную вокруг вертикальной оси платформу, установленные на ней вертикальный киль для ориентации на ветер, рабочее колесо, имеющее перпендикулярный килю горизонтальный вал, снабженный укрепленными на вертикальных стойках опорами и соединенный при помощи зубчатой передачи с валом отбора мощности, параллельные, жестко закрепленные на валу обода, размещенные между ними поворотные лопасти, жестко закрепленные на параллельных валу осях, снабженных центрально-симметрично размещенными и закрепленными на ободах опорами с возможностью вращения в них совместно с лопастями, механизм поворота лопастей, механизм стабилизации скорости вращения рабочего колеса, отличающийся тем, что механизм поворота каждой лопасти и механизм стадилизации скорости вращения рабочего колеса конструктивно объединены между собой с возможностью синхронного вращения лопастей и синхронного изменения исходного установочного угла каждой лопасти по отношению к направлению ветрового потока и включают конические шестерни, жестко закрепленные на внешних торцах осей лопастей, каждая из которых при помощи конических шестерен, жестко закрепленных на торцах радиальных трансмиссионно-редукторных валов, установленных на внешней поверхности торцов рабочего колеса, с конической шестерней, жестко закрепленной на поворотной втулке, установленной на валу рабочего колеса с возможностью поворота вокруг вала на некоторый угол, независимо от вращения вала рабочего колеса, и снабженной жестко закрепленной на ней флюгерной лопастью, подпружиненной против ветрового потока, и расположенной своей плоскостью фронтально к нему. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что флюгерная лопасть расположена горизонтально вне периферии рабочего колеса и соединена с поворотной втулкой посредством вертикальных рычагов.