ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к ветряным двигателям, в частности к ветродвигателям с вертикальной осью вращения, и может быть использовано для преобразования энергии природного ветрового потока в электрическую энергию промышленной частоты для энергоснабжения мелких сельскохозяйственных и промышленных производств, жилых помещений и других потребителей.

Близким известным решением аналогичной задачи по совокупности признаков является ветродвигатель с вертикальной осью вращения, содержащий вал, ветровую турбину с горизонтальными траверсами и вертикальными лопастями аэродинамического профиля, связанную с валом. Лопасти ветровой турбины закреплены на траверсах с возможностью поворота вокруг вертикальных шарнирных осей, смонтированных на траверсах [1]. Специальный механизм с подпружиненными рычагами и инерционными грузами обеспечивает разворот лопастей вокруг упомянутых осей. Угол наклона лопасти к касательной к траектории вращения опосредован балансом сил, развиваемых пружинами, грузами и ветровым потоком: чем больше сила ветрового потока, тем больше преодолевается сила сжатия пружины и тем меньше угол наклона лопасти. При отсутствии ветра, т.е. при остановке турбины, пружины полностью сжимаются и лопасти становятся поперек траектории вращения, а значит,и ветрового потока. Такое их положение и обеспечивает запуск турбины при возобновлении ветра, а также позволяет регулировать скорость вращения турбины при изменяющемся ветровом режиме.

Несмотря на наличие такого преимущества,как автоматическая регулируемость скорости вращения, при эксплуатации упомянутой турбины возникает ряд трудностей. Первая группа трудностей связана прежде всего с тем, что известная конструкция ветродвигателя не обеспечивает высокого начального момента вращения, т.е. при ветре малой силы не позволяет привести массивную турбину во вращение. Другая группа трудностей касается наличия в турбине большого числа кинематических пар: шарниров, подпружиненных рычагов с инерционными грузами. Наряду с усложнением конструкции это снижает надежность работы турбины, поскольку в условиях обледенения или пыльных бурь велика вероятность попадания в механизм посторонних частиц и выхода его из строя.

Известен ветродвигатель с вертикальной осью вращения, содержащий вал, ветровую турбину с горизонтальными траверсами и вертикальными лопастями аэродинамического профиля, связанную с валом, причем он имеет по числу траверс дополнительные лопасти в виде изогнутых поверхностей, каждая из которых расположена вертикально и выпуклостью направлена в одну сторону с выпуклостью вертикальной лопасти аэродинамического профиля [2].

При этом ветродвигатель по авт.св. СССР 1139879 также имеет вспомогательный вал, на котором закреплены дополнительные лопасти для пуска ветродвигателя (ротор Савониуса) и механизм включения-выключения его, что увеличивает металлоемкость ветродвигателя и усложняет его конструкцию, в результате чего увеличиваются затраты на изготовление ветродвигателя.

В основу изобретения поставлена задача создать ветродвигатель с вертикальной осью вращения такой конструкции, которая при минимизации числа кинематических пар обеспечивала бы возможность запуска ветротурбины и сохранения ее тянущей силы при слабом ветре, благодаря чему повысилась бы надежность работы ветродвигателя и одновременно улучшились бы его энергетические характеристики.

Поставленная задача решается тем, что ветродвигатель с вертикальной осью вращения, содержащий вал, ветровую турбину с горизонтальными траверсами и вертикальными лопастями аэродинамического профиля, связанную с валом, согласно изобретению, имеет по числу траверс дополнительные лопасти в виде изогнутых поверхностей, каждая из которых расположена непосредственно на соответствующей траверсе вертикально и выпуклостью направлена в одну сторону с выпуклостью вертикальной лопасти аэродинамического профиля. При этом на дополнительных лопастях жестко укреплены горизонтальные связывающие их пластины, нижняя из которых жестко соединена с траверсами, а дополнительные лопасти изогнуты по дуге окружности и их вертикальные края расположены в плоскости, проходящей через ось траверс, причем угол между хордой каждой вертикальной лопасти аэродинамического профиля ветровой турбины и касательной к траектории ее вращения равен 1...4^o.

Жестко закрепленные на траверсах дополнительные лопасти описанной конструкции, обладая высоким начальным моментом вращения, позволяют легко запускать турбину даже при ветре незначительной силы, а отсутствие кинематических пар существенно повышает надежность работы турбины.

Кроме того, согласно изобретению, для максимизации тянущей силы ветрового потока при запуске ветротурбины предусмотрено, что вертикальные края лопастей ветрового устройства расположены в плоскости, проходящей через ось траверс.

Кроме того, согласно изобретению, для увеличения аэродинамической тянущей (подъемной) силы лопастей угол между хордой каждой лопасти ветровой турбины и касательной к траектории вращения упомянутой лопасти составляет 1. ..4^o, что обосновано экспериментальным путем.

На фиг. 1 изображен ветродвигатель, общий вид; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - вариант крепления дополнительных лопастей на траверсах.

Ветродвигатель имеет ветровую турбину 1, образованную вертикальными лопастями 2, которые жестко закреплены на концах горизонтальных траверс 3. Лопасти 2 имеют симметричный аэродинамический профиль NACA. Траверсы 3 через ступицу 4 связаны с валом 5. Лопасти 2 установлены перпендикулярно или под углом 1. . . 4^o к траверсам 3, т.е. так, что угол между хордой лопасти 2 и касательной к траектории вращения лопасти 2 составляет ноль или 1...4^o. Для максимального повышения тянущей силы лопастей 2, а значит, и КПД ветродвигателя, упомянутый угол должен составлять 1...4^o, что установлено экспериментально.

Для обеспечения равномерности распределения нагрузок на траверсу 3 она имеет разные сечения по хорде и высоте (хорда b и высота h профиля траверсы увеличиваются) от лопастей 2 к ступице 4, причем минимальное значение хорды профиля траверсы 3 равно хорде лопасти 2.

Для обеспечения технологичности изготовления траверс 3 хорда b и высота h их профиля увеличиваются от лопасти 2 к ступице 4 по линейному закону.

Ветродвигатель имеет по числу траверс дополнительные вертикально расположенные лопасти 7 (фиг. 2). Лопасти 7 выполнены в виде изогнутых поверхностей, каждая из которых расположена на соответствующей траверсе. Выпуклость дополнительной лопасти направлена в ту же сторону, что и выпуклость основной лопасти аэродинамического профиля. Оптимальным вариантом является выполнение дополнительных лопастей, имеющих изогнутость по дуге окружности так, чтобы вертикальные края каждой дополнительной лопасти были расположены в плоскости, проходящей через ось траверс.

Лопасти 7 укреплены на верхней поверхности соответствующих траверс 3 или при другом варианте выполнения жестко связаны с горизонтальными пластинами 8, а нижняя горизонтальная пластина укреплена на траверсах, а точнее на их связующем звене. Пластины 8 изготовлены, например, в виде дисков. Однако для исключения опасности возникновения при значительных ветровых нагрузках и предельной частоте турбины 1 резонансных колебаний типа "флаттер" на неподкрепленных лопастями 7 участках "а" тонких горизонтальных пластин 8, выполненных в виде дисков, целесообразно использовать пластины 9 другой формы, где удалены консольные участки дисков, подверженные резонансным явлениям (фиг. 3). Нижняя пластина 8 или 9 жестко соединена с траверсами 3, например, при помощи болтов 10 на ступице 4 и участках траверс 3, расположенных возле стыка со ступицей 4. Это позволяет дополнительно ужесточить конструкцию в области упомянутого стыка. Лопасти 7 могут быть расположены относительно оси траверс 3 под разным углом,вплоть до прямого. Однако оптимальным является такое их расположение, при котором вертикальные края лопастей 7 расположены в плоскости "г", проходящей через ось "е" траверс 3 (фиг.3).

Ветродвигатель работает следующим образом. Ветродвигатель работает от ветра любого направления без системы ориентации его по ветру. При запуске ветродвигателя необходимый начальный момент вращения обеспечивается дополнительными лопастями 7, где используется принцип разности сил давления ветрового потока на выпуклые и вогнутые стороны лопастей 7 и двух последовательных изменений на 180^o направления воздушных потоков лопасти 7. Вертикальные края лопастей 7 расположены в плоскости, проходящей через оси траверс, и отсутствие тянущей силы на лопастях 2 турбины 1 ( когда хорда лопасти 2 совпадает с направлением ветра) компенсируется ее максимальным значением на лопастях 7, поскольку последние в данном случае расположены так, что вогнутая часть одной из лопастей 7 принимает ветровой поток всей своей площадью.

Указанные особенности конструкции обеспечивают запуск турбины 1, а также сохранение тянущей силы при небольшом ветре, поскольку, как уже было сказано, при любом положении ветровой турбины 1 минимум тянущей силы на лопастях 2 аэродинамического профиля компенсируется ее максимумом на дополнительных лопастях 7 и наоборот. При слабом ветре и низкой частоте вращения дополнительные лопасти 7 дают значительную (до 50 %) прибавку к развиваемой лопастями 2 ветровой турбины 1 мощности. При номинальной и более высоких скоростях ветра турбина 1, где используется эффект возникновения подъемной (тянущей) силы на лопастях 2 и траверсах 3, имеющих аэродинамический профиль, работает на высоких скоростях (окружная скорость превышает скорость ветрового потока). При этом дополнительные лопасти 7 практически не оказывают влияния на энергетические характеристики ветровой турбины 1, так как лопасти 7 не могут развивать окружную скорость выше скорости ветрового потока.

Таким образом применение дополнительных лопастей 7 предлагаемой конструкции и их жесткая связь с ветровой турбиной 1 позволяет оптимально использовать аэродинамические характеристики ветровой турбины 1 и минимизировать число кинематических пар ветродвигателя, благодаря чему повышается надежность работы ветродвигателя и одновременно улучшаются его энергетические характеристики.

Область использования: к ветряным двигателям, в частности к ветродвигателям с вертикальной осью вращения, и может быть использовано, например, в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит вал и связанную с ним ветровую турбину с горизонтальными траверсами и вертикальными лопастями аэродинамического профиля, дополнительные лопасти, установленные на ветровой турбине. Дополнительные лопасти установлены на траверсах и изогнуты по дуге окружности, их вертикальные края расположены в плоскости, проходящей через ось траверс, а выпуклость каждой дополнительной лопасти направлена в одну сторону с выпуклостью соответствующей лопасти аэродинамического профиля. 1 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветродвигатель с вертикальной осью вращения, содержащий вал, ветровую турбину с горизонтальными траверсами и вертикальными лопастями аэродинамического профиля, связанную с валом, и по числу траверс дополнительные лопасти в виде вертикально поставленных криволинейно изогнутых поверхностей, отличающийся тем, что дополнительные лопасти расположены непосредственно на траверсе. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что на дополнительных лопастях жестко укреплены горизонтальные связывающие их пластины, нижняя из которых жестко соединена с траверсами. 3. Ветродвигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительные лопасти изогнуты по дуге окружности и их вертикальные края расположены в плоскости, проходящей через ось траверс, а выпуклость направлена в одну сторону с выпуклостью вертикальных лопастей аэродинамического профиля. 4. Ветродвигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что угол между хордой каждой вертикальной лопасти аэродинамического профиля ветровой турбины и касательной к траектории ее вращения равен 1 4^o.