РОТОРНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к экологически чистой ветроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии или выполнения механической работы, например для создания электростанций в труднодоступных районах или местах, где преобладают постоянные ветры.

Поиск источников энергии интересует человечество с давних пор. В последние десятилетия возродился интерес к экологически чистым и ресурсосберегающим установкам, использующим энергию естественных природных сил - ветра и воды. На суше и на море широко используются ветровые и волновые двигатели, использующие силу ветра и энергию морских течений и приливов.

Известно множество разновидностей ветродвигателей: с горизонтальной (например, карусельные, барабанные) или с вертикальной (крыльчатые, роторные) осью вращения, с плоской формой вращающихся ветроприемных частей или в виде различных криволинейных поверхностей. Основной частью любого из таких ветродвигателей является ветроприемное устройство, непосредственно подверженное действию воздушного или водяного потока и преобразующее кинетическую энергию этого потока в механическую работу. В роторных ветродвигателях ветроприемным устройством являются лопасти, имеющие различную форму.

Например, известна роторная ветроэнергетическая установка (патент РФ 2130127, МПК F 03 D 7/02, 04.03.1998) с горизонтальным валом отбора мощности, ветровое колесо которой имеет смонтированные посредством радиальных несущих опор радиально расположенные конусообразные роторы с концевыми диафрагмами ∫-образного профиля. При этом конусы роторов обращены большими основаниями к валу отбора мощности, а меньшими основаниями - к периферии ротора и выполнены с углом конусности в пределах 2-4^o. Кроме того, ротор разделен на части дополнительной разделительной диафрагмой, расположенной на теле ротора между концевыми диафрагмами. Части ротора выполнены с возможностью автономного вращения вокруг продольной оси ротора и друг относительно друга и имеют различные углы конусности, величина которых уменьшается от центра ветрового колеса к периферии ротора, что позволяет повысить коэффициент использования ветрового потока.

Особенностью данной конструкции является большая общая площадь установки и сложность передачи мощности к исполнительным механизмам.

Известен роторный ветродвигатель, содержащий установленный на вертикальном валу ротор, размещенный в корпусе (патент РФ 2118703, МПК F 03 D 3/00, 1998). Ротор выполнен с двумя крыльями в форме двух полуцилиндров, смещенных друг относительно друга на расстояние не меньшее, чем величина их радиуса, и жесткозакрепленных между верхним и нижним дисками. Крылья ротора выполнены с продувными закрылками в форме вогнутых пластин, а корпус снабжен створками для входа и выхода воздушного потока и направления его на крылья ротора и выполнен в виде диффузора. В данном изобретении решается задача создания простой и надежной конструкции ветродвигателя с использованием легких материалов - фанеры, пластмассы, текстолита, тонколистового металла. Однако данная конструкция отличается низкой устойчивостью к сильным порывам ветра и ураганам, а также мало пригодна для серийного производства.

В изобретении по патенту РФ 2169857, МПК F 03 D 3/02, 21.03.2000, также предлагается вариант ветряного агрегата с упрощенной конструкцией, в котором на неподвижном центральном валу размещен подвижный каркас с плоскими рабочими лопастями. Над каждой рабочей лопастью при посредстве планетарного зубчатого редуктора установлен флюгер, ось которого укреплена с возможностью поворота в корпусе редуктора. При этом центральный вал выполнен в виде ресивера для закачки в него сжатого воздуха от установленного на агрегате компрессора. Эта конструкция также отличается громоздкостью и низкой устойчивостью к сильным порывам ветра.

Общим недостатком аналогов является необходимость значительного начального стартового момента, что уменьшает КПД ветродвигателей. Как следствие, это вызывает импульсивность их работы, что отрицательно сказывается на приводимых механизмах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению можно считать роторный ветродвигатель с ротором Савониуса (Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. - 1967, стр. 18, 19).

Агрегат представляет собой каркас, в котором размещена система из четырех попарно соосных полуцилиндров, установленных на горизонтальные диски. Для повышения эффективности работы ветродвигателя вся конструкция поднята на высокую мачту, на которой предусмотрена специальная площадка для обслуживающего персонала. Приводимые механизмы размещаются на земле, в створе между опорами мачты.

Недостатками прототипа являются:
- неравномерная работа ротора при разных скоростях и направлениях ветра и как следствие большой стартовый момент при запуске ветродвигателя;
- необходимость учета рельефа местности - для работы ветродвигателя предпочтителен рельеф с постоянным и прямым потоком воздушных масс;
- низкое сопротивление конструкции к сильным порывам ветра и ураганным ветрам, которые могут привести к ее разрушению вследствие общей громоздкости конструкции;
- сложность технического обслуживания, связанная с необходимостью подъема на мачту.

Задача предлагаемого решения - повышение эффективности ветродвигателя.

Для решения поставленной задачи предлагается конструкция роторного ветродвигателя, содержащего каркас, закрепленный на нем с помощью подшипников вал и рабочие лопасти, соединенные с валом с возможностью вращения с ним, причем рабочие лопасти выполнены в виде пластин с переменной толщиной и шириной, которые в вертикальной плоскости изогнуты по спирали, а в горизонтальной - изогнуты по дуге.

Для крепления к центральному валу и передачи мощности на вал рабочие лопасти ротора соединяются с валом и фиксируются друг относительно друга с помощью коромысел и стяжек. Такое крепление лопастей ротора не перекрывает канал перемещения воздушных масс, что уменьшает гидравлическое сопротивление ветродвигателя в целом.

Рабочие лопасти ротора предлагается выполнять изогнутой формы так, чтобы угол подъема наружной кромки лопастей α (так называемый угол атаки) составлял от 0 до 180^o. Это позволит обеспечить подъем воздушных масс от нижнего основания конструкции вверх и поступление новых воздушных масс независимо от условий местности, в которой устанавливается двигатель, и приведет к увеличению скорости вращения лопастей. Для увеличения рабочей площади ветроприемных поверхностей, а также для удобства транспортировки рабочие лопасти ротора могут быть выполнены сборными.

Предлагаемое конструктивное решение обеспечивает равномерность работы ветродвигателя и резко повышает его эффективность при любой скорости ветра. Изогнутая во всех направлениях форма ветроприемных лопастей образует постоянную рабочую поверхность, обращенную к потоку воздуха независимо от направления его движения, и значительно снижает уровень стартового момента для запуска ветродвигателя. Кроме того, предлагаемая форма рабочих лопастей ротора обеспечивает работу двигателя и с восходящими, и с нисходящими потоками воздуха, повышая тем самым его КПД и эффективность использования в целом.

Заявляемый роторный ветродвигатель показан на чертежах.

На фиг.1 изображен общий вид ветродвигателя, на фиг.2 - лопасти ротора в сечениях, на фиг. 3 - крепление лопастей ротора к валу, на фиг.4 - принцип взаимодействия лопастей ротора с ветровым потоком, на фиг.5 - вариант конструкции ротора при использовании его в водном потоке в качестве гидродвигателя.

Предлагаемый ветродвигатель состоит из размещенного внутри каркаса 1 ротора 2, который установлен на валу 3 с возможностью вращения при помощи подшипниковых узлов 4 и 5 (фиг.1). Рабочие лопасти 6 и 7 ротора 2 выполнены с переменным сечением и шириной и спирально изогнуты по вертикали и по дуге - по горизонтали. С валом 3 лопасти 6 и 7 жестко соединены посредством коромысел 8 и стяжек 9 (фиг.1-3).

Каркас 1 смонтирован из стоек 10 и планок 11. Стойки 10 укрепляются в сваях 12, которые встраиваются в бетон, грунт и т.п., обеспечивая тем самым крепление всей конструкции ветродвигателя.

Для отбора мощности предусмотрен второй вал 13, который установлен концентрично валу 3 в подшипниковых узлах 14 и 15. На валу 13 могут быть смонтированы, например, маховик 16 энергоаккумулятора с храповым механизмом 17, электрогенератор 18, а также другие потребители механической энергии 19, кинематически связанные ременной, цепной или другой передачей 20 с валом 13.

Описываемый ветродвигатель может быть использован не только при работе с воздушными потоками, но и в воде. При этом установлен он может быть как вертикально, так и горизонтально (фиг.5).

Ветродвигатель работает следующим образом.

Поток движущегося воздуха (фиг.4), набегая на внутреннюю стенку одной из рабочих лопастей ротора 2, благодаря вогнуто-выпуклому винтообразному ее исполнению, автоматически поворачивает жестко связанные между собой лопасти 6 и 7. Коромыслами 8 движение передается валу 3, который, в свою очередь, передает вращающий момент на второй вал 13. Поток входящего воздуха поднимается винтообразно по лопастям 6 и 7. При этом снимаются вихревые потоки с кромок лопастей 6 и 7, уменьшается их лобовое сопротивление и скорость вращения ротора увеличивается. С подъемом воздушных мacc вверх появляется тяга, провоцирующая поступление новых воздушных масс, и все эффекты усиливаются. Это влечет за собой увеличение вращающего момента и передачу его через вал 13 храповому механизму 17, который вращает маховик 16 энергоаккумулятора. В энергоаккумуляторе происходит накопление энергии, что позволит стабилизировать число оборотов и обеспечить более устойчивую работу ветродвигателя.

С вала 13 вращение передается и другим потребителям механической энергии 18 и 19.

В отсутствии ветра маховик 16 вращается за счет накопленной энергии, а храповой механизм 17 отключает рабочие лопасти 6 и 7 ротора, что позволит предохранить ветродвигатель от перегрузок и, следовательно, повысить его надежность и долговечность.

Технические преимущества использования предлагаемого роторного ветродвигателя состоят в следующем.

1. Изогнутая винтообразная форма рабочих лопастей ротора благодаря изменяемому углу атаки α, всегда обращена к поступающему потоку воздуха независимо от направления его движения. За счет этого создается смерчеподобный поток воздуха, что уменьшает лобовое сопротивление, а также резко повышает эффективность двигатели при любых скоростях ветрового потока независимо от рельефа местности.

2. Как следствие, стартовый момент запуска ветродвигателя минимален.

3. Благодаря переменному сечению и дугообразному профилю рабочих лопастей ротора увеличивается их аэродинамический эффект.

4. Как следствие первых трех качеств, конструкция предлагаемого ветродвигателя может выдерживать большие ураганные ветры и резкие порывы, сохраняя стабильную, надежную и безопасную работу агрегата.

5. Конструктивные особенности рабочих лопастей ротора позволяют с одинаковой эффективностью использовать в качестве рабочей среды не только воздушные потоки любых направлений - прямые горизонтальные, восходящие, нисходящие и т.д., но и водные, то есть использовать двигатель как гидроагрегат.

Из технических преимуществ вытекают экономические. Так как отпадает необходимость устанавливать рабочую часть ветродвигателя на высокую мачту, облегчается оперативный доступ при его ремонте и техническом обслуживании. При этом все приемные механизмы также устанавливаются внизу, что облегчает их подсоединение к двигателю.

Возможность выполнения ротора в виде сборной конструкции позволяет варьировать его длиной и упростить транспортировку двигателя.

Предлагаемый роторный ветродвигатель может найти широкое применение, особенно в условиях сельской местности, а также в геологических партиях. Компактность конструкции и ее простота делают возможным значительно снизить материалоемкость и в целом себестоимость предлагаемого агрегата, что привлечет внимание к нему потенциальных потребителей.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии или выполнения механической работы. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности использования энергии ветра и КПД ветродвигателя, достигается за счет того, что в ветродвигателе, содержащем каркас, закрепленный на нем с помощью подшипников вал и рабочие лопасти, соединенные с валом с возможностью вращения с ним, согласно изобретению рабочие лопасти ротора выполнены в виде пластин с переменной толщиной и шириной, которые в вертикальной плоскости изогнуты по спирали, а в горизонтальной - изогнуты по дуге. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Роторный ветродвигатель, содержащий каркас, закрепленный на нем с помощью подшипников вал и рабочие лопасти, соединенные с валом с возможностью вращения с ним, отличающийся тем, что рабочие лопасти выполнены в виде пластин с переменной толщиной и шириной, которые в вертикальной плоскости изогнуты по спирали, а в горизонтальной - изогнуты по дуге. 2. Роторный ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочие лопасти соединены с валом посредством коромысел и стяжек. 3. Роторный ветродвигатель по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что угол подъема наружной кромки рабочих лопастей составляет от 0 до 180^o. 4. Роторный ветродвигатель по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что рабочие лопасти выполнены сборными.