ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветроэнергетических установках (ВЭУ) различной мощности.

Известны ветродвигатели, состоящие из вертикально установленного в опоре с возможностью свободного вращения вала и лопастей, способных поворачиваться вокруг своих осей (см. Патент Германии N 3534997 A-1 от 1.10.85 г.). Такие ветродвигатели имеют громоздкую конструкцию и малый КПД.

Более близким по устройству к предлагаемому ветродвигателю является ветродвигатель, содержащий вертикальный вал, установленный в опоре, равноудаленные от вала с возможностью принудительного поворота вокруг своих осей лопасти, кинематически связанные через цепную передачу с ведущей звездочкой, установленной на верхнем конце вала (Европатент N 0008590 от 01.09.78 г. лист 6/12, фиг 12). В таком ветродвигателе на вращение лопастей затрачивается значительная часть мощности, поэтому его КПД довольно низок.

Целью данного изобретения является повышение эффективности и КПД ветродвигателя.

Эта цель достигается тем, что ветродвигатель состоит из двух прямоугольных лопастей удобообтекаемого симметричного профиля, способных, при возможном вращении ветроколеса и неподвижной ведущей звездочке, вращаться вокруг своих осей, параллельных оси вала, в сторону, противоположную вращению вала, с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости вращения вала, причем ширина лопасти равна удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопасти, а угол между плоскостями лопастей составляет 90^o, имеются две одинаковые, соединенные вместе, ведущие звездочки и каждая из них кинематически связана через цепную передачу только с одной лопастью, к тому же ведущие звездочки соединены с флюгером и угол, заключенный между плоскостью флюгера и плоскостью лопасти, в момент ее возможного совпадения с осью вала, составляет 90^o.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображен ветродвигатель, вид спереди; на фиг. 2 - вид сбоку на флюгер, вид Б; на фиг. 3 - вид сверху, вид А; на фиг. 4 - разрез А-А; на фиг. 5 - разрез А-А повернут вокруг оси вала на 90^o.

Ветродвигатель состоит из вертикально установленного в опоре 1 с возможностью свободного вращения вала 2, двух прямоугольных удобообтекаемого симметричного профиля лопастей 3, равноудаленных от вала и установленных своими полуосями 4 и 5 на концах верхних 6, 7 водил, которые закреплены на валу 2. Лопасти могут вращаться вокруг своих осей, параллельных оси вала, а их ширина d равна удвоенному расстоянию d'' от кромки вала до оси вращения лопасти, т. е. d=2d'' (фиг. 1). Каждая лопасть кинематически связана со своей ведущей звездочкой 8 через цепную передачу 9 и ведомую звездочку 10, закрепленную на полуоси 4 (фиг. 1-3). Число зубьев ведущей звездочки в два раза меньше числа зубьев звездочки 10. Две одинаковые звездочки 8 закреплены на общем трубчатом валу 11, сидящем на оси 12 и соединенном с флюгером 13. Ось 12 является верхним концом вала 2. Лопасти выставлены относительно флюгера так, что угол, заключенный между плоскостью флюгера и плоскостью лопасти, в момент совпадения ее с осью вала, равен 90^o (фиг. 3), а угол между плоскостями лопастей составляет 90^o.

Ветродвигатель работает следующим образом.

При наличии ветра, как показано стрелками (фиг. 4 и 5), флюгер, устанавливаясь по ветру, поворачивает обе лопасти в рабочее положение на ветер. Под воздействием ветра на лопасти ветроколесо с валом 2 будут вращаться. Будут вращаться вокруг своих осей и лопасти с угловой скоростью, в два раза меньшей, чем вал, и в сторону, противоположную валу. Для определения мощности на валу ветродвигателя составлен график изменения мощности, передаваемой на вал лопастями за один полный оборот вала. Как видно из фиг. 4 и 5, каждая лопасть, обладая максимальной площадью рабочей поверхности и свойством парусности, передает на вал определенную мощность во всех точках окружности с радиусом R, кроме точки K, где лопасти принимают положение, параллельное ветру, оказывая ему минимальное сопротивление. В начале оборота, когда лопасть перпендикулярна ветру (фиг. 4, точка H), она передает на вал всю энергию прямого удара ветрового потока сечением, равным площади рабочей поверхности лопасти, т.е. передает на вал максимальную мощность N_м, равную кВт (см. фиг. 6), где C - коэффициент передачи мощности лопастью на вал (он равен C = sin²C = sin²α,, где α - угол поворота лопасти к ветру); γ - объемный вес воздуха в кг/м³; F - площадь рабочей поверхности лопасти в м²; v - скорость ветра в м/сек; g = 9,81. Когда лопасть перпендикулярна ветру C=1. Под другими углами лопасти к ветру C будет уменьшаться и при повороте вала на 180^o = 0. Пропорционально C будет меняться и мощность, передаваемая на вал лопастью. Кривая 1 показывает изменение мощности, передаваемой на вал одной лопастью за один оборот вала (см. фиг. 6). Кривая 2 показывает изменение мощности, передаваемой на вал другой лопастью. Суммарная мощность, передаваемая на вал двумя лопастями за один оборот вала, будет постоянной мощностью N на валу данного ветродвигателя, т.е. кВт. Потеря мощности на вращение лопастей вокруг своих осей здесь будет незначительной и в расчет не берется, т.к. при вращении ветроколеса лопасти сами могут вращаться против вала под воздействием окружающего их воздушного потока. Флюгер лишь сохраняет лопастям свойство парусности при меняющемся ветре.

Число оборотов n вала под нагрузкой: об/с, где π = 3,14.

При определении КПД данного ветродвигателя нужно учесть, что площадь наибольшего сечения ветроколеса, перпендикулярного ветру (миделево сечение, фиг. 1), равна 1,5 площади лопасти, без учета площади продольного сечения вала и водил. Но этот ветродвигатель полностью улавливает энергию воздушного потока сечением, равным площади лопасти (см. выше). Тогда отношение площади лопасти к миделеву сечению ветроколеса есть КПД, т.е. 1/1,5 = 0,666... Округляя это число с учетом площади продольного сечения вала и водил, получим КПД данного ветродвигателя не ниже 0,63. При использовании в таком ветродвигателе трех подобных лопастей его КПД может возрасти до 0,8.

Существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является то, что ветродвигатель имеет прямоугольные лопасти удобообтекаемого профиля и шириной, равной удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопасти, к тому же лопасти обладают парусностью за счет вращения их вокруг своих осей с угловой скоростью, в два раза меньшей чем вал, в направлении против вала и имеют кинематическую связь с флюгером.

Преимуществом предлагаемой конструкции является простота и компактность устройства и повышенный КПД.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветроэнергетических установках различной мощности. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности, КПД ветродвигателя, достигается за счет того, что ветродвигатель, состоящий из вертикально установленного в опоре с возможностью свободного вращения вала и равноудаленных от вала с возможностью поворота вокруг своих осей лопастей, кинематически связанных с ведущей звездочкой через цепную передачу, согласно изобретению, состоит из двух прямоугольных удобообтекаемого профиля лопастей, способных, при возможном вращении вала и неподвижной ведущей звездочке, вращаться вокруг своих осей, параллельных оси вала, с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости вращения вала и направленной в сторону, противоположную вращению вала, причем ширина лопасти равна удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопасти, и угол, заключенный между плоскостями лопастей, равен 90°. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Ветродвигатель, состоящий из вертикально установленного в опоре с возможностью свободного вращения вала и равноудаленных от вала с возможностью поворота вокруг своих осей лопастей, кинематически связанных с ведущей звездочкой через цепную передачу, отличающийся тем, что ветродвигатель состоит из двух прямоугольных удобообтекаемого профиля лопастей, способных, при возможном вращении вала и неподвижной ведущей звездочке, вращаться вокруг своих осей, параллельных оси вала, с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости вращения вала и направленной в сторону, противоположную вращению вала, причем ширина лопасти равна удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопасти и угол, заключенный между плоскостями лопастей, равен 90^o. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что ветродвигатель имеет две одинаковые соединенные вместе ведущие звездочки и каждая из них кинематически связана через цепную передачу только с одной лопастью. 3. Ветродвигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ведущие звездочки соединены с флюгером и угол, заключенный между плоскостью флюгера и плоскостью лопасти в момент ее возможного совпадения с осью вала, составляет 90^o.