ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам.

Известно гребное колесо, состоящее из ступицы и нескольких пар соосных радиально расположенных валов с лопастями и механизмами поворота (см. Лучанский И.А., Яновский А.А. От весла до водомета. М.: Судостроение, 1964, с.63). Данное изобретение принято за прототип. К его недостаткам относятся:

1. Наличие механизмов поворота определяет плавное изменение положения лопастей и нахождение одной лопасти в максимально развернутом положении против потока в момент нахождения в самом нижнем положении, а другой соосной лопасти, максимально расположенной по потоку в самом верхнем положении, во всех остальных положениях все лопасти находятся под некоторым углом к потоку, что уменьшает суммарное полезное усилие нижних лопастей и увеличивает суммарную силу сопротивления вращению верхних лопастей.

2. Наличие отдельных коротких соосных валов увеличивает нагрузки на подшипники, силу трения и износы.

3. Наличие специальных механизмов поворота лопастей усложняет конструкцию, снижает долговечность ее работы.

4. При вращении части лопастей против ветра узкие лопасти с механизмами равномерного поворота не обеспечивают их общего горизонтального положения, создают большое лобовое сопротивление и вертикальные нагрузки, что уменьшает эффективность работы конструкции.

Целью изобретения является повышение эффективности работы ветродвигателя. С этой целью ветродвигатель, состоящий из ступицы, двух пар поворотных лопастей, связанных валами, расположенными в одной плоскости, один вал прямой, другой вал имеет центральное колено, расположенное над прямым валом, соосные лопасти выполнены с центрами тяжести, смещенными относительно оси их поворота с обеспечением самоустановки лопастей в рабочее положение путем поворота и установлены взаимно перпендикулярно с возможностью контакта с упорами, размещенными на ступице, снабжен двумя дополнительными перпендикулярно расположенными лопастями, связанными валом, выполненным с центральным коленом, расположенным под прямым валом, лопасти имеют секторную форму и установлены таким образом, что их боковые кромки при нахождении лопастей в горизонтальной плоскости примыкают друг к другу с минимальным зазором. Кроме того, каждая лопасть фиксируется в горизонтальном положении путем контакта основания лопасти с расположенными на ступице разнесенными от оси вала верхним и нижним упорами.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан ветродвигатель сверху, без верхней части.

На фиг.2 - вид А на фиг.1.

На фиг.3 - разрез валов Б-Б на фиг.1.

Ветродвигатель состоит из ступицы 1 и трех радиально расположенных валов 2, 3, 4 со взаимно перпендикулярными лопастями 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10. Ось симметрии каждой лопасти смещена относительно оси ее поворота. На внешней поверхности ступицы 1 установлены упоры 11 и 12, взаимодействующие с основаниями лопастей 5, 6, 7, 8, 9, 10 при горизонтальном их положении. Вал 2 прямой, валы 3, 4 имеют центральные колена 13, 14, расположенные над и под прямым валом 2.

Ветродвигатель работает следующим образом.

При наличии ветра лопасти 5-10 сами устанавливаются на одной стороне ветродвигателя по ветру - вертикально, а на другой стороне ветродвигателя против ветра - горизонтально. Изменение положения лопастей 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10 происходит при совпадении оси вала 2, 3 или 4 с направлением ветра.

При отсутствии ветра все лопасти 5-10 выставляются в равновесное положение - под углом -45° к вертикали (подобно лопастям 5, 6 на фиг.1, 2) и находятся в таком положении до появления ветра. Лопасти 5, 6 на валу 2, ось которого совпадает с направлением ветра, не испытывают воздействия ветра и, благодаря расположению центра тяжести лопастей 5, 6 ниже оси поворота и нахождению с противоположных сторон от вертикальной плоскости, проходящей через ось вала 2, устанавливаются под углом ˜45° к вертикали. При вращении ветродвигателя при небольшом угле между осью вала 2 и направлением ветра, благодаря смещению вниз и центров давления лопастей 5, 6 относительно оси поворота (оси вала 2) происходит совместное силовое воздействие ветра на лопасти 5, 6, стремящееся повернуть вал 2 в одну сторону, при этом одна лопасть устанавливается вертикально и движется по ветру, а другая, смещенная на 90°, устанавливается горизонтально и движется против ветра. На одной стороне ветродвигателя в вертикальном положении выставляются несколько лопастей, чаще всего три, двигающиеся по ветру, на другой стороне ветродвигателя в горизонтальном направлении - противоположные им три лопасти, двигающиеся против ветра. Вертикальные, далеко друг от друга расположенные лопасти создают большую парусность, большой равномерный силовой упор, а горизонтальные лопасти, установленные с незначительным зазором, обеспечивают минимальное сопротивление при движении их против ветра.

Ступица 1 имеет чечевицеобразную, шестигранную в плане форму с верхними и нижними упорами 11, 12 на каждой грани. Такая форма обеспечивает минимальное затенение лопастей 5-10 и максимальное разнесение упоров 11, 12 от осей валов 2, 3, 4.

Лопасти 5, 6, 7, 8, 9, 10 имеют секторную форму с минимальными зазорами между секторами при горизонтальном положении соседних лопастей (Фиг.1). При движении их против ветра обеспечивается минимальное сопротивление движению. Полностью используется диаметральный габарит ветроколеса. Короткие лопасти 5, 6, 7, 8, 9, 10 обеспечивают малую разницу скоростей у оснований и вершин лопастей 5-10, что уменьшает шум при работе и увеличивает возможную скорость вращения. Увеличивается момент инерции, что повышает равномерность вращения. Большая площадь концевой части лопастей способствует большему ее изгибу под воздействием ветра. При нормальном ветре это увеличивает равномерность силового воздействия на лопасти 5-10 и повышает равномерность вращения, а при сильном ветре предохраняет лопасти 5-10 и ветродвигатель от перегрузок. Лопасти 5-10 выполнены из нержавеющей стали, бронзы или из пластмассы одной или переменной толщины. Гибкость лопастей 5-10 при работе препятствует их обледенению.

Все валы 2, 3, 4 лежат в одной плоскости и оси их пересекаются в одной точке. Вал 2 выполнен прямым, а валы 3, 4 - с центральными коленами 13, 14. Такое решение позволяет иметь все валы 2, 3, 4 цельными, с максимально разнесенными опорами, снизить нагрузки на подшипники и износ деталей, выполнить ступицу 1 разъемной по подшипникам, что упрощает изготовление, сборку и ремонт ветродвигателя. Фиксация лопастей 5-10 в горизонтальном направлении осуществляется двумя максимально разнесенными упорами 11, 12 (с упругими вставками - не показано). Это уменьшает силу удара и шум при контакте лопастей 5-10 с упорами 11, 12. Увеличение мощности ветродвигателя возможно путем увеличения диаметра и использования большего числа валов (4, 5, 6) и лопастей (8, 10, 12). Центральные колена дополнительных валов должны быть больше. При этом увеличиваются горизонтальные размеры ступицы 1, на верхней части ее возможна установка солнечных батарей.

При отсутствии ветра все лопасти 5-10, благодаря смещению их центров тяжести относительно оси поворота, выставляются в промежуточное, стартовое положение - под углом ˜45° к вертикали. При появлении ветра он воздействует на плоскости большинства лопастей, которые благодаря смещению центров давления ниже оси поворота поворачиваются и выставляются в рабочее положение. Вращение ветродвигателя возможно уже при малой скорости ветра, что увеличивает время работы ветродвигателя.

Благодаря большому числу вертикально перемещающихся по ветру лопастей и горизонтальному расположению противоположных лопастей, двигающихся против ветра, достигается увеличение мощности и равномерности вращения ветродвигателя. Конструкция не боится перегрузок и обледенения, проста, долговечна и эстетична. Ее возможно установить отдельно на стойке, или на доме, легко сделать разъемной, удобной для транспортировки и монтажа. Все это повышает эффективность ветродвигателя. Автором изготовлен опытный четырехлопастной ветродвигатель. Наибольший поперечный размер - 206 мм, диаметр ступицы - 44 мм, лопасти прямоугольной формы 80×40. Ветродвигатель начинает вращаться от комнатного вентилятора.

Изобретение возможно использовать и для мини-гидроэлектростанций, при этом ось ротора возможно располагать вертикально, горизонтально или под углом к горизонту, в зависимости от местных условий эксплуатации.

Изобретение возможно использовать и в качестве гребного колеса для судна. При горизонтальном расположении оси ротора в водный поток возможно погружать часть колеса (меньше половины).

Ветродвигатель предназначен для преобразования энергии ветра в механическую энергию. Ветродвигатель состоит из ступицы, двух пар поворотных лопастей, связанных валами, расположенными в одной плоскости, один из которых прямой, а другой имеет центральное колено, расположенное над прямым валом, соосные лопасти выполнены с центрами тяжести, смещенными относительно оси их поворота с обеспечением самоустановки лопастей в рабочее положение путем поворота. Лопасти установлены взаимно перпендикулярно с возможностью контакта с упорами, размещенными на ступице. Кроме того, ветродвигатель снабжен двумя дополнительными перпендикулярно расположенными лопастями, связанными валом, выполненным с центральным коленом, расположенным под прямым валом. Лопасти имеют секторную форму и установлены таким образом, что их боковые кромки при нахождении лопастей в горизонтальной плоскости примыкают друг к другу с минимальным зазором. Каждая лопасть фиксируется в горизонтальном положении путем контакта основания лопасти с расположенными на ступице разнесенными от оси вала верхним и нижним упорами. Конструкция обеспечивает эффективность работы путем увеличения мощности и равномерности вращения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветродвигатель, состоящий из ступицы, двух пар поворотных лопастей, связанных валами, расположенными в одной плоскости, один вал прямой, другой вал имеет центральное колено, расположенное над прямым валом, соосные лопасти выполнены с центрами тяжести, смещенными относительно оси их поворота с обеспечением самоустановки лопастей в рабочее положение путем поворота и установлены взаимно перпендикулярно с возможностью контакта с упорами, размещенными на ступице, отличающийся тем, что он снабжен двумя дополнительными перпендикулярно расположенными лопастями, связанными валом, выполненным с центральным коленом, расположенным под прямым валом, лопасти имеют секторную форму и установлены таким образом, что их боковые кромки при нахождении лопастей в горизонтальной плоскости примыкают друг к другу с минимальным зазором.2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть фиксируется в горизонтальном положении путем контакта основания лопасти с расположенными на ступице разнесенными от оси вала верхним и нижним упорами.