ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВРАЩЕНИЕМ ВОКРУГ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСИ Российский патент 2007 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветряным двигателям с вращением вокруг вертикальной оси.

Известен ветряной двигатель (см. патент № 2065992, опубл. 1996.08.27, МПК F 03 D 3/00), содержащий вертикальный вал и ветроколесо (ротор) с лопастями, закрепленными под углом к радиусу ветродвигателя. Вал кинематически связан с электрогенератором, ветроколесо с лопастями выполнено в виде венца с П-образным желобом, а угол крепления лопастей составляет 600, причем между лопастями образованы карманы. Лопасти ветроколеса выполнены плоскими и входящий поток воздуха как бы ударяется в них, а, сходя с лопастей, поток воздуха во встречной половине ротора опять ударяется в лопасти, тем самым тормозит вращение ротора. Все это приводит к уменьшению мощности двигателя.

Известен ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси (см. патент № 2165034, опубл. 1999.06.10, МПК F 03 D 3/00) содержит ротор, способный вращаться под действием ветра вокруг своей вертикальной оси по отношению к горизонту, и поворотный вал, связанный с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором и приспособленный для передачи энергии, полученной от ветра этим ротором, который содержит корпус цилиндрической формы, полый внутри, боковые стенки которого образованы вертикальными элементами в виде плоских лопаток, установленных таким образом, чтобы ветер имел возможность войти в полый внутри цилиндрический корпус и привести его во вращательное движение, а также поворотный передаточный вал, с которым этот корпус связан, при этом цилиндрический корпус содержит, по меньшей мере, один или несколько цилиндрических элементов установленных друг на друга и жестко связанные между собой, причем каждый из цилиндрических элементов содержит нижнюю круглую и жесткую часть и верхнюю круглую и жесткую часть, между которыми закреплены вертикальные элементы в виде цилиндрических лопаток, расположенных в вертикальном положении с возможностью образования упорядоченного ряда лопаток, при этом лопатки каждого последующего цилиндрического элемента образуют последующий ряд лопаток, размещенный строго над предыдущим рядом.

Данная конструкция ветряного двигателя несложна при монтаже, проста в техническом обслуживании, за счет увеличения объема двигателя по вертикали на том же основании увеличивается его мощность, но данное устройство не позволяет создать направленный закручивающийся воздушный поток, что приводит к созданию обратного вращающегося момента при выходе воздушного потока из полого цилиндрического корпуса ротора во время прохода его через щели между теми же лопатками, что приводит к значительному снижению мощности ветряного двигателя.

Задачей настоящего изобретения является повышение мощности двигателя путем устранения обратного вращательного момента, за счет создания условий для направленного закручивающегося воздушного потока.

Поставленная задача решается следующим образом в ветряном двигателе с вращением вокруг вертикальной оси, содержащем ротор, способный вращаться под действием ветра вокруг своей вертикальной оси по отношению к горизонту, и поворотный вал, связанный с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором и приспособленный для передачи энергии, полученной от ветра этим ротором, который содержит корпус цилиндрической формы, полый внутри, с вертикальными элементами, установленными по его боковой поверхности в вертикальной плоскости таким образом, чтобы ветер имел возможность привести в движение цилиндрический корпус, а также поворотный передаточный вал, с которым связан цилиндрический корпус, содержащий, по меньшей мере, один или несколько цилиндрических элементов, установленных друг над другом и снабженный вертикальными элементами, расположенными по боковой поверхности цилиндрических элементов в вертикальной плоскости с возможностью образования упорядоченного ряда, причем вертикальные элементы каждого последующего цилиндрического элемента образуют последующий ряд вертикальных элементов, размещенных строго над вертикальными элементами предыдущего ряда, каждый цилиндрический элемент цилиндрического корпуса ротора выполнен в виде полого внутри барабана с вертикальными элементами, установленными на боковой поверхности барабана и выполненными в виде лопастей, конструктивно представляющих собой части цилиндрической поверхности, расположенными выпуклостью по ходу вращения ротора, при этом двигатель снабжен направляющим воздушный поток аппаратом-статором, имеющим, по меньшей мере, одну или несколько секций, установленных одна над другой, в каждой из которых размещен один цилиндрический элемент ротора и каждая из которых содержит круглые жесткие верхнее и нижнее основания, между которыми установлены лопатки, с образованием упорядоченного ряда, причем лопатки каждой последующей секции статора образуют последующий ряд лопаток, размещенных над предыдущим рядом лопаток предыдущей секции статора, кроме того, каждая из лопаток конструктивно представляет собой часть цилиндрической поверхности, установленной выпуклостью по ходу вращения ротора, лопатки имеют радиус кривизны, более чем в пять раз превышающий радиус лопастей ротора, а количество лопаток каждой секции статора превышает количество лопастей каждого расположенного в ней цилиндрического элемента ротора не менее чем в два раза.

Предлагаемая конструкция ветряного двигателя обладает преимуществами прототипа, а именно имеется возможность увеличивать объем двигателя по вертикали и тем самым увеличивать мощность устройства. Недостаток прототипа - возникновение обратного крутящего момента и, как следствие, снижение мощности двигателя - в предлагаемой конструкции двигателя отсутствует за счет создания предварительной "закрутки" воздушного потока, а это сделать позволяет использование в двигателе направляющего аппарата предлагаемой конструкции. Выполнение лопаток статора и лопастей ротора в виде части цилиндрической поверхности и их упорядоченное конструктивное расположение позволяет исключить потерю энергии воздушного потока при его прохождении во внутреннее пространство ротора, что также влияет на повышение мощности двигателя в целом.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 схематично изображен вертикальный разрез отдельного цилиндрического элемента корпуса ротора, расположенного в секции статора. На фиг.2 представлен разрез по А-А фиг.1

Предлагаемый ветряной двигатель состоит из цилиндрических элементов корпуса ротора, один из которых в разрезе представлен на фиг.1. Цилиндрический элемент ротора, укрепленный на ведущем валу 1 цилиндрического барабана 2, на боковой поверхности которого укреплены вертикальные элементы в виде лопастей 3, представляющих собой часть цилиндрической поверхности, выпуклостью направленных по ходу вращения ротора. Цилиндрический барабан 2 ротора закреплен на валу 1 с помощью фланцев (верхнего и нижнего), установленных на верхнем и нижнем торцах цилиндрического барабана 2, который вместе с лопастями 3, укрепленными стрингерами 5, расположен в секции статора, содержащей направляющие лопатки 6, радиусы кривизны которых более чем в пять раз превышают радиус лопастей ротора, каждая из которых представляет собой часть цилиндрической поверхности, выпуклостью направленной по ходу вращения ротора. Лопатки 6 установлены между основаниями верхним 7 и нижним 8 и укреплены соединительными стойками 9. Ведущий вал 1 установлен в верхнем положении в опорном подшипнике 10, смонтированном в верхнем основании 7 статора, а в нижнем положении вал 1 установлен в опорно-упорном подшипнике 11, смонтированном в нижнем основании 8 статора. Для снятия крутящего момента ротора на валу 1 закреплен шкив 12, расположенный под опорной плитой 13 двигателя, установленной на опорах 14.

При увеличении объема двигателя по вертикали в случае сборного ведущего вала 1 предусмотрена соединительная муфта 15. При соединении последующей секции статора в ее нижнем основании и в верхнем основании предыдущей секции статора предусмотрены отверстия под крепления 16. Самая нижняя секция статора крепится своим нижним основанием к опорной плите 13 двигателя болтами 17. Возможно, что верхнее основание предыдущей секции статора и нижнее основание последующей секции статора выполнены как одно целое.

Работа ветряного двигателя заключается в следующем.

При наличии ветра со скоростью, равной и выше расчетной, ротор приводится во вращение разностью моментов от аэродинамических сил, действующих на вогнутую и выпуклую сторону лопастей 3 ротора. Крутящий момент ротора увеличивается при наличии предварительной закрутки потока воздуха в статоре вследствие влияния на поток воздуха лопаток 6 статора, выполняющего роль направляющего аппарата, и передается приводимым в действие агрегатам потребителям энергии при помощи вала 1 и закрепленным на нем шкивом 12 или другим иным редуктором. Вал 1 ротора вращается в подшипниках 10 и 11, замещающих силы трения на силы качения, что увеличивает механический КПД ветряного двигателя. Для увеличения мощности предлагаемого ветряного двигателя предусмотрена возможность для подсоединения второго такого же или иного другого двигателя при помощи соединительной муфты 15 вверху вала 1 и болтов, для которых в крышке 7 статора имеются отверстия 16.

Вся конструкция ветряного двигателя покоится на опорах 14, передающих всю нагрузку тяжести и опрокидывающего момента на фундамент, а внутренние нагрузки воспринимаются каркасами статора и ротора и должны быть рассчитаны на прочность при максимальной силе ветра в данной местности с коэффициентом прочности не ниже 3.

Предлагаемое техническое решение ветряного двигателя по сравнению с известными техническими решениями обладает следующими преимуществами:

- ветряной двигатель роторный снабжен статором, который увеличивает площадь используемого потока воздуха, производит предварительную его закрутку и устраняет его давление на лопасти ротора, вращающиеся против направления ветра, что увеличивает крутящий момент ротора и, следовательно, мощность двигателя;

- каркасы ротора и особенно статора позволяют выполнить конструкцию предлагаемого технического решения ветрового двигателя необходимой жесткости и прочности;

- предусмотрена возможность увеличения мощности этого двигателя путем подсоединения к нему другого такого же двигателя или конструкции.

Экономическое обоснование предлагаемого ветряного двигателя в возможности утилизации дешевой и экологически чистой энергии ветра, использование которой в народном хозяйстве высвобождает другие виды энергии, эксплуатируемые в настоящее время, в простоте конструкции и ее стационарности, т.е. ее не нужно поворачивать против ветра, на что нужно было бы использовать некоторую часть энергии, а стационарность конструкции позволяет возводить двигатель большой мощности, от величины которой в прямой зависимости находится окупаемость этого ветрового двигателя роторного.

Перспектива развития ветряного двигателя: если такой двигатель поместить в реку, то получится гидравлический двигатель роторный (ГДР), работающий без плотины, что актуально для малых и горных рек.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Технический результат заключается в повышении эффективности, экономичности, надежности и мощности ветродвигателя. Ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси содержит ротор, способный вращаться под действием ветра вокруг своей вертикальной оси по отношению к горизонту, и поворотный вал, связанный с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором и приспособленный для передачи энергии, полученной от ветра этим ротором, который содержит корпус цилиндрической формы, полый внутри с вертикальными элементами, установленными по его боковой поверхности в вертикальной плоскости таким образом, чтобы ветер имел возможность привести в движение цилиндрический корпус, а также поворотный передаточный вал, с которым связан цилиндрический корпус, содержащий, по меньшей мере, один или несколько цилиндрических элементов, установленных друг над другом и снабженный вертикальными элементами, расположенными по боковой поверхности цилиндрических элементов в вертикальной плоскости с возможностью образования упорядоченного ряда, причем вертикальные элементы каждого последующего цилиндрического элемента образуют последующий ряд вертикальных элементов, размещенных строго над вертикальными элементами предыдущего ряда, каждый цилиндрический элемент цилиндрического корпуса ротора выполнен в виде полого внутри барабана с вертикальными элементами, установленными на боковой поверхности и выполненными в виде лопастей, конструктивно представляющих собой части цилиндрических поверхностей, расположенных выпуклостью по ходу вращения ротора, при этом двигатель снабжен направляющим воздушный поток аппаратом-статором, имеющим, по меньшей мере, одну или несколько секций, установленных одна над другой, в каждой из которых размещен один цилиндрический элемент ротора и каждая из которых содержит круглые жесткие верхнее и нижнее основания, между которыми установлены лопатки с образованием упорядоченного ряда, причем лопатки каждой последующей секции статора образуют последующий ряд лопаток, размещенных над предыдущим рядом лопаток предыдущей секции статора, кроме того, каждая из лопаток конструктивно представляет собой часть цилиндрической поверхности радиуса кривизны больше, чем радиус кривизны лопастей, лопатки установлены выпуклостью по ходу вращения ротора, а количество лопаток каждой секции статора в два раза больше количества лопастей каждого цилиндрического элемента ротора, и шаг расположения последних в два раза меньше шага расположения лопаток, которые расположены через одну лопасть ротора. 2 ил.

Ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси, содержащий ротор, способный вращаться под действием ветра вокруг своей вертикальной оси по отношению к горизонту, и поворотный вал, связанный с ротором, содержащим корпус цилиндрической формы, полый внутри, включающий, по меньшей мере, один или несколько цилиндрических элементов, установленных друг над другом и снабженных вертикальными элементами, установленными по боковой поверхности цилиндрического элемента с возможностью образования упорядочного ряда, причем вертикальные элементы каждого последующего цилиндрического элемента образуют последующий ряд вертикальных элементов, размещенных строго над вертикальными элементами предыдущего ряда, отличающийся тем, что каждый цилиндрический элемент цилиндрического корпуса ротора выполнен в виде полого внутри барабана с вертикальными элементами, установленными на его боковой поверхности и выполненными в виде лопастей, конструктивно представляющих собой часть цилиндрической поверхности, и расположенными выпуклостью по ходу вращения ротора, при этом двигатель снабжен направляющим воздушный поток аппаратом-статором, имеющим, по меньшей мере, одну или несколько секций, установленных одна над другой, в каждой из которых размещен один цилиндрический элемент ротора и каждая из которых содержит круглые жесткие основания - верхнее и нижнее, между этими основаниями установлены лопатки с образованием упорядочного ряда, причем лопатки каждой последующей секции статора образуют последующий ряд лопаток, кроме того, каждая из лопаток конструктивно представляет собой часть цилиндрической поверхности, установленной выпуклостью по ходу вращения ротора, радиусы кривизны лопаток более чем в пять раз превышают радиус лопастей ротора и количество лопаток каждой секции статора превышает количество лопастей каждого расположенного в ней цилиндрического элемента ротора не менее чем в два раза.