Ветряной двигатель с двумя противовращающимися роторами Российский патент 2023 года по МПК F03D3/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области ветроэнергетики, к устройствам, преобразовывающим энергию ветра в другие виды энергии и может быть использовано, например, для привода(ов) электрического(их) генератора(ов).

В соответствие с п. 30 Требований к документам заявки на выдачу патента на изобретение, утвержденных приказом Минэкономразвития N316 от 25.05.2016 (с изменениями от 31.03.2021) индекс рубрики международной патентной классификации (МПК), к которой относится изобретение - F03D 3/02 (Ветряные двигатели с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра - с несколькими роторами)

Уровень техники

Известен двухлопастный ветродвигатель (ветроколесо) с вертикальной осью вращения (карусельного типа) с ротором Савониуса. Такой ротор имеет одну лопасть, движущуюся по направлению воздушного потока, и одну лопасть, движущуюся навстречу воздушному потоку. То есть площадь поверхности «рабочей» лопасти равна площади поверхности лопасти движущейся против потока (1:1). Вращение ротора в таком случае достигается за счет специальной формы лопастей с разным коэффициентом лобового сопротивления для лицевой и обратной их сторон (выпукло-вогнутой формы). Двигатель с ротором Савониуса является одним из наиболее простейших ветряных двигателей карусельного типа. Однако его недостатком является не очень высокий коэффициент использования ветра. Во многом из-за того, ч то практически половина всей его обдуваемой поверхности движется навстречу ветру, то есть противодействует воздушному потоку. А «рабочей» его частью является другая его половина, движущаяся по направлению потока.

Представляется полезным применить в одном ветродвигателе сразу два ротора, чтобы использовать от каждого ротора по одной «рабочей половине», движущихся по направлению потока и тем самым увеличить коэффициент полезного использования ветра. Этого можно добиться, например, если применить противовращающиеся роторы, установленные на одной оси.

В роторном ветроэлектрическом преобразователе энергии (патент RU 2738790 С1 опубл. 16.12.2020) применены два ротора, вращающиеся в противоположные стороны и установленные на одной оси. Но сама конструкция тех роторов не приводит к увеличению коэффициента использования ветра, так как оба ротора преобразователя выполнены по принципу Савониуса, и также «половина» каждого из роторов движется навстречу воздушному потоку.

Раскрытие сущности изобретения

В представленном варианте объединены два двухлопастных карусельных ветроколеса-ротора на одной оси (вращающихся во встречных направлениях) и за счет подгибания (отклонения) лопастей, движущихся против потока воздуха, получено уменьшение площади поверхности лопастей движущихся против потока. А за счет поднимания лопастей (тоже подвижных), движущихся по направлению потока, увеличена площадь «рабочей» поверхности лопастей. Таким образом, достигнуто соотношение площадей «рабочих» и «встречных» лопастей более эффективное, чем 1:1. Кроме того, конструкция ветродвигателя сохраняет работоспособность при использовании не только лопастей с аэродинамической формой, но и при использовании просто плоских.

Целью изобретения является повышение коэффициента использования ветра ветродвигателем карусельного типа за счет увеличения площади «рабочих» поверхностей и уменьшения площади «нерабочих» («встречных») поверхностей лопастей роторов при их вращении. Данного увеличения позволяет добиться факт отклонения лопастей ротора движущихся навстречу воздушному потоку, что позволяет применить в одном ветродвигателе два ротора, исключая соударения лопастей верхнего и нижнего роторов.

Результат достигается путем комбинирования силы ветра и силы земного притяжения. Лопасти в состоянии покоя находятся в опущенном положении (Фиг. 1, 2), а под действием набегающего потока воздуха (ветра) отклоняются (поднимаются, Фиг. 3-5).

Ветродвигатель не зависит от направления ветра и одинаково эффективно работает при любом его направлении.

Ветродвигатель состоит из двух роторов (ветряных колес карусельного типа) установленных на одной вертикальной оси (вал 6 внутри вала 5, закрепленных в подшипниках 9, Фиг. 1) и с установленными лопастями таким образом (при помощи специальных упоров 11 и 12, Фиг. 4, 5), что роторы могут вращаться только в противоположных направлениях. Упорами 11 и 12 задаются направления вращения роторов. На левой стороне каждого из кронштейнов 7, 8 упоры выставляются обратно ориентированно относительно правой стороны (Фиг. 1, 3).

Лопасти 1-4 роторов выполнены подвижными (отклоняемыми), установлены в шарнирах 10 на кронштейнах 7, 8 (Фиг. 1, 3).

Специальные упоры 11 и 12 ограничивают ход лопастей 1, 4 и 2, 3 соответственно, что позволяет также избежать соударения лопастей (верхних с нижними) в промежуточных положениях роторов. Это позволяет допускать вращение роторов с разной угловой скоростью в виду возможной разной их нагруженностью (в случае подключения к отдельным электрическим генераторам).

Кроме того валы ветродвигателя могут оснащаться механизмами, выполняющими функции устройств торможения, что не мешает работе ветродвигателя.

Краткое описание чертежей, иных графических материалов

На фиг. 1. показан ветродвигатель с опущенными лопастями роторов (в состоянии покоя). Вид спереди.

На фиг. 2. показан ветродвигатель с опущенными лопастями роторов (в состоянии покоя). Вид справа.

На фиг. 3 показан ветродвигатель с максимальной площадью рабочих поверхностей лопастей обоих роторов (при вращении). Вид спереди. Лопасти, движущиеся на смотрящего, обозначены кружком с точкой внутри, а от смотрящего - с крестиком внутри кружка.

На фиг. 4 показан ветродвигатель с максимальной площадью рабочих поверхностей лопастей обоих роторов при их вращении (вид справа).

На фиг. 5 показано положение лопастей в рабочем состоянии и в состоянии покоя. Положение лопастей в состоянии покоя (при отсутствии ветра) показано пунктирной линией.

Осуществление изобретения

Данный ветродвигатель может быть изготовлен современными предприятиями машиностроительной промышленности.

Для этого изготавливается неподвижный корпус 13, впоследствии устанавливаемый (и закрепляемый) на ветреном месте (возвышенности природного ландшафта, высотные сооружения и проч.). В центрах верхней и нижней плоскостях корпуса (основаниях) устанавливаются упорные подшипники 9, в которых устанавливаются валы 5 и 6 (Фиг. 1, 3). Причем внешний вал 5 изготавливают короче вала 6, чтобы он не закрывал полностью вал 6. Валы 5 и 6 пропускаются сквозь нижнее основание корпуса 13 для сочленения с приводными механизмами (например, электрогенераторами), которые могут располагаться под корпусом 13, например, в специальной нише.

Па валу 5 и открытой части вала 6 устанавливают кронштейны 7 и 8, на которых устанавливаются шарниры 10. В них закрепляются лопасти 1-4 (Фиг. 1).

Кронштейны 7 и 8 дополнительно оснащаются упорами 11 и 12 соответственно для ограничения возможного хода лопастей (Фиг. 2-5).

Лопасти с аэродинамической формой можно выполнять из листового металла (оцинкованного железа, алюминия и его сплавов) либо из пластиковых материалов (стеклопластиковых и т.п.).

Все механизмы и устройства ветродвигателя представляются в уже освоенных промышленностью и распространенных конструктивах, что удовлетворяет критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Ветродвигатель работает следующим образом. Под действием ветра лопасть 1 нижнего ротора поднимается и за счет давления потока воздуха приводит в движение ротор (лопасть 4 при этом опущена и оказывает минимальное сопротивление вращению). Лопасть 2 верхнего ротора тоже поднимается (отклоняется) и уменьшает сопротивление вращению ротора (Фиг. 4), которое возникает за счет давления потока воздуха на опущенную лопасть 3. (Лопасть 3 уперта в упор 12, изображенный пунктиром на Фиг. 3). После совершения полуоборота каждого из роторов под действием силы тяжести лопасти 1 и 2 опускаются, занимают положения лопастей 3 и 4, и процесс повторяется заново.

Таким образом, исходя из указанного принципа работы, для функционирования устройства и достижения заявленного технического результата необходимо, чтобы лопасти были выполнены подвижными за счет установки на шарнирах 10, установленных на кронштейны 7 и 8, установленные снизу на внешний вал 5, выполненный короче внутреннего вала 6, и на верхней открытой части внутреннего вала 6, а ход движения лопастей ограничивался упорами 11 и 12 таким образом, чтобы лопасти, движущиеся навстречу потоку ветра, отклонялись по направлению потока, и роторы могли вращаться только в противоположных направлениях без соударения лопастей, а лопасти, движущиеся по ходу потока ветра поднимались бы перпендикулярно потоку.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ветряной двигатель с двумя противовращающимися на одной оси роторами содержит корпус (13), в центрах верхней и нижней плоскостей которого устанавливаются упорные подшипники (9), в которых устанавливаются внешний (5) и внутренний (6) валы, соединенные с приводными механизмами. Подвижные лопасти (1, 2, 3, 4) выполнены с аэродинамической формой либо плоскими. Внутренний вал (6) верхнего ротора размещен внутри вала (5) нижнего ротора, выполненного короче внутреннего вала (6). Подвижные лопасти (1 и 4) нижнего ротора закреплены на шарнирах (10), установленных на кронштейн (7), внешнего вала (5). Подвижные лопасти (2 и 3) верхнего ротора закреплены на шарнирах (10), установленных на кронштейн (8), закрепленный па открытой части внутреннего вала (6). Ход движения подвижных лопастей (1-4) ограничен упорами (11) и (12), расположенными на кронштейнах (7, 8), таким образом, что лопасти, движущиеся навстречу потоку, отклоняются по направлению потока ветра для вращения верхнего и нижнего роторов в противоположных направлениях без соударения подвижных лопастей (1-4). Техническим результатом является повышение эффективности использования воздушного потока, а также уменьшение размеров ветряного двигателя. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ветряной двигатель с двумя противовращающимися на одной оси роторами, содержащий корпус (13), в центрах верхней и нижней плоскостей которого устанавливаются упорные подшипники (9), в которых устанавливаются внешний (5) и внутренний (6) валы, соединенные с приводными механизмами, подвижные лопасти (1, 2, 3, 4), выполненные с аэродинамической формой либо плоскими, внутренний вал (6) верхнего ротора размещен внутри вала (5) нижнего ротора, выполненного короче внутреннего вала (6), и подвижные лопасти (1 и 4) нижнего ротора закреплены на шарнирах (10), установленных на кронштейн (7), внешнего вала (5), а подвижные лопасти (2 и 3) верхнего ротора закреплены на шарнирах (10), установленных на кронштейн (8), закрепленный па открытой части внутреннего вала (6), причем ход движения подвижных лопастей (1-4) ограничен упорами (11) и (12), расположенными на кронштейнах (7, 8), таким образом, что лопасти, движущиеся навстречу потоку, отклоняются по направлению потока ветра для вращения верхнего и нижнего роторов в противоположных направлениях без соударения подвижных лопастей (1-4).

2. Ветряной двигатель по п. 1, отличающийся тем, что приводные механизмы представляют собой электрогенератор(ы).

3. Ветряной двигатель по п. 1, отличающийся тем, что упоры (11) и (12) дополнительно снабжены пружинными механизмами для смягчения толчков, бросков и повышения плавности хода лопастей.

4. Ветряной двигатель по п. 1, отличающийся тем, что валы роторов дополнительно оснащены механизмами, выполняющими функции устройств торможения.