Ветродвигатель

 

Использование: применяется в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит вал и связанное с ним ветроколесо с упруго подвешенными лопастями. Лопасти выполнены с возможностью поворота вокруг продольных осей в обе стороны от плоскости вращения ветроколеса, а вал установлен под углом к горизонтали. 2 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам.

Существует горизонтально-осевой ветродвигатель, содержащий вал и соединенное с ним ветроколесо с упругоподвешенными лопастями. При этом каждая лопасть может поворачиваться в обе стороны от плоскости вращения ветроколеса относительно продольной оси, делящей ее на лобовую и хвостовую части так, что площадь хвостовой части больше, чем лобовой (а.с. СССР N 11243, МПК F 03 D 1/00, опубл. 1929 г.). Поэтому силы давления ветра на лобовую и хвостовую части лопасти различны и результирующий момент сил стремится повернуть лопасть вокруг продольной оси. Уравновесив упомянутый момент сил силой упругости торсиона, пружины кручения, подпружиненного упора или другого механизма получают систему автоматического регулирования тягового усилия, развиваемого лопастью.

В таком двигателе осуществляется автоматическое регулирование крутящего момента ветроколеса и демпфирование ударных ветровых нагрузок, а также достаточно эффективно используется энергия ветрового потока меняющегося направления без применения поворотной головки, поскольку направление отклонения лопасти зависит от направления ветра.

К недостаткам данного ветродвигателя можно отнести расположение регенератора и редуктора вверху на башне, что увеличивает ее массивность и материалоемкость установки в целом и невозможность использования силы лобового сопротивления лопастей.

Предлагается на ветродвигателе, содержащем вал и связанное с ним ветроколесо с упругоподвешенными лопастями, которые выполнены с возможностью поворота вокруг продольных осей в обе стороны от плоскости вращения ветроколеса, вал установить под углом к горизонтали.

Это позволит генератор и редуктор расположить внизу, причем также достигается совместное использование подъемной силы и силы лобового сопротивления лопастей для получения крутящего момента на ветроколесе. В конечном счете снижается стоимость установки и вырабатываемой энергии.

На фиг. изображен предлагаемый ветродвигатель (вид сверху). На фиг. 2 - то же, вид сбоку. Ветродвигатель содержит лопасти 1, упругоподвешенные (например, с помощью торсионов) на махах 2 в направлении поворота (в обе стороны) вокруг осей последних: в свободном (нейтральном) состоянии лопасти расположены в плоскости вращения махов так, что острая кромка (которая принадлежит части лопасти с большей площадью) направлена против направления вращения ветроколеса, а чтобы повернуть лопасть в любую сторону нужно преодолеть сопротивление торсиона. Причем сила упругости торсиона возрастает пропорционально углу отклонения лопасти от нейтрального положения. Махи 2 закреплены на ступице 3, выполненной в форме стакана, одетого на торец полой опоры 4. Вал, передающий крутящий момент, одним торцом закреплен к ступице 3 изнутри, проходит внутри полой опоры 4 (поэтому на схеме не виден) и выходит в машинное отделение 5. Вспомогательные опоры 6 поддерживают полую опору 4 под углом к горизонтали, так что плоскость вращения лопастей (перпендикулярная опоре 4) также расположена под углом к горизонту, и придают устойчивость конструкции.

Работает двигатель следующим образом.

При возникновении ветра (слева, как показано на фиг.) аэродинамические силы преодолевают силы упругости торсионов и отклоняют лопасти на некоторый угол от нейтрального положения: лопасть, идущая по ветру (на рисунке - ближняя, назовем ее 1А), отклоняется на угол от 90'' до 180'', а движущаяся против ветра (назовем ее 1В) на угол от 0'' до 45'' (см. схему). В таком положении обе лопасти обладают тянущей силой: 1А за счет совместного использования подъемной силы и силы лобового сопротивления, 1В за счет составляющей подъемной силы (направленной вниз), совпадающей с направлением движения лопасти. Тянущее усилие лопасти 18 уменьшается из-за лобового сопротивления (т. к. она движется против ветра). По мере поворота ветроколеса влияние на тянущую силу лобового сопротивления лопастей снижается (т.к. они начинают двигаться большей мере поперек ветра, чем по или против) вплоть до нуля в момент, когда лопасть 1А находится в верхней точке траектории, а 1В в нижней. При этом тянущее усилие развивается лопастями исключительно за счет подъемной силы. При дальнейшем движении лопасть 1А начинает двигаться против ветра, а 1В по ветру, т.е. все повторяется аналогично описанному (с заменой 1А на 1В и 1В на 1А). Вращающий момент, развиваемый лопастями, через ступицу 3 и передающий вал выводится в машинное отделение 5, где используется для привода, например, электрогенератора или насоса. Причем плавность хода ветроколеса будет высокой, т. к. колебания значений развиваемой тянущей силы лопастей происходят в противофазе. При высоких степенях быстроходности углы отклонения лопастей от нейтрального положения будут меньшими, чем вышеприведенные.

При обратном направлении ветра (на рисунке справа налево) установка работает аналогично описанному за исключением того, что лопасти отклоняются в противоположную сторону (от нейтрали): острая кромка лопасти, движущейся по ветру, направлена вверх (под углом).

При перпендикулярном (боковом) направлении ветра лопасти используют только силу лобового сопротивления. При этом лопасть, движущаяся против ветра, находится в нейтральном положении, совпадающим с флюгерным.

При других направлениях ветра установка работает в режимах, промежуточных описанным.

Из вышесказанного следует, что наибольшую эффективность установка имеет при направлениях ветра, параллельных вертикальной плоскости, проходящей через ось опоры 4, или близких к ним. Поэтому установка должна быть сориентирована на преобладающее направление ветра (прямое и обратное).

Установка может быть снабжена большим количеством лопастей, которые могут выполняться как профилированными, так и плоскими. Лопасти могут быть выполнены в виде нескольких секций с индивидуальной аэроупругой подвеской.

Формула изобретения

Ветродвигатель, содержащий вал и связанное с ним ветроколесо с упругоподвешенными лопастями, при этом лопасти выполнены с возможностью поворота вокруг продольных осей в обе стороны от плоскости вращения ветроколеса, отличающийся тем, что вал установлен под углом к горизонтали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2