РОТОР ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам и может быть использовано в ветродвигателях, работающих в непрерывном режиме при изменении направления ветра.

Известна конструкция ветротурбины (патент США N 4832571, кл. F 03 D 11/04, 1989), в которой ротор жестко закреплен на гибком валу, ось вращения которого под действием силы ветра изменяет положение из вертикального в горизонтальное, возврат которого осуществляется под действием гибких стяжек, один конец которых шарнирно закреплен на гибком валу ротора, а второй жестко закреплен на основании.

Недостатком данной конструкции ветротурбины является установка ротора на гибком валу и системы крепления вала ветротурбины гибкими стяжками, что препятствует ориентации оси ротора по ветру в вертикальной плоскости, тем самым снижается коэффициент использования лопастей и надежность конструкции. Жесткое крепление ротора на вале препятствует свободному наклону оси ротора под действием ветра, что затрудняет ориентацию ротора в воздушном потоке, тем самым снижается КПД работы ветротурбины.

Наиболее близким по техническому уровню и достигаемому результату является ротор ветродвигателя с вертикальной осью вращения (а. с. N 1645600, кл. F 03 D 3/06). Ротор ветродвигателя содержит центральный опорный узел и установленную на нем с помощью горизонтального осевого шарнира траверсу, выполненную в виде коромысла, а профилирующие лопасти имеют общие центры тяжести с соответствующими плечами коромысел и расположены симметрично оси вращения в одной горизонтальной плоскости, размещенной ниже шарнира.

Недостатком данного ротора является расположение лопастей перпендикулярно горизонтальной плоскости и жесткое закрепление их на траверсе, что не обеспечивает раскручивания ротора без принудительного привода при минимальном числе лопастей, образующих цилиндрическую поверхность, приводит к сопротивлению встречного воздушного потока, при использовании варианта работы лопасти и груза происходит поочередное торможение встречным потоком, тем самым снижение КПД работы ротора.

Данный ротор ветродвигателя имеет невысокий технический уровень, что обусловлено конструктивным расположением профилированных лопастей перпендикулярно горизонтальной плоскости, образующих цилиндрическую поверхность, что приводит к сопротивлению встречного воздушного потока и не позволяет использовать всю рабочую поверхность, тем самым снижается КПД работы ротора.

В этой связи важнейшей задачей является создание новой конструкции ротора ветродвигателя, опорный узел которого выполнен в верхней части вала, а в качестве противовеса установлена кольцевая траверса, закрепленная ниже осевого шарнира, ось которого расположена выше центра тяжести ротора, тем самым обеспечивается саморегулирование положения оси ротора при изменении скорости и направления ветра. Введение профилированных лопастей, закрепленных на кольцевой траверсе с наклоном к оси вращения ротора, образующих конусную поверхность при вращении, а ориентируемая ось вращения устанавливается по направлению ветра, тем самым повышается коэффициент использования рабочей поверхности лопастей. Техническим результатом данной конструкции ротора ветродвигателя является создание новой принципиальной схемы ротора с возможностью самоориентации оси вращения ротора посредством осевого шарнира, ось которого расположена выше центра тяжести ротора, тем самым обеспечивается повышение коэффициента использования рабочей поверхности лопастей и повышение удельной мощности ветроустановки. Указанный технический результат достигается тем, что в роторе, содержащем центральный опорный узел, осевой шарнир и профилированные лопасти, в верхней части вала ротора выполнен опорный узел, содержащий кольцевую траверсу в виде противовеса и осевой шарнир, расположенный выше центра тяжести ротора, образующий ось вращения ротора, а профилированные лопасти установлены на кольцевой траверсе, соединенной с опорным узлом через ограничительные демпферы, обеспечивающие предельный угол наклона профилированных лопастей, образующих конусную поверхность вращения.

Создание нового типа ротора ветродвигателя позволяет обеспечить саморегулирование положения оси ротора при изменении скорости и направления ветра и разработать принципиально новую конструкцию узла с кольцевой вращающейся траверсой, имеющей возможность наклона относительно верхней части вала ротора.

Введение профилированных лопастей, закрепленных на кольцевой траверсе с наклоном к оси вращения ротора, позволяет повысить коэффициент использования рабочих поверхностей лопастей, образующих при вращении конусную поверхность с ориентируемой осью вращения ротора.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск патентов и научно-технические источники информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах предложенного решения, позволило установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предложенного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в предложенном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, предложенное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Для проверки соответствия предложенного изобретения требованию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками предложенного изобретения, результаты которого показывают, что предложенное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, предложенное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

Устройство изображено на чертеже, представляющем упрощенный вид ротора ветродвигателя.

Ротор ветродвигателя с вертикальной осью вращения содержит центральный опорный узел 1, расположенный в верхней части вала ветродвигателя 2, имеющего осевой шарнир 3, ось которого расположена выше центра тяжести ротора и образующий ось вращения ротора с возможностью его наклона относительно верхней части вала ротора, и передающий вращающий момент ротора на вал ветродвигателя 2. К опорному валу 1 прикреплена кольцевая траверса 4 посредством осевого шарнира 3, выполненная в виде противовеса и обеспечивающая смещение центра тяжести ротора ниже осевого шарнира, с возможностью самоустанавливания оси вращения ротора. Профилированные лопасти 5, установленные на кольцевой траверсе 3, взаимодействующие с воздушным потоком обеспечивают создание вращающего момента ротора, соединены с опорным узлом 1 через ограничительные демпферы 6, обеспечивающие предельный угол наклона оси ротора. Профилированные лопасти 5, образующие конусную поверхность вращения, посредством осевого шарнира 3 наклоняются в плоскости воздействия силы ветра и обеспечивают ориентацию оси ротора в направлении воздушного потока.

Ротор ветродвигателя работает следующим образом. В исходном положении при отсутствии ветра центральный опорный узел 1 ротора ветродвигателя, расположенные в верхней части вала 2 и осевой шарнир 3 находятся в устойчивом равновесии, благодаря тому, что кольцевая траверса 4, выполненная в виде противовеса, обеспечивает смещение центра тяжести ротора ниже осевого шарнира 3 и расположение оси ротора в исходном вертикальном положении (фиг. 1). Под действием силы ветра происходит наклон оси ротора при повороте осевого шарнира 3 кольцевая траверса 4 наклоняется в плоскости воздействия силы ветра, а вращающиеся профилированные лопасти 5, образующие конусную поверхность вращения, имеют возможность наклона относительно верхней части вала и тем самым обеспечивается ориентация оси ротора в направлении воздушного потока.

При усилении ветра наклон оси ротора увеличивается до предельного угла наклона, который ограничивается демпферами 6. При изменении направления ветра угол наклона оси ротора остается постоянным, а конусная поверхность, образуемая вращающимися лопастями, разворачивается таким образом, что сохраняет свою ориентацию по направлению ветра.

При затихании ветра на ротор не действует отклоняющий момент, а восстанавливающий момент возвращает ротор в исходное положение. Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:
- ротор ветродвигателя с вертикальной осью вращения с возможностью использования в непрерывном режиме работы при изменении направления ветра и обеспечивает повышение коэффициента использования рабочей поверхности лопастей, что позволяет получить новую качественную конструкцию с возможностью наиболее полного использования энергии ветра;
- для предложенного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и предлагаемым чертежом;
- ротор ветродвигателя, воплощенный в предложенном изобретении, при его осуществлении обеспечивает достижение усматриваемого технического результата.

Следовательно, предложенное изобретение соответствует требованиями "промышленного применения".

Изобретение используется в ветроэнергетических установках, работающих в непрерывном режиме при изменении направления ветра. Ротор ветродвигателя с вертикальной осью вращения содержит центральный опорный узел 1, расположенный в верхней части вала ветродвигателя 2, имеющий осевой шарнир 3, ось которого расположена выше центра тяжести ротора. К опорному узлу 1 прикреплена кольцевая траверса 4 в виде противовеса и осевой шарнир 3, образующий ось вращения ротора, а профилированные лопасти 5 установлены на кольцевой траверсе 4, соединенной с опорным узлом через ограничительные демпферы 6, обеспечивающие предельный угол наклона профилированных лопастей, образующих конусную поверхность вращения. Технический результат заключается в создании новой принципиальной схемы ротора с возможностью самоориентации оси вращения ротора посредством осевого шарнира, ось которого расположена выше центра тяжести ротора, тем самым обеспечивается повышение коэффициента использования рабочей поверхности лопастей и повышается мощность ветроустановки. 1 ил.

Ротор ветродвигателя с вертикальной осью вращения, содержащий центральный опорный узел, имеющий осевой шарнир и профилированные лопасти, отличающийся тем, что в верхней части вала ротора выполнен опорный узел, содержащий кольцевую траверсу в виде противовеса и осевой шарнир, ось которого расположена выше центра тяжести ротора, образующий ось вращения ротора, а профилированные лопасти установлены на кольцевой траверсе, соединенной с опорным узлом через ограничительные демпферы, обеспечивающие предельный угол наклона профилированных лопастей, образующих конусную поверхность вращения.