ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к разработке низкоскоростных ветротурбин малой и средней мощности.

Известны ветровые двигатели, например, типа установок Дарье, содержащих ротор, вращающийся вокруг вертикальной оси, лопасти, закрепленные на корпусе ротора вертикально, причем их поворот вокруг вертикальной оси осуществляется в процессе проектирования и изготовления и не изменяется в процессе работы двигателя (см., например, Технико-экономические основы ускоренного развития ветроэнергетики. Обзорная информация / Лятхер В.М. - М.: Информэнерго, 1990. - 68 с., с.15-26).

Основной недостаток таких установок заключается в необходимости предварительно раскручивать двигатель до рабочей скорости.

Известен также ветродвигатель, в котором ротор с вертикальной осью вращения содержит лопасти, закрепленные асимметрично на корпусе ротора с возможностью поворота относительно их вертикальных осей под действием ветра, а также ограничители поворота лопастей (см. патент РФ №2253038, Бюл. №15, 2005 г.).

Недостатком этого ветродвигателя является необходимость иметь упругие лопасти для достижения их оптимальной геометрии в процессе работы, трудно управлять величиной прогиба таких лопастей.

Известен также ветродвигатель, содержащий ротор, установленный с возможностью вращения относительно вертикальной оси, лопасти, каждая из которых закреплена асимметрично на корпусе ротора с возможностью поворота под действием ветра относительно соответствующей вертикальной оси и выполнена в виде основной части и закрылка, вместе образующих слабовыпуклый профиль лопасти, симметричный относительно его хорды, соединяющей наиболее удаленные друг от друга точки профиля, причем закрылок шарнирно соединен с основной частью лопасти на указанной хорде профиля, а также содержащий устройства управления положением закрылков и закрепленные на корпусе ротора ограничители поворота лопастей (см. патент РФ №2290533, Бюл. №36, 2006 г.).

Эта конструкция ветродвигателя наиболее близко совпадает по большинству признаков с предлагаемым техническим решением и использована в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются сложность и пониженная надежность конструкции, обусловленные наличием предкрылков лопастей, дифференциальных механизмов их поворота и механизмов согласованного поворота предкрылка и закрылка.

Задачей заявляемого решения является создание упрощенной конструкции ветродвигателя с лопастями изменяемой геометрии.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в том, что при свободном повороте лопастей под действием ветра их геометрия изменяется в определенных пределах в соответствии с углом поворота относительно корпуса ротора.

Это достигается тем, что ветродвигатель, содержащий ротор, установленный с возможностью вращения относительно вертикальной оси, лопасти, каждая из которых закреплена асимметрично на корпусе ротора с возможностью поворота под действием ветра относительно соответствующей вертикальной оси и выполнена в виде основной части и закрылка, вместе образующих слабовыпуклый профиль лопасти, симметричный относительно его хорды, соединяющей наиболее удаленные друг от друга точки профиля, причем закрылок шарнирно соединен с основной частью лопасти на указанной хорде профиля, а также содержащий устройства управления положением закрылков и закрепленные на корпусе ротора ограничители поворота лопастей, отличается тем, что каждое устройство управления положением закрылка выполнено в виде пальца, расположенного на соответствующем закрылке с возможностью перемещения в направляющем пазу, выполненном на корпусе ротора.

Кроме того, каждый направляющий паз содержит три дуги величиной по 5…20 градусов каждая и плавные сопряжения между ними, где средняя дуга имеет наибольший радиус, равный максимально возможному расстоянию от оси пальца на закрылке до оси поворота соответствующей лопасти, радиусы крайних дуг составляют 0,8…0,9 от радиуса средней дуги, а центры всех трех дуг совпадают с осью поворота соответствующей лопасти.

При этом длина каждого закрылка составляет 0,25…0,5 от максимальной хорды профиля лопасти.

Расстояние от оси поворота каждой лопасти до ее передней кромки составляет 0,2…0,3 от максимальной хорды профиля лопасти.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения, аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна»

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак «…каждое устройство управления положением закрылка выполнено в виде пальца, расположенного на соответствующем закрылке с возможностью перемещения в направляющем пазу, выполненном на корпусе ротора…» позволяет упростить конструкцию лопастей изменяемой геометрии.

Признак «…каждый направляющий паз содержит три дуги величиной по 5…20 градусов каждая и плавные сопряжения между ними, где средняя дуга имеет наибольший радиус, равный максимально возможному расстоянию от оси пальца на закрылке до оси поворота соответствующей лопасти, радиусы крайних дуг составляют 0,8…0,9 от радиуса средней дуги, а центры всех трех дуг совпадают с осью поворота соответствующей лопасти…» позволяет обеспечить заданное изменение геометрии лопасти и оптимальный угол атаки.

Признак «…длина каждого закрылка составляет 0,25…0,5 от максимальной хорды профиля лопасти…» позволяет обеспечить оптимальные характеристики лопасти.

Признак «…расстояние от оси поворота каждой лопасти до ее передней кромки составляет 0,2…0,3 от максимальной хорды профиля лопасти…» гарантирует свободный и безударный поворот лопастей относительно корпуса ротора по мере вращения ветродвигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан вид сверху на ветродвигатель. На фиг.2 показан разрез А-А фиг.1, изображенный повернуто. На фиг.3 в увеличенном виде показана форма направляющего паза. На фиг.4 показано расположение ограничителей поворота лопастей.

Конструкция ветродвигателя содержит на корпусе ротора 1 лопасти a…h, состоящие из основной части 2, вращающейся на валу 3, и закрылка 4, вращающегося на оси 5. На корпусе выполнены пазы 6, в которые входят пальцы 7, расположенные на закрылках 4 с возможностью перемещения вдоль пазов 6. На пальцы 7 надеты ролики (подшипники) 8 для уменьшения износа пальцев и пазов. Каждый направляющий паз 6 содержит три дуги (дугообразных участка), средние линии которых обозначены как 9, 10 и 11.

На корпусе 1 также предусмотрены подпружиненные упоры 12 и 13, с которыми взаимодействует сектор 14, закрепленный на валу 3.

Конструкция работает следующим образом.

Под действием ветра все лопасти (кроме находящейся в позиции а) поворачиваются на валах 3 от их среднего положения и автоматически приобретают геометрию, показанную на фиг.1. Это происходит из-за смещенного расположения центра давления лопасти относительно вала 3. При этом в каждой лопасти ее основная часть 2 поворачивается в пределах углов α и β между сектором 14 и упорами 12 и 13. Вместе с основной частью 2 поворачивается закрылок 4, который закреплен на оси 5. При этом ролик 8, посаженный на палец 7 закрылка 4, смещается вдоль паза 6. На участке встречного движения лопасти (позиция а) ось пальца 7 проходит по максимально возможному радиусу R (на линии 10), поэтому закрылок 4 выровнен с основной частью лопасти 2, уменьшая лобовое сопротивление. При дальнейшем смещении из-за меньшего радиуса r=(0,8…0,9)R линий 9 и 11 происходит разворот закрылка 4 относительно основной части 2, формируя оптимальный аэродинамический профиль лопасти для текущего угла атаки.

На участке попутного движения лопасти (позиция е) происходит поворот лопасти во второе крайнее положение. Поскольку относительная скорость ветра здесь мала, то поворот происходит плавно. При этом благодаря профилю паза 6 также образуется аэродинамический профиль с положительным углом атаки для лопастей подветренной стороны (позиции f-h).

При усилении ветра свыше номинальной скорости сектор 14 имеет возможность сжать пружины упоров 12 и 13 и увеличить угол поворота вала 3. При этом уменьшается угол атаки на участке максимальной относительной скорости ветра и, следовательно, снижаются аэродинамические силы, предотвращая разрушение конструкции ветродвигателя.

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к низкоскоростным турбинам малой и средней мощности. Ветродвигатель содержит ротор, установленный с возможностью вращения относительно вертикальной оси, лопасти, каждая из которых закреплена асимметрично на корпусе ротора с возможностью поворота под действием ветра относительно соответствующей вертикальной оси и выполнена в виде основной части и закрылка, вместе образующих слабовыпуклый профиль лопасти, симметричный относительно его хорды, соединяющей наиболее удаленные друг от друга точки профиля, причем закрылок шарнирно соединен с основной частью лопасти на указанной хорде профиля. Ветродвигатель также содержит устройства управления положением закрылков и закрепленные на корпусе ротора ограничители поворота лопастей. Каждое устройство управления положением закрылка выполнено в виде пальца, расположенного на соответствующем закрылке с возможностью перемещения в направляющем пазу, выполненном на корпусе ротора. Кроме того, каждый направляющий паз содержит три плавно сопряженные дуги, где средняя дуга имеет наибольший радиус, а центры всех трех дуг совпадают с осью поворота соответствующей лопасти. При простоте конструкции устройство обеспечивает изменение геометрии лопастей в определенных пределах в соответствии с углом поворота относительно корпуса ротора при их свободном повороте под действием ветра. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветродвигатель, содержащий ротор, установленный с возможностью вращения относительно вертикальной оси, лопасти, каждая из которых закреплена асимметрично на корпусе ротора с возможностью поворота под действием ветра относительно соответствующей вертикальной оси и выполнена в виде основной части и закрылка, вместе образующих слабовыпуклый профиль лопасти, симметричный относительно его хорды, соединяющей наиболее удаленные друг от друга точки профиля, причем закрылок шарнирно соединен с основной частью лопасти на указанной хорде профиля, а также содержащий устройства управления положением закрылков и закрепленные на корпусе ротора ограничители поворота лопастей, отличающийся тем, что каждое устройство управления положением закрылка выполнено в виде пальца, расположенного на соответствующем закрылке с возможностью перемещения в направляющем пазу, выполненном на корпусе ротора.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый направляющий паз содержит три дуги величиной по 5…20° каждая и плавные сопряжения между ними, где средняя дуга имеет наибольший радиус, равный максимально возможному расстоянию от оси пальца на закрылке до оси поворота соответствующей лопасти, радиусы крайних дуг составляют 0,8…0,9 от радиуса средней дуги, а центры всех трех дуг совпадают с осью поворота соответствующей лопасти.

3. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что длина каждого закрылка составляет 0,25…0,5 от максимальной хорды профиля лопасти.

4. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что расстояние от оси поворота каждой лопасти до ее передней кромки составляет 0,2…0,3 от максимальной хорды профиля лопасти.