Ветродвигатель Советский патент 1993 года по МПК F03D7/06 

5, т.е. когда она расфиксирована и свободно вращается на своей оси при движении лопасти 3 против ветра, вертикальные стойки 11 (фиг.4) выполнены с каплеобразным профилем в поперечном сечении, причем утолщение профиля обращено наружу рамки 5. Другим вариантом обеспечения аэродинамического дисбаланса является установка в плоскости рамки 5 на удлиненных горизонтальных стержнях 10 параллельно стойкам 11 флюгеров или свободных полотнищ, создающих флюгерный эффект.

Для обеспечения весового дисбаланса рамки 5 горизонтальные стержни 10 выполняются полыми-и частично заполненными жидкостью (на чертеже не показана), свободно перетекающей внутри стержня под действием центробежных сил. Возможны также и другие конструктивные варианты выполнения рамки 5 с аэродинамическим и весовым дисбалансом.

Система управления положением рамок 5 включает в себя фиксаторы 12, представляющие собой электромагнитные исполнительные механизмы, закрепленные на держателях с возможностью взаимодействия с каркасом рамки 5. На фиг. 5 изображен один из вариантов выполнения фиксатора 12 в виде управляемого электромагнита 13 с подпружиненным сердечником 14 и накладки 15 с отверстием 16 для прохода сердечника 14, размещенной на горизонтальном стержне 10. Возможно также выполнение фиксатора 12, например, в виде электромагнита, взаимодействующего непосредственно с накладкой из магнито- проводящего материала, закрепленной на стержне 10 (на чертеже этот вариант не по-, казан).

Система управления положением рамок содержит также флюгер 17 (фиг.6) и датчик углового положения лопастей относительно направления ветра. Чувствительный элемент этого датчика расположен на каждой из лопастей 3 и выполнен например, в виде токосъемников 18. Устройство, воздействующее на чувствительный элемент, расположено на флюгере 17 и выполнено, например, в виде то ко про водящего сектора или сегмента 19, связанного с источником тока (на чертеже не показан) и охватывающим сектор с углом -15 - +165° относительно плоскости аэродинамического гребня флюгера 17. Датчик углового положения лО- пастей может быть также выполнен, например, оптическим со светодиодом в качестве чувствительного элемента и источником излучения, установленным на флюгере 17, индукционным, ультразвуковым и т.д. В зависимости от типа датчика система управления может включать в себя схему преобразования сигнала с датчика в управляющее воздействие на фиксаторы. В варианте выполнения/показанном на фиг.6, фиксаторы 12 напрямую связаны через токосъемники 18 и сегмент 19 с источником тока, При всех вариантах выполнения датчика сектор воздействия на чувствительный элемент должен находиться в указанном диапазоне

0 -15 -+165° относительно плоскости аэродинамического гребня флюгера, т.е. направления ветра,,т.к. это и есть зона срабатывания датчика и, соответственно, фиксаторов 12. Зона срабатывания фиксаторов 12 сме5 щена на 15° относительно направления ветра для компенсации возможных колебаний рамок при порывах ветра и изменениях направления. Смещение зоны захвата рамки более чем на 165° может привести к проска0 киванию рамки (незахвату) и ее холостому ходу в рабочей зоне. Уменьшение зоны захвата менее 165° увеличивает аэродинамическое сопротивление рамок на холостом ходу в случае преждевременного захвата и

5 снижению КПД ветродвигателя. Увеличение угла расфиксирования рамок более чем на . -15° приводит к увеличению амплитуды колебания рамки на холостом ходу, а уменьшение - к возможной работе рамки в

0 зафиксированном положении в зоне холостого хода и связанными с этим повышение аэродинамического сопротивления и возможным переколебанием.

На фиг.7 показан вариант установки че5 тырехлопастного ветродвигателя на водном транспортном средстве. В этом случае ло.па- сти устанавливаются одна над другой поя- русно традиционно для парусных судов. Вал отбора мощности 2 установлен коаксиально

0 с мачтой на подшипниках. Крестообразные реи закреплены на валу отбора мощности 2 посредством подшипников. Вся конструкция мачты жестко связана с корпусом судна посредством вант, закрепленных также на

5 консолях рей.

Электродвигатель работает следующим образом..

Под действием набегающего ветрового потока флюгер 17 разворачивается таким

0 образом, что плоскость его аэродинамического гребня совпадает с направлением ветра. При этом по меньшей мере один чувствительный элемент 18 хотя бы одной из лопастей 3 (при трехлопастном выпол5 нении ветродвигателя) попадает в сектор, где закреплено устройство 19, воздействующее на чувствительный элемент 18. Сигнал от датчика углового положения (т.е. его чувствительного элемента) поступает на фиксатор 12. Электромагнит 13 втягивает

сердечник 14, который выходит из отверстия 16 в накладке 15 и рамка 5 расфиксиру- ется. Благодаря аэродинамическому и/или весовому дисбалансу эта рамка 5 поворачивается в держателе 4 на своей оси и устанавливается по ветру, т.е. ее плоскость совпадает с направлением ветра, вследствие чего ее аэродинамическое сопротивление становится минимальным. Поскольку в это же время остальные рамки 5 находятся в зафиксированном состоянии, т.е. их плоскости совпадают с плоскостями держателей 4. то их аэродинамическое сопротивление значительно больше, и лопасти 3, а с ними и вал 2 начинают вращаться. По мере поворота уюпастей 3 чувствительный элемент 18 следующей лопасти входит в сектор воздействия устройства 19 и рамки 5 этой лопасти расфиксируется и устанавливается по ветру, а чувствительный элемент 18 предыдущей лопасти выходит из сектора воздействия устройства 19 и рамка 5 этой лопасти захватывается фиксатором. Таким образом происходит поочередная фиксация рамок 5 в рабочем положении, при движении лопастей 3 по ветру, и передача вращательного момента на вал 2. Соответственно при движении лопастей 3 против ветра, рамки 5 освобождаются фиксаторами 12, устанавливаются по ветру и потери мощности на этих рамках минимальны.

В зависимости от типа фиксаторов 12, используемых в ветродвигателе, датчик углового положения лопастей может не подавать ток на фиксаторы 12, как это описано выше, а наоборот обесточивать их. При.этом режим работы ветродвигателя не изменится.,

В случае необходимости, например, при шквальном или штормовом ветре, все рамки 5 могут быть расфиксированы путем обесто- чивания (или подачи тока) на все фиксаторы 12, и таким образом резко снимается ветровая нагрузка, частота оборотов и изгибающие моменты на валу 2.

Предлагаемый ветродвигатель может быть использован так в наземном варианте, при установке его на грунт, так и в морском варианте, при установке его на водное транспортное средство. В этом случае заявляемый ветродвигатель с успехом заменяет обычное парусное вооружение судна. Ветродвигатель на судне может использоваться в двух режимах. Первый режим аналогичен описанному выше, когда энергия с вала отбора мощности через редуктор передается на гребной винт. Второй режим осуществляется при движении судна в фордевинд. В этом режиме вал отбора мощности 2 стопорится таким образом, чтобы две

диаметрально расположенные группы лопастей 3 с зафиксированными рамками 5 были установлены перпендикулярно направлению ветра, а две другие группы лопастей 3 с расфиксированными рамками 5 распола- гаются по ветру. Ветродвигатель придает судну ход как обычное парусное сооружение.

По сравнению с прототипом предлагае0 мый ветродвигатель имеет меньшую металлоемкость, т.к. в нем отсутствует механизм принудительного поворота рамок. Кроме того, в заявляемом ветродвигателе рамки 5, находящиеся в нерабочем положении, са5 моуста на вливаются по ветру на всем протяжении нерабочего хода, т.е. на половине дуги окружности, что невозможно в двигателе-прототипе и, следовательно, повышается коэффициент использования ветровой

0 энергии. И, наконец, в заявляемом устройстве имеется возможность привести в случае необходимости, например при штормовом ветре, все р.амки 5 в нерабочее положение, что повышает надежность дви5 гателя.

Ориентировочные расчеты показывают, что четырехлопастной ветродвигатель с размерами рамки 6x6 и скорости ветра 5 м/с развивает мощность S30 кВт.

0 Трехмачтовое парусное судно водоизмещением 4500 т с площадью рамок 120 м на одной мачте при ветре 10 узлов в бейдевинд развивает мощность на одной мачте 2840 кВт, на трех мачтах 8525 кВт, что по5 зволит судну иметь ход с учетом КПД не менее 10 узлов.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 1. Ветродвигатель, содержащий корпус с вертикальным валом отбора мощности,

0 прикрепленные к последнему лопасти, выполненные в виде радиальных державок и рамок с горизонтальными стержнями и вертикальными стойками, шарнирно связанных с державками и установленных с

5 возможностью поворота каждой рамки относительно оси вращения в державках, паруса, закрепленные на рамках, и систему управления положением рамок, включающую флюгер, источника тока и размещен0 ные на державках фиксаторы рамок с электромагнитными приводами, подключенными к источнику тока, о т л и ч а ю- . щ и и с я тем, что, с целью повышения надежности и эффективности использова5 ния энергии ветра, рамки выполнены с возможностью установки в державках с аэродинамическим и/или весовым дисбалансом относительно оси вращения каждой рамки, а система управления положением рамок снабжена датчиком углового положения лопастей относительно направления ветра с чувствительным элементом, установленным на лопастях, установленным на флюгере устройством, связанным с чувствительным элементом и охватывающим сектор с углом -15...+ 165°; относительно плоскости флюгера.

2. Ветродвигатель по п.1, отличаю- щ и и с я тем, что поперечное сечение каждой стойки имеет каплевидный профиль.

3. Ветродвигатель по п.1, о т ли чающийся тем, что каждая лопасть снабжена парой флюгерных элементов, установленных на стержнях рамки параллельно ее стойкам и снаружи последних.

4. Ветродвигатель по п.1, отличающий с я тем, что стержни рамок выполнены полыми и частично заполнены жидко- стью. . :

Фиг.1V

Фиг. 3

..г- .

.-.- . r«v

,; vi - .

. II

в-в

fff

0

Г

S-6

Је/яер

фиг.4 Ы

/J

/

0

фи г 5

г,

Фиг. 7

д-д

Фиг. //