ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к устройствам для использования энергии ветра путем преобразования ее в другие виды энергии.

Известны ветродвигатели карусельного типа, содержащие вертикальные поворотные лопасти с механизмом их поворота (а.с. СССР N 1486623, МКИ F 03 D 3/06; N 1483081, МКИ F 03 D 3/02; МКИ F 03 D 7/06, 3/02 и др.). Эти конструкции содержат согласно описаниям много открытых кинематических передач, мелких деталей и механизм ориентации лопастей относительно направления ветра, что не может гарантировать надежную и длительную их работу, особенно в период дождей и снегопадов.

Известен ветродвигатель карусельного типа, содержащий несколько (не менее двух) роторов Савониуса, состоящих каждый из двух полуцилиндров, закрепленных на осях с возможностью их поворота (пат. SU 19164 A, кл. F 03 D 7/06, 1931 г.).

По принципу действия этот ветродвигатель близок к предлагаемому и принят в качестве прототипа. Для работы прототипа необходимо иметь устройство для оптимальной ориентации его относительно направления ветра.

Недостатком прототипа является наличие этого устройства и необходимость ориентировать лопасти относительно ветра. Это усложняет конструкцию ветродвигателя и уменьшает надежность его работы.

Известно, что такой ветродвигатель начинает работать при скорости ветра более трех метров в секунду, что препятствует его использованию в местностях с преобладанием слабых ветров.

Целью создания изобретения является упрощение конструкции ветродвигателя и повышение надежности его работы. Еще одной целью является увеличение степени использования энергии ветра.

Эти и другие цели достигаются тем, что в ветродвигателе, содержащем не менее двух лопастей в виде роторов Савониуса, состоящих каждый из двух полуцилиндров, закрепленных на осях с возможностью их поворота, согласно изобретению двигатель дополнительно содержит остов, роторы Савониуса установлены на поворотной платформе с вертикальным валом, а их оси кинематически соединены с остовом ветродвигателя, причем оси каждого из полуцилиндров расположены в центре их тяжести, а каждый из полуцилиндров снабжен грузом, закрепленным на его поверхности.

Возможный вариант исполнения ветродвигателя поясняется чертежами, на которых изображены на фиг. 1 - вид на ветродвигатель в аксонометрии; на фиг. 2 - вид сбоку на поворотные лопасти ветродвигателя; на фиг. 3 - сечение по оси А-А платформы; на фиг. 4 - вид сверху на ветродвигатель; на фиг. 5 - сечение по одному из роторов.

Ветродвигатель (фиг. 1-5) содержит лопасти 1, 2 и 3 (количество лопастей может быть и иным), установленные на вертикальных осях 4 на платформе 5. Каждая из лопастей 1, 2 и 3 выполнена в виде ротора Савониуса, состоящего из двух полуцилиндров 6 и 7, относительное расположение которых изображено на фиг. 4 и 5. Полуцилиндры 6 и 7 снабжены для жесткости поперечинами 8 и 9.

Платформа 5 закреплена на вертикальном валу 10, установленном в подшипниках (не показаны) остова 11. На осях 4 закреплены шестерни 12, которые посредством сателлитов 13 соединяют все лопасти кинематически с центральной шестерней 14, жестко закрепленной на остове 11.

Полуцилиндры 6 и 7 (фиг. 5) установлены на осях 15 и 16, закрепленных на кронштейнах 17 и расположенных в центре тяжести каждого из полуцилиндров, и снабжены грузами 18 и 19, закрепленными на поверхностях полуцилиндров 6 и 7. Кронштейны 17 закреплены на осях 4. Поперечины 8 и 9 соединены друг с другом шатуном 20, расстояние между осями 21 и 22 которого равно расстоянию между осями 15 и 16, так что элементы 8, 9, 17 и 20 образуют в совокупности шарнирный параллелограмм. Кронштейн 17 и поперечина 9 связаны между собой пружиной 23.

Ветродвигатель работает следующим образом.

Воздействующий на каждую из лопастей 1, 2 и 3 ветер, независимо от его направления, создает на роторах Савониуса, из которых состоят эти лопасти, крутящий момент M1. Шестерни 12, 13 и 14 передают этот момент остову 11 ветродвигателя, из-за чего на платформе 5 возникает реактивный момент М2, вращающий вал 10. Вращение вала 10 может быть использовано для передачи энергии любому из возможных потребителей.

Оси 4 каждого из роторов Савониуса при вращении платформы 5 движутся по окружности В. На половине этой окружности каждый ротор Савониуса движется навстречу ветру, на другой ее половине - по ветру.

Известно, что развиваемая ротором Савониуса мощность пропорциональна кубу скорости ветра относительно ротора (Шефгер Я.И. Использование энергии ветра, - М.: Энергоиздат, 1983), то есть
N=k•(V_в+/-V_р)³,
где N - мощность, развиваемая ротором Савониуса;
V_в - скорость ветра;
V_р - скорость оси 4 ротора Савониуса навстречу (+) или по (-) ветру;
k - коэффициент пропорциональности.

Можно доказать, что на участках движения оси 4, для которых скорости V_в и V_р складываются, мощность возрастает на несколько большую величину, чем уменьшение мощности на участках, на которых эти скорости вычитаются, а выигрыш в развиваемой мощности по сравнению с неподвижной осью 4 равен
N=3•k•V_в•V_р ²,
то есть установка осей 4 роторов Савониуса на вращающейся платформе 5 позволяет увеличить степень использования энергии ветра ветродвигателем.

Скорость ветра, как известно, величина, значительно изменяющаяся во времени. Наиболее выгодной для потребителя будет такая работа ветродвигателя, когда он будет работоспособен в широком диапазоне изменения скорости ветра (от 1,5 - 2 м/с до 30 - 35 м/с, а не 5 - 25 м/с, как сейчас).

Это обеспечивается предлагаемой конструкцией, так как при слабом ветре мощность его мала, обороты ротора уменьшаются, и пружина 23, сокращаясь, переводит полуцилиндры 6 и 7 из основного рабочего положения, показанного на фиг. 5 двойными сплошными линиями, в положение, изображенное там же тонкими линиями.

Полуцилиндры 6 и 7 ротора при его вращении в этом случае ометают площадь, определяемую произведением высоты ротора H (фиг. 2) на диаметр D1 (фиг. 5). По мере усиления ветра скорость вращения ротора относительно его оси 10 увеличивается, увеличивается и центробежная сила, развиваемая грузами 18 и 19. Преодолевая сопротивление пружины 23, эта сила поворачивает полуцилиндры 6 и 7 и при номинальной скорости ветра, на работу при которой рассчитан ветродвигатель, переводит их в положение, определяемое диаметром D2.

При чрезмерном усилении ветра скорость вращения роторов растет, центробежная сила от грузов 18 и 19 еще больше увеличивается, переводя полуцилиндры 6 и 7 в положение, определяемое диаметром D3. Ветровая нагрузка на ротор при этом существенно уменьшается, так как общая конфигурация ротора приближается к форме цилиндра.

Изобретение относится к устройствам для использования энергии ветра путем преобразования ее в другие виды энергии. Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции ветродвигателя, повышении надежности его работы и увеличении степени использования энергии ветра, достигается за счет того, что в ветродвигателе, содержащем не менее двух лопастей в виде роторов Савониуса, состоящих каждый из двух полуцилиндров, установленных на осях с возможностью их поворота, двигатель дополнительно содержит остов, роторы Савониуса установлены на поворотной платформе с вертикальным валом, а их оси кинематически соединены с остовом ветродвигателя. Причем оси каждого из полуцилиндров расположены в центре их тяжести, а каждый из полуцилиндров оснащен грузом, закрепленным на его поверхности. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Ветродвигатель, содержащий не менее двух лопастей в виде роторов Савониуса, состоящих каждый из двух полуцилиндров, закрепленных на осях с возможностью их поворота, отличающийся тем, что двигатель дополнительно содержит остов, роторы Савониуса установлены на поворотной платформе с вертикальным валом, а их оси кинематически соединены с остовом ветродвигателя. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что оси каждого из полуцилиндров расположены в их центре тяжести, причем каждый из полуцилиндров оснащен грузом, закрепленным на его поверхности.