ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии текучей среды и может быть использовано в ветроэлектрогенераторах.

Ветряной двигатель является одним из самых распространенных в мире, начиная с конца XV века. Человек научился использовать дешевую природную силу ветра, изобрел ветряной двигатель-мельницу, электростанцию, преобразующую силу горизонтальной составляющей скорости ветра во вращательное движение вала двигателя. Однако из-за малого коэффициента полезного действия (КПД) и изобретением других более совершенных двигателей-преобразователей энергии с большим КПД, ветряные двигатели не получили широкого распространения даже в регионах, в которых общая продолжительность сезона ветров в году составляет не менее 60%.

Известен ветродвигатель, который может быть указан в качестве прототипа, содержащий вертикальный вал и связанные с ним лопасти, выполненные в виде тонкостенных панелей с внутренними лопастями, в одной из стенок панелей выполнены поперечные разрезы. Кроме того ветродвигатель снабжен установленными на вертикальном валу фасонными ограничителями изгиба лопастей с формой, эквивалентной кривой изгиба лопасти /1/.

Недостатком прототипа является сравнительно низкий КПД, вызванный тем, что полезная площадь лопасти зависит от угла наклона его относительно направления ветра и пропорционально cos ϕ, где ϕ меняется в пределах от 0 до 180^o градусов.

Известен ветродвигатель /2/, содержащий вертикальный вал, вертикальные лопасти, флюгер и механизм регулирования.

Этот ветродвигатель может быть указан в качестве прототипа.

Недостатком этого ветродвигателя является то, что скорость вращения зависит от скорости ветра.

Целью изобретения является синхронизация скорости вращения ветродвигателя. Поставленная цель достигается тем, что в ветродвигатель, содержащий вертикальный вал, закрепленный на валу диск, плоские вертикальные лопасти, установленные на диске с возможностью поворота относительно их вертикальных осей, флюгер, размещенная кооксально валу поворотная платформа, нижние и верхние магниты, взаимодействующие друг с другом, введен новый механизм регулирования.

В отличие от прототипа механизм регулирования снабжен центробежным регулятором скорости вращения с ползуном, клином, пластиной. Пластина установлена на платформе с возможностью линейного перемещения в направлении, перпендикулярном плоскости флюгера.

Ползунок центробежного регулятора связан с пластиной через клин. Нижние магниты установлены на платформе перпендикулярно к диаметральной плоскости, совпадающей с плоскостью флюгера, с возможностью поворота относительно своих вертикальных осей. Верхние магниты установлены параллельно боковым поверхностям лопастей.

Проведенный сопоставительный анализ существующих конструкций ветродвигателей показал, что приведенные в данном техническом решении признаки не использовались в известных конструкциях и потому являются существенными.

Принцип работы ветродвигателя поясняется рисунками на фиг. 1 - 5.

На фиг. 1 приводится вид с боку ветродвигателя в сечении А:А, где:
1 - вертикальный вал;
2 - диск;
3 - плоские лопасти;
4 - вертикальные оси;
5 - флюгер;
6 - центробежный регулятор скорости вращения;
7 - ползун;
8 - клин;
9 - пластина;
10 - поворотная платформа;
11 - верхние магниты;
12 - нижние магниты;
13 - пружина;
14 - упорная шайба;
15 - основание (неподвижная платформа).

На фиг. 2 приведен вид двигателя сверху.

На фиг. 3 приведена конструкция пластины 9 и поворотной платформы 10 в разрезе,
16 - оси поворота нижних магнитов;
17 - штифты для взаимодействия с нижними магнитами.

На фиг. 4 приведен вид поворотной платформы сверху с установленными на ней нижними магнитами 12:
18 - паз для клина 8;
19 - направляющие пластины, взаимодействующие с пластиной 9;
20 - пружина.

На фиг. 5 приведен вид на пластину 9 сверху:
21 - пазы для взаимодействия с направляющими пластинами 19.

Ветродвигатель работает следующим образом. Неподвижная платформа 15 представляет собой стойку, обеспечивающую необходимую высоту расположения ветродвигателя для эффективной и безопасной его работы. Вертикальный вал 1 шарнирно связан с неподвижной платформой 15. Диск 2 установлен на валу 1 неподвижно. Это может быть обеспечено с помощью шпонки, штифта или шлицевого их соединения. Таким образом, диск 2 и связанный с ним вал 1, вращаются относительно неподвижной платформы 15.

По периферии диска 2 по кругу, концентричному валу на одинаковом расстоянии друг от друга устанавливают не менее трех плоских лопастей 3. На фиг. 1 ветродвигатель имеет шесть лопастей, установленные через 360^o/N = 60 градусов, где N - число лопастей. Каждая из лопастей имеет вертикальную ось вращения 4, закрепленная к ней неподвижно и симметрично ее поверхности. Оси лопастей 4 шарнирно соединены с диском 2 так, чтобы они были параллельны друг другу и валу 2 ветродвигателя.

Так как плоскость каждой из лопастей их осями делятся на две симметричные части с одинаковыми площадями, то моменты вращения, создаваемые двумя половинками лопастей относительно своих осей равны. При этом лопасти могут быть ориентированы относительно направления течения ветра произвольно.

Для ориентации лопастей в необходимом направлении относительно направления течения ветра используются магниты.

Для этого каждая лопасть снабжена верхним магнитом 11, закрепленным на оси лопасти у корневой части. При этом полюса магнитов S-N ориентированы вдоль (или перпендикулярно) плоскостей лопастей 3.

Кроме того, устройство снабжено поворотной платформой 10 неподвижно связанную с указателем направления течения ветра 5 (например, флюгером). Поворотная платформа 10 при изменении направления течения ветра вращается вокруг вала 1 относительно неподвижной платформы 15. На подвижной платформе 10 со стороны диска 2 вдоль окружности, по которой вращаются оси лопастей 4 установлены нижние магниты 12 (см. фиг. 3, 4). Причем, полюса магнитов N-S, расположенные на подвижной платформе, на участке равной половине окружности ориентированы в одном направлении совпадающем с полюсами магнитов, закрепленных на осях лопастей. На остальном (втором) участке магниты ориентированы в направлении, перпендикулярном к первому. Граница раздела этих участков совпадает с указателем направления течения ветра (флюгера) (см. фиг. 4).

При этом левый участок (см. фиг. 2) соответствует активному полупериоду вращения лопасти вокруг вала 1, когда его плоскость перпендикулярна направлению течения ветра.

На границе раздела активного и пассивного участков момент вращения, создаваемый лопастью из-за малого плеча равен нулю.

При взаимодействии верхних магнитов, жестко закрепленных на осях лопастей, с нижними магнитами, закрепленных на подвижной платформе, происходит изменение ориентации лопастей относительно направления ветра. При этом, при слабом ветре на активном участке (на фиг. 1 и 3 - левая половина) лопасти устанавливаются перпендикулярно направлению ветра. На всем активном участке, при вращении лопасти совместно с корпусом и валом, положение лопасти относительно корпуса постоянно корректируются с помощью магнитов и придерживается перпендикулярно направлению ветра.

Как только ось лопасти 4 и закрепленный с ней верхний магнит 11 доходит до пассивного участка (на фиг. 1 и 3 - правая половина) в следствие взаимодействия с нижними магнитами лопасть меняет свою ориентацию на 90^o и становится вдоль направления течения ветра.

При вращении лопасти совместно с диском 2 в пределах пассивного участка ориентация лопасти придерживается постоянным - перпендикулярном направлению лопасти ветра.

Таким образом, при слабом ветре каждая из лопастей относительно направления ветра принимает положение перпендикулярно - на активном участке; вдоль - на пассивном участке.

В каждый момент времени из шести лопастей три лопасти (на фиг. 1 - левые) находятся в рабочем положении, а остальные три - в холостом (правые).

Так как лопасти в рабочем положении постоянно сохраняют ориентацию, перпендикулярную направлению ветра, то сила, создаваемая за счет давления ветра на поверхности лопасти, не меняется при вращении корпуса ветродвигателя. Этим обеспечивается повышение КПД двигателя при слабых скоростях ветра.

Для стабилизации скорости вращения вала 1 двигателя используется центробежный регулятор скорости вращения 6. При повышении скорости вращения вала выше номинальной, ползун 7 опускается вниз. Скорость, при которой расходятся грузы центробежного регулятора определяется их массой и размерами плеч регулятора. Ползун тянет вниз за собою клин 8. Клин, в свою очередь, смещает пластину 9 в горизонтальном положении относительно поворотной платформы 10. На фиг. 3 показан разрез А-А поворотной платформы 10 и пластины 9, вид сверху, на которых приведены соответственно на фиг. 4 и 5. Для линейного смещения пластины используются направляющие пластины 19, закрепленные неподвижно на поворотной платформе снизу.

Указанные направляющие 19 ходят по пазу 21 пластины 9. Паз 18 служит для установки клина 8. Пружина 20 возвращает пластину 9 в крайне левое положение и постоянно прижимает пластину к клину. Таким образом, перемещение клина вверх-вниз преобразуется в пропорциональное перемещение пластины влево-вправо. Упорная шайба 14 фиксирует горизонтальное положение пластины 9 и поворотной платформы 10. На поворотной платформе вдоль окружности, по которой вращаются корневые части лопастей установлены нижние магниты 12 с возможностью поворота.

Каждый из этих магнитов имеет свою ось поворота 16 и отверстие, в которой неподвижно установлены штифты 17. Свободные концы штифтов входят в позы 20 пластины 9. При смещении пластины вправо штифты 17 поворачивают каждую из нижних магнитов вокруг осей 16 против часовой стрелки (см. фиг. 4).

На левой половине поворотной платформы относительно диаметральной плоскости, совпадающей с плоскостью флюгера, направление N-S нижних магнитов 16 - перпендикулярно, а на правой половине - совпадает с плоскостью флюгера.

При повышении скорости вращения вала, пластина 9 взаимодействует через пазы 20 на штифты 17, поворачивает вокруг своих осей 16 нижние магниты 12. Ориентация направления N-S верхних магнитов 11 совпадает с плоскостью лопастей 3.

Взаимодействие нижних и верхних магнитов при их относительном движении приводит к изменению ориентации лопастей.

Если при слабом ветре ориентация плоскости лопастей на левой половине поворотной платформы перпендикулярны, на правой половине совпадают с плоскостью флюгера, т.е. направлением течения ветра.

При повышении скорости ветра скорость вращения вала 1 увеличивается. Центробежный регулятор скорости вращения 6 через клин 8 и пластину 9 изменяет положение нижних магнитов на угол, менее 45^o. Это в свою очередь изменяет положение лопастей относительно направления ветра. Эффективная площадь лопастей на левой половине поворотной платформы, создающий момент вращения вала, уменьшается. На левой половине площадь лопасти, создающий отрицательный момент, увеличивается. Это приведет к уменьшению скорости вращения вала.

Таким образом, установится динамическое равновесие и скорость вращения вала стабилизируется.

Если повернуть нижние магниты на 45^o относительно направления ветра, то эффективная площадь лопастей на левой и правой половинах платформы будут одинаковые, положительный и отрицательный моменты вращения будут равны друг другу и двигатель вообще не будет вращаться. Такого случая не может быть, т. е. при малой скорости вращения вала, центробежный регулятор вращения ставит клин в крайне верхнее положение и нижние магниты правой и левой половин платформы ориентированы взаимно перпендикулярно (см. фиг. 4). Это обеспечивает максимальный момент вращения, создаваемый давлением ветра на плоскость лопастей левой половины.

Синхронность вращения выходного вала ветродвигателя позволит создать на его основе ветроэнергетическую систему с постоянными напряжением и частотой.

Источники информации
1. Вавилов В. Д., Вавилов А.Д., Вавилов И.В. Ветродвигатель. АС СССР N 1962518, кл. F 03 D 3/00.

2. US 4052134, кл. F 03 D 7/06, 04.10.77 Ветряной двигатель (прототип).

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии текучей среды и может быть использовано в ветроэлектрогенераторах. Технический результат, заключающийся в синхронизации скорости вращения ветродвигателя, достигается за счет того, что в ветродвигателе, содержащем вертикальный вал, вертикальные лопасти, флюгер и механизм регулирования, согласно изобретению на валу закреплен диск, лопасти выполнены плоскими и установлены на диске с возможностью поворота относительно их вертикальных осей, на корневых частях которых закреплены верхние магниты, взаимодействующие с нижними магнитами, размещенными на поворотной платформе, связанной с флюгером, а механизм регулирования снабжен центробежным регулятором скорости вращения с ползуном, клином и пластиной, взаимодействующими друг с другом, при этом пластина установлена на платформе с возможностью линейного перемещения в направлении, перпендикулярном плоскости флюгера, ползунок центробежного регулятора связан через клин с пластиной, взаимодействующей с нижними магнитами, установленными с возможностью поворота относительно своих вертикальных осей. 5 ил.

Ветродвигатель, содержащий вертикальный вал, вертикальные лопасти, флюгер и механизм регулирования, отличающийся тем, что на валу закреплен диск, лопасти выполнены плоскими и установлены на диске с возможностью поворота относительно их вертикальных осей, на корневых частях которых закреплены верхние магниты, взаимодействующие с нижними магнитами, размещенными на поворотной платформе, связанной с флюгером, а механизм регулирования снабжен центробежным регулятором скорости вращения с ползуном, клином и пластиной, взаимодействующими друг с другом, при этом пластина установлена на платформе с возможностью линейного перемещения в направлении, перпендикулярном плоскости флюгера, ползунок центробежного регулятора связан через клин с пластиной, взаимодействующей с нижними магнитами, установленными с возможностью поворота относительно своих вертикальных осей.