ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ Советский патент 1928 года по МПК F03D3/00 

Опытными наблюдениями и измерениями доказано, что средняя годовая скорость ветров 9-10 м/сек бывает лишь на высоте 500 метров над землею. Эта скорость более, чем в два раза превышает среднюю годовую скорость ветров 4-5 м/сек, наблюдаемую у поверхности земли (на высоте около 20-30 метров). Кроме того, на высоте 500 метров почти не наблюдалось отсутствия воздушных течений (штиль), ниже 3 м/сек и периоды безветрия у поверхности земли, занимают около 13% всего времени в году. Эта разница особенно заметна для срединных районов СССР по сравнению с его побережьями. Поэтому, если на открытых побережьях высота расположения ветряного двигателя желательна была бы, например, в 200-300 метров над уровнем земли, то в подавляющем большинстве для срединных районов нашего Союза, нужна была бы высота в 500 метров, чтобы получить постоянный ветер со средней годовой скоростью 9-10 м/сек.

По мнению автора, дальнейшее увеличение высоты расположения ветряных двигателей на 1000 м и выше, не влияет на увеличение скорости ветра более, чем на 10% от скорости, наблюдаемой при 500 метров. Поэтому наиболее желательной рабочей высотой расположения ветряного двигателя является высота 500 метров над уровнем земли, Практика устройства привязных аэростатов (баллон-каптив), показывает возможность осуществления такого вида высотных сооружений. Для этой цели автором предлагается ветряный двигатель, состоящий из двух полых полуцилиндров, герметически закрытых, наполненных легким газом (водородом или гелием) и образующих зигзагообразный канал, снабженный по концам пружинными, поворотными заслонками, служащими для прикрытия входного и выходного отверстий канала при усилении ветра.

На чертеже фиг. 1 схематически изображает вид сбоку ветряного двигателя, фиг. 2 - то же, вид сверху, фиг. 3 - боковой вид ветросиловой установки, состоящей из двух спаренных ветряных двигателей, фиг. 4 - то же, вид сверху, фиг. 5 изображает схему общего вида ветросиловой установки в различных положениях, соответствующих той или иной скорости ветра, и фиг. 6 - профиль рамы.

Предлагаемое изобретение имеет следующее устройство. Два полых полуцилиндра 1 (фиг. 1, 2) с заостренными и закругленными кромками, сдвинутые один относительно другого, образуют внутренний зигзагообразный рабочий канал. Полуцилиндры укреплены между двумя, ограничивающими их сверху и снизу, дисками 5 и 6. Главный вал двигателя проходит вне дисков, не загромождая канала. Как полуцилиндры, так и диски сделаны из тонких металлических листов на внутреннем каркасе. Металлическая оболочка полуцилиндров сделана герметическою, непроницаемого для газов, и наполнена легким газом (водородом или гелием) с таким расчетом, чтобы под′емная сила газа, содержащегося в полуцилиндрах, равнялась весу всей вращающейся системы ветряного двигателя. Для автоматического регулирования такого типа ветряного двигателя служат две вертикальные поворотные заслонки 2 и 3 (фиг. 2), насаженные па шарнирах у острых кромок полуцилиндров. Заслонки имеют такую высоту, что между их краями и дисками образуется зазор для свободного перемещения заслонок. Ширина заслонки рассчитана так, чтобы она перекрывала устье внутреннего канала между полуцилиндрами. Посредством пружины 4 заслонка 2 оттягивается в крайнее открытое положение, при чем упор 10 удерживает ее в этом крайнем положении, не позволяя ей отклоняться далее при увеличивающейся центробежной силе.

В том случав, когда ветер переходит в бурю, под его усиленным воздействием приходят во вращение малые роторные ветротурбинки 7 (фиг 1, 2), помещенные попарно для каждой заслонки у верхнего и нижнего дисков. Эти парные ветротурбинки (верхняя и нижняя) соединены между собою общею вертикальной осью 8 для того, чтобы вращение их было бы одинаковым. Благодаря вращению ветротурбинок 7 в бурю они наматывают на свою ось гибкий трос 9′, перекинутый через блок 9 к краю заслонки. Этим вращением заслонка 2 в положение заслонки 3, несмотря на противодействие центробежной силы заслонки и противодействие натягивающейся пружины 4. Вследствие того, зигзагообразный канал между полуцилиндрами закрывается, и тогда ветер имеет перед собою два смещенных полуцилиндра, соединенных косыми поверхностями. Действием ветра па эти косые поверхности закрытых заслонок ветряный двигатель будет вращаться при буре так же, как оп вращался бы при нормальном ветре и открытых заслонках. Когда буря стихает и ветер становится нормальным, вращение ветротурбинок 7 уже не может преодолеть натяжения пружины 4 и центробежной силы заслонки, начинающей открываться наружу. При максимальном открытии заслонки в слабый ветер, происходит увеличение размаха крыльев, увеличивающее мощность двигателя по сравнению с таким же двигателем, не имеющим заслонок. При нормальном же ветре, когда ветротурбинки 7 только начинают проявлять свое воздействие, заслонки 2 и 3 становятся сами в наиболее выгодное положение для струй ветра, проходящих зигзагообразный рабочий канал, и для струй, обтекающих лопасти снаружи.

На фиг. 3, 4 изображена ветросиловая установка, состоящая из двух описанных ветряных двигателей или роторов. В полуцилиндрах 1, сделанных из тонкой волнистой металлической оболочки, имеется положенное число кранов (не изображенных на чертеже) для наполнения газом и для выпуска его, а также устроены предохранительные клапаны (не показанные на чертеже). Эти полуцилиндры располагаются попарно, при чем каждая пара симметрична по отношению к оси 3 ветряного двигателя. В свою очередь, оба ветряных двигателя расположены симметрично по отношению к общей, средней воображаемой, осп всей ветросиловой установки. От осей 3, 3 (фиг. 3, 4) вращение передается через увеличивающую число оборотов зубчатую передачу 2,2 горизонтально расположенным цилиндрическим ротором 6, 6, поднимающим все сооружение вверх, благодаря эффекту Магнуса. Цилиндрические роторы 6, 6 так же, как и полуцилиндры 1, 1, наполняются легким газом, при чем они также снабжены кранами и предохранительными клапанами. Размеры всех газовместилищ рассчитаны таким образом, чтобы под′емная сила легкого газа, заключенного в них, превышала в 2-3 раза вес всего сооружения, включая вес троса и проводов, идущих к земле. Зубчатая передача 10, находящаяся в середине между цилиндрическими роторами, передает вращение электрическому генератору 11, от которого провода передают энергию вниз на землю. Электрический генератор применяется со специальной обмоткой, гарантирующей постоянство напряжения при разных числах оборотов. Все подшипники главных ветротурбин и роторов - шариковые.

Подшипники монтированы на общей раме, сделанной в виде трех, составленных вместе, аэропланных крыльев с обтекаемым профилем 12 (фиг. 6). Рама состоит из двух горизонтальных частей: верхней 13 и нижней 14, и одной вертикальной - 15. Части эти пустотелые и состоят из легкого металлического каркаса, обтянутого топкой металлической оболочкой. Полая рама 13, 14, 15 (фиг. 3), служащая для закрепления роторов, снабжена дверью 10, окнами 17 и внутреннею лестницею. К нижней части 14 рамы приделаны прочные колеса для возможности передвижения станции при ее спуске на землю. Чтобы уменьшить лобовое сопротивление и одновременно облегчить доступ изнутри к вращающимся частями к подшипникам, все зубчатые передачи 2-2 и 10 (фиг. 3, 4), а также и генератор 11, заключены. в удобообтекаемые кожуха грушеобразной формы, обращенные тупыми концами навстречу ветру. Трос привязывается шарнирообразно к средней вертикальной перемычке в одной точке 19, которая представляет из себя математический центр тяжести очертания всего сооружения. В точках 18, 18 (у колес) прикрепляются шарнирообразно две тяги 20, 20, сходящиеся в одну точку 21 таким образом, что эти тяга обхватывают главный трос. При этом отверстие, через которое проходит трос, устроено внутри шарнира Гука, допускающего, с одной стороны, проход троса через отверстие без перегиба, а с другой стороны, могущего свободно скользить вдоль троса вверх и вниз. Благодаря этому, при различных положениях (фиг. 5), а именно: I - в безветрие, II - при слабом ветре, III - при нормальном ветре и IV - в бурю, сооружение будет всегда сохранять отвесное положение. Этому может содействовать также и хвостовое устройство 22, которое будет оттягивать нижнюю часть по направлению действующего ветра. Хвостовое устройство может быть обычным как у воздушных змей, или в виде рулевых плоскостей. В случае надобности ветросиловая установка может быть легко притянута в земле лебедкой 23, установленной на поворотной платформе. Поворот платформы устраивается для того, чтобы она могла следовать автоматически всякому изменению направления ветра. Провода от генератора 11 идут отдельным кабелем, наматываемым на барабан лебедки 23, одновременно с намоткой троса. Для ограждения ветросиловой установки от повреждения молнией устраивается заземление (громоотвод). В ночное время зажигаются электрические лампочки как на самой станции наверху, так и вдоль троса - в предупреждение летательным аппаратам.

1. Ветряный двигатель, характеризующийся применением между дисками 5 и 6 двух сдвинутых один относительно другого полуцилиндров 1, герметически закрытых, наполненных легким газом (водородом или гелием) и образующих зигзагообразный канал, снабженный по концам пружинными, поворотными заслонками 2 и 3, служащими для прикрытия входного и выходного отверстий указанного канала при усилении ветра и поворачиваемыми парными ветротурбинками 7, соединенными общими осями 8 и наматывающими привязанные к концам указанных заслонок 2 и 3 канаты на присоединенные к турбинкам барабаны.

2. Применение охарактеризованного в п. 1 ветряного двигателя в качестве ротора к ветросиловой установке, состоящей из двух указанных в п. 1 двигателей или роторов, которые зубчатыми передачами 2, 10 и валами 3, 4 связаны с электрогенератором 11 и с двумя цилиндрическими роторами 6, также заполненными легким газом и предназначенными для под′ема на воздух всей установки вместе с составною полою рамою 13, 14, 15 с обтекаемым профилем 12, служащею для закрепления в ней вышеуказанных роторов и снабженною дверью 16, окнами 17 и внутреннею лестницею и посредством тросов удерживаемою на привязи лебедкой 23 с отдельным барабаном для кабеля с проводом от генератора 11