РОТОР ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается роторов ветродвигателей.

Известен многоярусный ветродвигатель, содержащий закрепленные на вертикальном валу лопастные колеса и направляющие аппараты, размещенные вдоль вала коаксиально ему [1].

Известен карусельный ветродвигатель, содержащий вертикальный вал и радиальные лопасти, каждая из которых выполнена в виде прикрепленной к валу рамы и установленных в ней с возможностью поворота относительно горизонтальных осей параллельных пластин [2].

Известен ветродвигатель с вертикальным установленным на подшипниках валом и закрепленным на нем рабочим колесом, которое выполнено составным из аэродинамических профилей, установленных параллельно валу с возможностью поворота вокруг осей. В исходном состоянии аэродинамические профили примыкают один к другому и образуют C-образные лопасти рабочего колеса (ротора) ветродвигателя [4].

Общим недостатком вышеописанных устройств является изменение числа оборотов ротора ветродвигателя в широких пределах, зависящее от силы ветра, и склонность к неограниченному разгону при сильном ветре, что ведет к необходимости создания значительных запасов прочности и их переутяжелению.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство ротора ветродвигателя, содержащее профилированные лопасти с шарнирными тягами, закрепленными кронштейнами на полом вертикальном валу, и регулируемые С-образные лопасти с переменной площадью поверхности. Ротор снабжен стержнем, размещенным в полости вала, последний снабжен продольными прорезями, лопасти ротора выполнены C-образными составными по высоте из верхней неподвижной части с направляющими канавками по наружным кромкам и по меньшей мере одной нижней подвижной части с роликами, размещенными в канавках неподвижной лопасти, причем тяги профилированных лопастей связаны со стержнем, который закреплен за нижнюю часть C-образных подвижных лопастей [3].

Недостатками данного устройства являются:
- наличие двух типов аэродинамических лопастей, профилированных и C-образных, что может привести в условиях восходящих или нисходящих потоков, а также при турбулентности к противоположному эффекту, т.е., когда аэродинамические силы, воздействующие на профилированную лопасть, превысят силы инерции, это может привести не к уменьшению площади C-образных лопастей, а к ее увеличению,
- малый диапазон регулирования. Изменение площади ометаемой поверхности C-образных лопастей происходит не полностью, что в условиях, например, урагана или сильного порыва ветра может привести к разрушению ротора. Не полная регулировка снижает также диапазон скоростей ветра, при котором ротор способен поддерживать постоянные обороты, что снижает эффективность регулирования,
- низкая надежность, т.к. наличие возвратно-поступательно движущихся пар трения делает данное устройство практически не работоспособным в условиях обледенения, при интенсивных осадках в виде снега или высокой запыленности воздуха,
- сложность в изготовлении, обслуживании и ремонте, т.к. изготовление взаимно подвижных лопастей большой площади является практически не выполнимой задачей из-за невозможности предания им достаточной жесткости.

Задачей изобретения является повышение эффективности регулирования ветродвигателя и повышение его надежности, снижение трудоемкости изготовления, обслуживания и ремонта.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в роторе ветродвигателя, содержащем по крайней мере две лопасти C-образного профиля, закрепленные на вертикальном валу, C-образные лопасти закреплены с возможностью поворота на параллельных траверсах, которые жестко связаны с вертикальным валом, причем точка закрепления лопастей находится на оси симметрии лопасти за ее центром тяжести в направлении от вершины C-образного профиля лопасти, которая по крайней мере одной шарнирной тягой связана в одноименных точках с другой лопастью, а каждая из лопастей при помощи кронштейна, жестко связанного с ней, соединена при помощи упругого элемента и натяжной тяги по крайней мере с одной из траверс.

Отличием является также то, что длина кронштейна 1 должна соответствовать соотношению:
1 > (F_max-F_min)•F_max/F_min
где F_max - максимальная деформация упругого элемента;
F_min - минимальная деформация упругого элемента.

Эффективность регулирования повышается вследствие использования C-образных лопастей в качестве регулирующего элемента, полного использования площади ометаемой площади C-образных лопастей, нечувствительности к турбулентности ветрового потока и использование специальных геометрических соотношений в механизме регулирования. Повышение надежности, снижение трудоемкости изготовления, обслуживания и ремонта обусловлено простотой конструкции механизма регулирования.

Ротор ветродвигателя изображен на чертежах, где на фиг. 1 показан главный вид ротора сверху и штрихпунктирной линией предельное положение C-образной лопасти, на фиг.2 показан вид ротора сбоку, на фиг.3 показан натяжной механизм.

Ротор ветродвигателя содержит C-образные лопасти 1 (фиг. 1,4,2), закрепленные с возможностью поворота в шарнирах 2 (фиг.1, фиг.5, фиг.6) на параллельных траверсах 3 (фиг.1, фиг.2), которые жестко связаны с вертикальным валом 4 (фиг. 1, фиг.2), причем точка закрепления лопастей находится на оси симметрии лопасти за ее центром тяжести в точке О на расстоянии а (фиг.1), которая по крайней мере одной шарнирной тягой 5 (фиг.1) связана в одноименных точках при помощи шарнирнов 6 (фиг.7) и 7 (фиг.8-9) с другой лопастью, а каждая из лопастей при помощи кронштейна 8 (фиг.1-3), имеющего длину l, жестко связанного с ней, соединена при помощи упругого элемента 9 (фиг.3) и натяжной тяги 10 (фиг.3) по крайней мере с одной из траверс 3. На лопасти 1 (фиг.1) закреплены балансировочные грузы 11 (фиг.10).

Ротор работает следующим образом.

Под воздействием ветра ротор начинает вращаться и набирает номинальные обороты. При скорости ветра, превышающей расчетную, ротор набирает обороты и лопасти 1 начинают поворачиваться в шарнирах 2 вокруг оси О под воздействием момента от центробежной силы, приложенной в точке Т, преодолевая предварительное натяжение F_min упругого элемента 9, при этом упругий элемент 9 растягивается, препятствуя дальнейшему повороту лопасти. Поскольку лопасти связаны между собой шарнирными тягами 5, то они поворачиваются синхронно, при этом аэродинамические свойства ротора изменяются, при полном повороте лопастей ротор приобретает в пределе вид аэродинамически симметричной фигуры, которая в потоке ветра вообще не может создавать крутящий момент (фиг.1), это предотвращает неорганиченный разгон ротора и его разрушение. Для придания ротору крутой регулировочной характеристики, т.е. малому повороту лопастей должно соответствовать большое изменение аэродинамических свойств, длина кронштейна 8 выбирается такая, чтобы выполнялось соотношение
1 > (F_max-F_min)•F_max/F_min
где F_max - максимальная деформация упругого элемента;
F_min - минимальная деформация упругого элемента.

При этом ротор стабильно поддерживает номинальные обороты.

Предварительное натяжение упругих элементов 9 производится при помощи винтовых тяг 10, а уравновешивание лопастей относительно оси при помощи набора грузов 11.

Предлагаемый ротор ветродвигателя по сравнению с прототипом обеспечивает следующие технико-экономические преимущества.

1. Эффективность регулирования повышается вследствие использования C-образных лопастей в качестве регулирующего элемента, т.е. исключаются дополнительные профилированные лопасти, подверженные воздействию аэродинамических сил неопределенного направления, т. к. в потоке ветра могут иметь место восходящие или нисходящие потоки, а также происходить срыв потока и его турбулентное течение, что ведет к хаотическому изменению аэродинамических сил. Эффективность регулирования также повышается вследствие использования всей ометаемой площади C-образных лопастей, что повышает чувствительность к изменению скорости ветра, а также использование специальных геометрических соотношений в механизме регулирования, что способствует более стабильному подержанию номинальных оборотов, а также предотвращает разрушение ротора при сильном ветре.

2. Повышение надежности, снижение трудоемкости изготовления, обслуживания и ремонта обусловлено простотой конструкции механизма регулирования, из механизма исключены дополнительные профилированные лопасти, пары трения скольжения, направляющие и ролики.

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается роторов ветродвигателей. Технический результат заключается в повышении эффективности регулирования ветродвигателя и его надежности, снижении трудоемкости изготовления, обслуживании и ремонте. Решение поставленной задачи достигается тем, что в роторе ветродвигателя, содержащем по крайней мере две лопасти С-образного профиля закрепленные на вертикальном валу, С-образные лопасти закреплены, с возможностью поворота на параллельных траверсах, которые жестко связаны с вертикальным валом, причем точка закрепления лопастей находится на оси симметрии лопасти за ее центром тяжести в направлении от вершины С-образного профиля лопасти, которая по крайней мере одной шарнирной тягой связана в одноименных точках с другой лопастью, а каждая из лопастей при помощи кронштейна, жестко связанного с ней, соединена при помощи упругого элемента и натяжной тяги по крайней мере с одной из траверс. Отличием является также то, что длина кронштейна l должна соответствовать соотношению: l>(F_max-F_min)•F_max/F_min где F_max - максимальная деформация упругого элемента; F_min - минимальная деформация упругого элемента. 1 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Ротор ветродвигателя, содержащий по крайней мере две лопасти С-образного профиля, закрепленные на вертикальном валу, отличающийся тем, что лопасти закреплены с возможностью поворота на параллельных траверсах, которые жестко связаны с вертикальным валом, причем точка закрепления лопастей находится на оси симметрии лопасти за ее центром тяжести в направлении от вершины С-образного профиля лопасти, которая по крайней мере одной шарнирной тягой связана в одноименных точках с другой лопастью, а каждая из лопастей при помощи кронштейна, жестко связанного с ней, соединена при помощи упругого элемента и натяжной тяги по крайней мере с одной из траверс. 2. Ротор ветродвигателя по п.1, отличающийся тем, что длина кронштейна l должна соответствовать соотношению
l > (F_max - F_min) • F_max / F_min,
где F_max - максимальная деформация упругого элемента;
F_min - минимальная деформация упругого элемента.