СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК F03D3/00 

Техническое решение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в других областях техники, где необходимо преобразовать энергию поступательного движения газового или жидкостного потока во вращательное движение исполнительного механизма с вертикальной или горизонтальной осью вращения.

Известен ветродвигатель по патенту RU 2118702 C1, F03D 3/00, который обладает недостатками, а именно (см. материалы патента RU 2118702 C1, F03D 3/00):

- лопасти 3 в представленном на фиг.2 положении передают максимальный крутящий момент на вал ротора 4 только в этот момент, т. к. левая лопасть 3 имеет максимальное аэродинамическое сопротивление, а правая лопасть ветроколеса - минимальное аэродинамическое сопротивление. Так как лопасти 3 выходных валов 6 жестко связаны задающей кинематической передачей 7 с валом 5 соотношением один к двум (1/2), то при повороте вала ротора 4 на угол α лопасть 3 повернется на угол β=0,5α. Силовой ветровой напор на лопасть в этом случае определяют по формуле

Р=ρScosαcosβ,

где ρ - плотность воздуха,

S - площадь лопасти,

α - угол поворота ветроколеса,

β - угол наклона лопасти к ветровому напору.

Для уменьшения аэродинамического сопротивления лопасти от максимального до минимального ей необходимо повернуться на 90°, а ветроколесу - на 180°. Этому условию отвечают только две лопасти и только в один момент, зафиксированный на фиг.2 (RU 2118702 C1, F03D 3/00).

Для создания минимального аэродинамического сопротивления лопастей с одной стороны от оси вращения ветроколеса они должны находиться в плоскости его вращения или в параллельной плоскости и занимать минимальный "секущий объем " (т.е. минимальное пространство при своем движении), а каждая лопасть, находящаяся в данный момент по другую сторону от оси вращения ветроколеса, должна находиться в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения ветроколеса, и занимать максимальный "секущий объем" при своем движении.

Указанная формула взаимодействия лопастей модуля ветроколеса (RU 2118702 C1, F03D 3/00) не позволяет всем лопастям, находящимся по разные стороны от оси его вращения, занимать положение с минимальным и максимальным аэродинамическим сопротивлением, так как лопасти выходных валов жестко связаны задающей кинематической передачей.

Устройство ветродвигателя в соответствии с формулой изобретения к патенту RU 2118702 C1, F03D 3/00 обладает следующими недостатками:

- согласно кинематике устройства лопасти ветродвигателя совершают вращательные движения и должны иметь одинаковое аэродинамическое сопротивление при обдувании как с одной, так и с другой стороны и поэтому должны быть обязательно симметричного профиля, что является конструктивным ограничением;

- повышение мощности и динамичности работы ветродвигателя за счет использования модулей (увеличения числа модулей) приводит к усложнению конструкции и к увеличению габаритов ветродвигателя в высоту;

- только горизонтальное расположение осей лопастей ветроколеса снижает эффективность работы ветродвигателя в связи с тем, что стабильные ветровые нагрузки потоков воздуха располагаются выше 10÷15 метров от поверхности земли, а расположение ветроколеса в вертикальной плоскости позволяет эффективно использовать верхние потоки воздуха лопастями выше оси его вращения, с максимальным аэродинамическим сопротивлением, а лопастями ниже оси вращения ветроколеса - с минимальным аэродинамическим сопротивлением, и, таким образом, получить больший крутящий момент и мощность ветродвигателя без увеличения высоты плоскости, параллельной плоскости его вращения, а все остальные лопасти, находящиеся по другую сторону от оси вращения ветроколеса, невозможно зафиксировать в положениях, перпендикулярных плоскости вращения ветроколеса.

Известен также ветродвигатель по патенту SU 11883 A, F03D 3/00, у которого все лопасти, находящиеся по одну сторону от оси вращения ветроколеса, располагаются с наименьшим аэродинамическим сопротивлением, а все лопасти, находящиеся по другую сторону от оси вращения ветроколеса, располагаются с наибольшим аэродинамическим сопротивлением, однако устройство по данному техническому решению обладает следующими недостатками:

- два параллельно выполненных за одно целое кольца Г и Д, снабженных диаметрально противоположными выемками О, причем кольцо Г укреплено неподвижно на стержне Н, а кольцо Д на опорах Е. Такое конструктивное решение вынуждает поворачивать всю конструкцию ветроколеса и ориентировать ее в зависимости от направления ветрового потока и применять дополнительные поворотные устройства;

- согласно кинематике устройства лопасти ветродвигателя совершают вращательные движения и должны иметь одинаковое аэродинамическое сопротивление при обдувании как с одной, так и с другой стороны и поэтому должны быть обязательно симметричного профиля, что является конструктивным ограничением, кроме того, невыполнение условия симметричности лопастей приведет к неравномерному износу ползунов В и нестабильности передаваемого крутящего момента из-за разности аэродинамического сопротивления лопасти при различных ее положениях;

- для удержания лопастей в требуемом положении с минимальными усилиями необходимо увеличение поперечного (квадратного) сечения ползуна В, для создания минимального удельного давления поверхности ползуна В на кольца Г, Д и для обеспечения долговечности поверхностей трения, что ведет к увеличению материалоемкости устройства, а увеличение поперечного сечения ползуна В ведет к повышенным динамическим нагрузкам на лопасть при ее повороте, так как в выемках О увеличенный ползун В будет поворачиваться с большей диагональю;

- ползун В выполнен квадратного сечения для фиксации лопасти, что не позволяет заменить паразитное трение скольжения на трение качения и тем самым уменьшить потери движущего момента ветродвигателя, уменьшить износ колец Г и Д и увеличить долговечность конструкции;

- для поворота лопастей используются крылатки Б, которые обладают теми же недостатками, что и ползуны В - это наличие поверхностей скольжения вместо поверхностей качения, необходимость увеличения размеров крылатки для уменьшения удельного давления и уменьшения за счет этого износа контактирующих поверхностей крылатки Б и кулаков М;

- для выполнения функций удержания лопастей в определенном положении по отношению к ветровому напору и поворота лопастей на 90° используются два устройства вместо одного (устройство удержания лопастей в определенном положении - кольца Г, Д и ползун В, второе устройство - поворот лопастей на 90° - крылатка Б и кулаки М ),

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении эффективности работы ветродвигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования ветродвигателя, заключающемся в том, что лопасти ветродвигателя выполняют с изменяемой геометрией по отношению к ветровому напору по обе стороны от оси вращения ветроколеса и обеспечивают за счет изменения аэродинамического сопротивления крутящий момент, причем лопасти одной стороны ветроколеса располагают параллельно плоскости его вращения с минимальным аэродинамическим сопротивлением, а лопасти другой стороны ветроколеса в этот же момент располагают перпендикулярно плоскости его вращения с максимальным аэродинамическим сопротивлением, создавая наибольший крутящий момент относительно оси вращения ветроколеса, и обеспечивают разворот лопастей ветроколеса на 90° при переходе лопастей с одной стороны ветроколеса относительно оси его вращения на другую устройством разворота лопастей, при этом устройство разворота лопастей снабжают ориентирующим его по отношению к ветровому потоку следящим устройством, например флюгером, и выполняют в виде барабана с направляющими, с которыми взаимодействуют пальцы кулачков, укрепленных на валах жестких лопастей, причем барабан жестко соединяют с валом, расположенным в подшипниках внутри пустотелого вала, передающего крутящий момент.

Для обеспечения наибольшей эффективности работы ветродвигателя необходимо все лопасти, находящиеся по одну сторону от оси вращения ветроколеса, располагать с минимальным аэродинамическим сопротивлением, т.е. в плоскости вращения ветроколеса или в плоскости, параллельной ей, а все лопасти, находящиеся по другую сторону от оси вращения ветроколеса, располагать с максимальным аэродинамическим сопротивлением, т.е. эти лопасти необходимо располагать в положениях, перпендикулярных плоскости вращения ветроколеса, а фиксацию лопастей при вращении ветроколеса и разворот лопастей на 90° при переходе лопастей с одной стороны ветроколеса на другую осуществлять одним устройством разворота и удержания лопастей. Устройство разворота лопастей на 90° и удержания их в необходимом положении выполняют неподвижным цилиндрическим барабаном с направляющими на его цилиндрической поверхности в виде двух дуг, расположенных по одной в параллельных и на одинаковом расстоянии по обе стороны от плоскости ветроколеса плоскостях и соединенных между собой за концы соответственно двумя линиями на этой же цилиндрической поверхности. Направляющие выполняют, например, в виде кольцевой прорези, которая взаимодействует с пальцами, выполненными за одно целое с кулачками, жестко прикрепленными к внутренним концам осей лопастей. При вращении ветроколеса пальцы взаимодействуют с боковыми поверхностями кольцевой прорези, и, в зависимости от участка, на котором находится палец кулачка каждой лопасти, лопасть или удерживается в фиксированном положении, или разворачивается на 90°. Фиксированные положения лопастей осуществляются на участках А и Б направляющих барабана (см. фиг.3). Разворот лопастей на 90° происходит на участках В направляющих барабана (см. фиг.3).

На фиг.1 представлена упрощенная схема ветродвигателя с вертикальной осью вращения. На фиг.2 представлена увеличенная схема барабана. На фиг.3 представлен вариант развертки поверхности барабана.

Вариант ветродвигателя, сформированного по предложенному способу, содержит пустотелый вал 1, в верхнем конце которого располагают устройство разворота лопастей в виде барабана 2 с направляющими 3 в виде кольцевых прорезей, с боковыми поверхностями которых взаимодействуют пальцы 4 кулачков 5, укрепленных на валах 6 жестких лопастей 7. Барабан 2 жестко соединен с валом 8, расположенным на подшипниках внутри пустотелого вала 1. К верхней части вала 8 монтируют следящее устройство 9, например флюгер. С помощью ферменных стержней 10 формируются опоры 11 для вращения осей 6 лопастей 7. К нижней части пустотелого вала 1 крепят коническую зубчатую передачу 12, которая передает крутящий момент на рабочее устройство 13. К нижней части вала 8 прикрепляют следящее устройство 14, которое дублирует следящее устройство 9. Для уменьшения трения пальцев 4 о боковые поверхности кольцевых прорезей 3 на концах пальцев 4 возможна установка подшипников качения, что значительно позволит уменьшить трение контактирующих поверхностей пальцев 4 и боковых поверхностей направляющих 3, а также значительно уменьшить износ трущихся поверхностей.

Ветродвигатель работает следующим образом.

Ветровой напор создает максимальное усилие на лопасти 7, расположенные в вертикальной плоскости относительно ветрового напора, и через ферменные стержни 10 создает крутящий момент на пустотелом валу 1. Ветровое колесо начинает вращаться, и при повороте лопасти 7 с одной стороны от оси вращения ветродвигателя на другую пальцы 4 кулачка 5, находящиеся на переходном участке направляющего элемента, поворачивают ось 6 на 90° и тем самым обеспечивают расположение лопасти 7 в горизонтальной плоскости, т.е. уменьшают до минимума сопротивление лопасти 7 ветровому напору. При смене направления ветра флюгер 9 разворачивает вал 8 совместно с барабаном 2, обеспечивая заданный режим разворота лопастей 7 относительно ветрового напора.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии потока во вращательное движение исполнительного механизма. Способ формирования ветродвигателя заключается в том, что лопасти ветродвигателя выполняют с изменяемой геометрией по отношению к ветровому напору по обе стороны от оси вращения ветроколеса и обеспечивают за счет изменения аэродинамического сопротивления крутящий момент, причем лопасти одной стороны ветроколеса располагают параллельно плоскости его вращения с минимальным аэродинамическим сопротивлением, а лопасти другой стороны ветроколеса в этот же момент располагают перпендикулярно плоскости его вращения с максимальным аэродинамическим сопротивлением, создавая наибольший крутящий момент относительно оси вращения ветроколеса, и обеспечивают разворот лопастей ветроколеса на 90° при переходе лопастей с одной стороны ветроколеса относительно оси его вращения на другую устройством разворота лопастей, которое снабжают ориентирующим его по отношению к ветровому потоку следящим устройством, например флюгером, и выполняют в виде барабана с направляющими, с которыми взаимодействуют пальцы кулачков, укрепленных на валах жестких лопастей, причем барабан жестко соединяют с валом, расположенным в подшипниках внутри пустотелого вала, передающего крутящий момент. Использование изобретения обеспечит улучшение технических характеристик ветроэнергетических установок. 3 ил.

Способ формирования ветродвигателя, заключающийся в том, что лопасти ветродвигателя выполняют с изменяемой геометрией по отношению к ветровому напору по обе стороны от оси вращения ветроколеса и обеспечивают за счет изменения аэродинамического сопротивления крутящий момент, причем лопасти одной стороны ветроколеса располагают параллельно плоскости его вращения с минимальным аэродинамическим сопротивлением, а лопасти другой стороны ветроколеса в этот же момент располагают перпендикулярно плоскости его вращения с максимальным аэродинамическим сопротивлением, создавая наибольший крутящий момент относительно оси вращения ветроколеса, и обеспечивают разворот лопастей ветроколеса на 90° при переходе лопастей с одной стороны ветроколеса относительно оси его вращения на другую устройством разворота лопастей, отличающийся тем, что устройство разворота лопастей снабжают ориентирующим его по отношению к ветровому потоку следящим устройством, например флюгером и выполняют в виде барабана с направляющими, с которыми взаимодействуют пальцы кулачков, укрепленных на валах жестких лопастей, причем барабан жестко соединяют с валом, расположенным в подшипниках внутри пустотелого вала, передающего крутящий момент.