ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ Советский патент 1927 года по МПК F03D7/02 

На чертеже, фиг. 1 схематически изображает вид крыльев предлагаемого вертикального ветряного двигателя спереди; фиг. 2 - то же, вид сбоку; фиг. 3 - приспособление для выключения двигателя; фиг. 4 и 5 - то же, варианты; фиг. 6 - регулятор работы двигателя, действующий на лопасти; фиг. 7-10 - варианты регулятора, действующего на мах; фиг. 11 - приспособление, связывающее регуляторы махов между собой; фиг. 12-18 - варианты кинематической связи между крыльями; фиг. 19 - срощенные фермы головки; фиг. 20 - ветряк с поворачивающим механизмом; фиг. 21-23 - варианты поворачивающего головку механизма.

В предлагаемом вертикальном ветряном двигателе лопасти а крыльев прикреплены своими передними краями к махам б, свободно вращающимся во втулках в-в₁ (фиг. 1 и 2). Для уравновешения лопастей а, главным образом по отношению к силе тяжести, применяются противовесы г, прикрепленные к махам б и расположенные в плоскостях лопастей. Поворотные крылья монтированы на горизонтальном валу о, с помощью закрепленной втулки д с отростками д₁ от концов которых отходят штанги е, поддерживающие втулки в; и штанги e₁, скрепленные с валом о. Идущие от вала о к втулкам в штанги e₁ дополняют поддерживающую систему, состоящую из двух трехгранных пирамид:

Под давлением ветра лопасть стремится повернуться передним, ребром к ветру (стрелки z на фиг. 2 указывают направление ветра), но наряду с силой, выводящей крыло из действия ветра, в лопасти вращающегося ветряка возникает центробежная сила, стремящаяся повернуть ее в плоскость вращения ветряка, т.-е. под 90° к валу (стрелка х). В этом положении моменты центробежных сил крыла становятся равными нулю, повышаясь до максимума при угле поворота лопасти в 45°. Моменты же сил давления ветра изменяются обратно, становясь максимальными при угле поворота лопасти к валу в 90°. Действием этих двух противоположных сил обусловливается положение лопастей под углами, близкими к наивыгоднейшим углам атаки; при чем регулирование может быть произведено подбором соответствующего веса лопасти а и груза г, а также в случае нужды и применением добавочных грузов, но расположенных под соответствующими углами к лопастям а.

Флюгерно подвешенные крылья не могут вывести ветряк из состояния покоя, когда отсутствуют центробежные силы, а под влиянием одного только ветра лопасти встанут по ветру, не давая ветряку достаточного момента вращения. Чтобы получить возможно больший начальный момент строгивания, применяются пружинные упоры, не позволяющие лопастям при нормальном ветре поворачиваться дальше известного наивыгоднейшего для строгивания угла и удерживающие лопасти на определенном угле поворота лишь до тех пор, пока давление ветра не превысит предельной величины. Таким образом, в бурю и вообще при ветре, скорость которого превысит предел рабочей скорости, упор должен повернуться, позволяя лопасти стать вдоль по ветру.

Для установки крыльев на наивыгоднейший угол начального момента строгивания, позволяющего вместе с тем выходить лопастям из действия ветра в бурю, может быть применено следующее приспособление. С махом б (фиг. 3) соединен кулак ж, непосредственно за которым на махе насажен свободно вращающийся рычаг з, притягиваемый пружиной и к неподвижному упору к. На рычаге з имеется палец л, в который может упереться кулак ж маха и тем препятствовать маху повернуться далее определенного угла. Но при очень сильном напоре ветра пружина и растянется, и мах сможет, повернуться далее, ставя крыло в разрез ветра. Весь механизм может быть помещен около вала ветряка, а неподвижные упоры к, к₁ - на раме, к которой крепятся махи. Вместо указанного приспособления, возможно применить изображенное на фиг. 4. На махе б насажена кулачная шайба м, упирающаяся своим косым краем в пружинный ролик н, коробка которого п закреплена на раме, к которой крепятся махи. При слишком большом, давлении ветра на крыло, ролик придвинется к коробке п и кулачная шайба м вместе с махом и крылом повернутся по ветру: Вместо плоской кулачной шайбы м может быть применена косая поверхность на торце цилиндра или кольца м₁ (фиг. 5).

В нормальных условиях работы лопасти становятся под рабочий угол к ветру, но если нейтрализовать центробежные силы лопастей и грузов прибавлением грузов г₁, г₂, расположенных в плоскости, перпендикулярной к поверхности лопастей (фиг. 6), то их центробежные моменты парализуют моменты лопастей а и грузов г, а давление ветра выведет лопасть из рабочего положения, вследствие чего ветряк остановится.

Регулирование работы двигателя может производиться с помощью механизма, внешне напоминающего собой регулятор с шарами, но используемый иначе: в обычных регуляторах грузы г₁, расходясь в плоскости своего качания, передвигают регулирующие, механизмы, в предлагаемом же регуляторе расхождение шаров г₁ до положения, обозначенного на фиг. 7 пунктиром, создает появление в плоскостях, перпендикулярных лопастям, тех вышеуказанных парализующих грузов г₁, момент центробежных сил которых лежит уже в плоскости перпендикулярной плоскости расхождения грузов. Но указанный регулятор не уравновешен по отношению к силе тяжести, вследствие чего в периоды прохождения крыла внизу к центробежной силе грузов регулятора будет прибавляться их вес, а при прохождении крыла вверху этот вес будет вычитаться, и регуляторы при известных числах оборотов начнут попеременно раскрываться и закрываться, создавая неспокойный ход ветряка, ухудшающийся еще и тем обстоятельством, что радиальная центробежная сила раскрывшегося регулятора гораздо больше, чем у еще не раскрывшегося. Для устранения этого недостатка в трубчатом махе б (фиг. 8а) проходит поперечная ось с барабанчиком р. На выступающие наружу концы оси насажены штанги с грузами г₁. Барабанчик р плотно обвивается тросом с, к одному из концов которого, идущему к периферии маха, прикреплен груз т, а к другому концу такого же веса груз т₁, притягиваемый пружиной у по направлению к периферии маха. Натяжение пружины у вызывает с одной стороны прижимание груза т к перегородке ф, а с другой стороны поворачивает штангу с грузами г₁ так, что грузы эти располагаются в ближайшем расстоянии от маха б. При достаточной скорости вращения ветряка, центробежная сила груза т, как наиболее, отдаленного от оси вращения о, преодолеет центробежную силу более близкого к валу груза т₁, а также и натяжение пружины, у. Отходя к периферии, груз т повернет помощью троса с барабанчик р и штангу с грузами г₁, поставив последние в положение, обозначенное пунктиром, чем и создаст появление нейтрализующего момента. Барабанчик с тросом может быть заменен зубчаткой с цепочкой.

На фиг. 8в изображено крыло, которое уже заранее делается нейтральным в отношении центробежных моментов, благодаря нейтрализующим грузам г, г, расположенным в перпендикулярной плоскости к лопасти; необходимый же для работы поворотный момент создают грузы г₁, г₁. Штанга с грузами г₁ притягивается пружиной у к упору ф и принимает слегка косое направление, которое создает избыточную центробежную силу в левом грузе и заставляет штангу стремиться повернуться в положение, указанное пунктиром, что и произойдет, когда при предельном числе оборотов, ветряка центробежная сила преодолеет силу пружины у. Когда грузы г₁ перейдут в положение, ближайшее к маху, их поворотный момент исчезнет, и ветер выведет крыло из действия.

Следующий вариант регулятора изображен на фиг. 9. Груз т, поворачивая барабанчик р, заставляет, благодаря коническим. зубчаткам х-х₁, повернуться вокруг маха б втулку ц со штангами и грузами г₁. Пока скорость вращения ветряка не достигла предельной, грузы г₁ остаются в плоскости лопасти крыла; при переходе же за допустимую скорость вращения центробежная сила груза т поворачивает барабанчик р, а зубчатками х-х₁ поворачивает муфту ц со штангами и грузами г₁ которые становятся перпендикулярно плоскости лопасти крыла и действуют, подобно ранее описанным регуляторам, в более сильной степени, так как грузы уходят вместе с тем из плоскости лопастей, где они давали обратный момент. Связывающий штанги и грузы механизм и натяжная пружина могут быть помещены внутри маха б и, таким образом, защищены от наружных влияний погоды и проч. (фиг. 10). Оба груза г₁ связываются кинематически зубчатыми секторами ч, а пружина у притягивает их к маху б. Для того, чтобы регуляторы отдельных крыльев действовали вполне согласованно, их возможно связать между собою какою-либо кинематическою связью (фиг. 11), для чего на вал о ветряка насажена свободно поворачивающаяся муфта ш, от концов которой отходят шарнирные тяги к пояскам щ, свободно вращающимся на муфтах регуляторов.

Крылья для более спокойного действия полезно связать какой-либо кинематической связью, например, коническими, фрикционными или зубчатыми колесами (фиг. 12), или цилиндрическими колесами (фиг. 13). Фиг. 14 изображает сбоку и спереди шарнирно рычажную кинематическую связь крыльев. От муфты я, свободно насаженной на валу ветряка о, отходят шарнирно скрепленные с ней рычаги ю, в свою очередь, связанные шаровыми или какими-либо другими универсальными шарнирами с рычагами ы, шарнирно скрепленными с махами б; таким образом, при повороте одного маха, другой повернется на тот же угол, но в обратную сторону.

В виду необходимости смазочных устройств при рычажной и шарнирной связи, что является недостатком ее, предлагается комбинация двух связей - зубчатой и фрикционной, так как при одной зубчатой связи неизбежны стуки и износ, а при одной фрикционной связи может наблюдаться скольжение. При двойной связи указанные недостатки устраняются, для чего на махах б надеваются одно за другим по два колеса; ближе к валу о ветряка зубчатые - а′′, дальше от вала фрикционные - в′′. С первыми сцепляется зубчатка г′′, со вторыми фрикционное колесо д′′, прижимаемое пружиной е′′ (фиг. 15а). В виду того, что махи поворачиваются лишь на угол не более 90°, возможно на махах б приманить колеса ж′′ наполовину зубчатые, наполовину фрикционные (фиг. 15в). Одни и те же колеса могут иметь концентрические зубчатые и фрикционные венцы ав и гд и являться, таким образом, одновременно фрикционно-зубчатыми колесами (фиг. 15с).

Регулирование числа оборотов можно получить еще следующим образом. Грузы т (фиг. 16, 17 и 18), помощью тросов или штанг с, могут поворачивать барабан р, свободно насаженный на валу о ветряка и оттягиваемый в обратную сторону пружинами у, прикрепленными с одной стороны к наглухо соединенным с валом о поперечинам А′, а с другой стороны - к пальцам Б′, отходящим от барабана р. При предельном числе оборотов ветряка, центробежная сила грузов т преодолевает силу пружины у, грузы отходят к периферии, поворачивая барабан р; последний, в свою очередь, помощью пальцев Б′, поворачивает муфту я и вместе с нею крылья, выводя их из действия ветра.

Поворотная часть головки в предлагаемом ветряке состоит из двух сопряженных ферм, непосредственно, переходящих одна в другую (фиг. 19). В более коротком (правом) горизонтальном отростке фермы помещается вал о, а на левом - укрепляется поворотный на ветер механизм (в данном случае виндроза, но может быть и флюгерный хвост) (фиг. 20). Вертикальная ферма В проходит внутрь усеченного конуса башни Г и может вращаться на шариковом подшипнике Д, образованном из кольца Е, с канавкой для шариков, надетом на основание отростка В, и плоского широкого кольца З, укрепленного на конце усеченного конуса башни Г. Направляющий подшипник И удерживает нижнюю часть фермы В. В поворотном для головки ветряка механизме обычное башенное червячное колесо заменено фрикционным диском З, к которому прижимается фрикционный ролик К виндрозы (фиг. 20).

На фиг. 21, изображающей отдельно механизм виндрозы, - Л - крылья, М - червячный винт, Н - червячное колесо, П - его ось, идущая к башне, К - фрикционный ролик. Весь механизм заключается в картер Р (фиг. 22), наполненный смазкой. Ось П заключена в трубу, составляющую продолжение того же картера. Таким образом, виндроза защищена и подвешивается к ферме головки ветряка следующим образом: на боковые трубчатые отростки картера Р свободно надеты подшипники С, которые прикрепляются к заднему концу ферщую продолжение того же картера, виндрозы качаться в больших пределах, а ее ролику К - прижиматься к фрикционному диску З пружиной Т (фиг. 20 и 22).

Вместо червячной передачи, возможно применить цилиндрическую зубчатую (фиг. 23).

1. Вертикальный ветряный двигатель, характеризующийся применением закрепленных на свободно вращающихся махах б лопастей а (фиг. 1 и 2), поворачиваемых при работе действием центробежной силы их и снабженных уравновешивающими грузами г и, с целью регулирования работы двигателя, - дополнительными грузами г и, с целью регулирования работы (фиг. 6) или к махам (фиг. 7-10) и вводимыми в действие или выключаемыми под влиянием центробежной силы и пружин (фиг. 7, 8в и 10), или при помощи грузов т, т₁, связанных с барабанчиками р (фиг. 8а и 9), при чем все регулирующие грузы г₁ могут быть связаны между собою (фиг. 11).

2. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 двигателя, отличающееся включением кинематической связи между лопастями или махами, состоящей из шарнирно-рычажных соединений ю, ы (фиг. 14), сочленяющих махи с свободно сидящею на оси о ветряка муфтою я, или из подобных же сочленений и грузов т (фиг. 16-18), связанных с барабаном р, свободно насаженным на оси о ветряка и соединенным пальцами Б′ и пружинами у с закрепленною на оси о поперечиною А′.

3. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 двигателя, отличающееся выключением кинематической связи между лопастями или махами, состоящей из закрепленных на махах конических (фиг. 12) или цилиндрических (фиг. 13) трущихся катков или зубчатых колес, или тех и других (фиг. 15).

4. Видоизменение охарактеризованного в п. 1 двигателя, отличающееся применением, для выключения двигателя, при сильном ветре, - приспособления, состоящего из кулаков ж (фиг. 3) или М (фиг. 4), закрепленных на махах б и удерживаемых или пальцами л пружинных рычагов з, свободно сидящих на махах (фиг. 3), или пружинными роликами и (фиг. 4).

5. Применение к охарактеризованным в п.п. 1-4 двигателям головки ветряка, состоящей из двух сопряженных между собою ферм А и В (фиг. 19-20), из коих вертикальная ферма В вводится в верхний конец башни Г и удерживается соответственно расположенными подшипниками.

6. Применение к охарактеризованным в п.п. 1-5 двигателям поворачивающего механизма для головки ветряка (фиг. 20-23), состоящего из фрикционного, диска З и ролика К, прижимаемого к диску пружиною Т и приводимого во вращение одним или двумя боковыми ветряками.