Роторный ветродвигатель
Изобретение относится к ветроэнергетике и касается роторных ветродвигателей, которые могут быть использованы для получения дешевой механической энергии. Технический результат заключается в упрощении конструкции и управления ветродвигателем, повышении его надежности и КПД (коэффициента полезного действия) за счет уменьшения тормозящего момента наветренных крыльев. Предлагаемый ветродвигатель содержит вертикальную мачту, установленную с возможностью вращения на растяжках и радиально-упорных подшипниках в опорном узле и закрепленные на ее горизонтальной траверсе крылья ротора, размещенные вокруг мачты на вертикальных валах и снабженные поворотными цапфами. Цапфы внутренних крыльев ротора закреплены на торцах трубчатой траверсы, проходящей через соответствующие отверстия в этих крыльях, а цапфы наружных крыльев снабжены кривошипами, установленными в обоймах на концах связующего стержня, проходящего по прямолинейной направляющей внутри трубчатой траверсы с буферными пружинами, которые упираются в обоймы кривошипов наружных крыльев ротора, при этом крылья ротора попарно насажены передними кромками на вертикальные валы, параллельные осям цапф внутренних крыльев ротора. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к ветроэнергетике и касается роторных ветродвигателей, которые могут быть использованы для получения дешевой механической энергии.
Известен ветродвигатель, содержащий вертикальную опорную мачту, закрепленную при помощи растяжек в опорном узле. Установленные на мачте роторы Савониуса и ветроколесо, последнее из которых выполнено в виде полых цилиндров с торцевыми фланцами, размещенными вокруг ротора Савониуса на вертикальных валах с цапфами, снабженными опорными роликами, контактирующими с кольцевой направляющей и закрепленных на нижних цапфах вертикальных валов. При этом боковая поверхность каждого цилиндра выполнена в виде упругих пластин, частично перекрывающих друг друга, с образованием зазоров, ориентированных по окружности в одном направлении и снабженных отражательными лопатками, закрепленными с внутренней стороны пластин и соединенных с торцевыми фланцами (см., например, SU, 1553755 А1, кл. F 03 D 3/00, 30.03.1990) по совокупности существенных признаков принятый за ближайший аналог (прототип) изобретения.
Недостатками известного ветродвигателя являются его конструктивная сложность и невысокий КПД (коэффициент полезного действия), обусловленный тормозящим моментом крыльев и цилиндров, двигающихся в наветренном секторе против ветра, а также отсутствие технической возможности оперативного управления и остановки ветродвигателя.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и управления ветродвигателем при одновременном повышении его эффективности и КПД за счет резкого уменьшения тормозящего момента наветренных крыльев, что позволит роторному ветродвигателю успешно конкурировать с пропеллерными ветродвигателями.
Для решения поставленного технического результата предлагается роторный ветродвигатель, содержащий вертикальную мачту, установленную с возможностью вращения на растяжках и радиально-упорных подшипниках в опорном узле и закрепленные на горизонтальной траверсе мачты крылья ротора, размещенные вокруг мачты на вертикальных валах и снабженные поворотными цапфами. Крылья ротора попарно насажены передними кромками на вертикальные валы, параллельные осям цапф внутренних крыльев ротора. Цапфы внутренних крыльев ротора закреплены на торцах трубчатой траверсы, проходящей через соответствующие отверстия в этих крыльях, а аналогичные цапфы наружных крыльев снабжены кривошипами, установленными на концах связующего стержня, проходящего по прямолинейной направляющей внутри трубчатой траверсы с буферными пружинами, которые упираются в обоймы кривошипов наружных крыльев ротора. При этом внутренние крылья ротора могут быть выполнены в виде предкрылков, жестко закрепленных на торцах горизонтальной траверсы под острым углом к ее оси, так, что радиус кривошипов цапф наружных крыльев превышает отклонение дугообразной траектории осей этих цапф от прямолинейного смещения концов связующего стержня. Причем сам связующий стержень может быть выполнен из одинаковых частей, разделенных оппозитными поршнями гидроцилиндра, размещенного внутри горизонтальной траверсы и через трубу вертикальной мачты гидравлически связанного с разборным поршнем гидроцилиндра управляющего механизма, который выполнен в виде винтового ромбического домкрата, расположенного в опорном узле.
Для равномерной и синхронной работы двух однотипных ветродвигателей на вертикальной мачте установлен шкив зубчатого ремня, соединяющий кинематически мачту с двойным шкивом механической нагрузки, которая при помощи другого аналогичного ремня связана со шкивом вертикальной мачты второго ветродвигателя равным передаточным отношением так, что их траверсы развернуты перпендикулярно друг другу.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображен ветродвигатель (общий вид); на Фиг.2 - узел горизонтальной траверсы с оппозитными поршнями связующего стержня; на Фиг.3 - управляющий гидроцилиндр и механизм опорного узла; на Фиг.4 - горизонтальная проекция ротора ветродвигателя в исходном состоянии; на Фиг.5 - то же, под ветровой нагрузкой; на Фиг.6 - горизонтальная проекция ротора с жестко закрепленными внутренними предкрылками.
Роторный ветродвигатель содержит вертикальную вращающуюся мачту 1, установленную в радиально-упорных подшипниках 2 на растяжках 3 и опорном узле 4. На верхнем торце мачты 1 закреплена горизонтальная трубчатая траверса 5, внутри которой, на прямолинейной направляющей, установлен связующий стержень 6 с обоймами 7 на концах. Через эти обоймы 7 проходят кривошипы наружных цапф 8, установленных в подпятниках 9 наружных крыльев 10, ротора, которые закреплены на вертикальных валах 11 попарно с внутренними крыльями 12, также снабженных подпятниками 9 с прямыми цапфами 13, закрепленными на торцах траверсы 5 параллельно валам 11. На торцах траверсы 5, свободно проходящей через соответствующие отверстия внутренних крыльев 12, установлены буферные пружины 14, которые упираются в обоймы кривошипов 7 наружных крыльев 10 ротора так, что в исходном (свободном) положении они находятся на одинаковом расстоянии от внутренних крыльев 12. У основания мачты 1 закреплен шкив 15 зубчатого ремня 16, при помощи которого она кинематически связана с двойным шкивом 17 механической нагрузки 18, например, насоса, электрогенератора и т.п. При помощи второго аналогичного ремня (не показан) нагрузка 18 кинематически связана с другим таким же ветродвигателем равным передаточным отношением, что позволяет им синфазно вращаться, не мешая друг другу.
При этом связующий стержень 6 может быть выполнен из двух частей, разделенных оппозитными поршнями 19 гидроцилиндра 20, размещенного внутри горизонтальной траверсы 5, которая снабжена заливочным 21 и связующим 22 отверстиями, предназначенными для заполнения траверсы 5 трансмиссионным маслом или антифризом 23 и ее гидравлической связи через вертикальную трубчатую мачту 1 с разборным поршнем 24 гидроцилиндра управляющего механизма. Этот механизм может быть выполнен, например, в виде винтового ромбического домкрата 25 со сферическим шарниром 26 разборного поршня 24 и располагаться в опорном узле 4. В упрощенном виде внутренние крылья 12 ротора могут быть выполнены в форме предкрылков, жестко закрепленных на торцах горизонтальной траверсы 5 под острым углом γ к ее оси так, что радиус кривошипов наружных цапф 8 превышает максимальное отклонение дугообразной траектории осей этих цапф 8 от прямолинейного смещения концов связующего стержня 6.
Предложенный ветродвигатель работает следующим образом.
Поток ветра, падающий на ротор вдоль траверсы 5, создает на спаренных крылья 10 и 12 подъемную силу F, которая приложена перпендикулярно траверсе 5 на расстоянии R от оси мачты 1. Пара этих сил (F и F) создает вращающий момент Мв, который поворачивает ротор на 90° так, что левая пара крыльев 10, 12 начинает двигаться по направлению ветра, а правая - против ветра. За счет флюгерного эффекта правая пара крыльев складывается вдоль ветра, резко уменьшая свое лобовое сечение и соответствующую силу F, которая препятствует вращению ротора, тогда как левая пара крыльев увеличивает свою парусность и силу тяги F за счет развертывания крыльев 10, 12, которое благодаря действию связующего стержня 6 и пружин 14 происходит одновременно со складыванием правых крыльев и пропорционально силе ветра.
При этом расстояние левого вертикального вала 11 до оси мачты 1 увеличивается на некоторую величину r смещения связующего стержня 6, а расстояние правого вала 11 - уменьшается на такую же величину, что приводит к увеличению плеча силы тяги F и вращающего момента Мв и существенному уменьшению плеча и тормозящего момента силы лобового сопротивления F правых крыльев. Благодаря этому мачта 1 продолжает свое вращение в подшипниках 2 и через шкивы 15, 17 и зубчатый ремень 16 передает вращающий момент механической нагрузке 18, которая через второй зубчатый шкив и ремень может получить вращающий момент от другого аналогичного ветродвигателя, вращающегося с фазовым сдвигом в 90°, что уменьшает пульсации суммарного вращающего момента на механической нагрузке 18.
Аналогичным образом работает и ветродвигатель с жестким креплением к траверсе 5 внутренних крыльев 12 небольшой площади, только основной вращающий момент Мв будет создаваться внешними крыльями 10, которые могут быть связаны непосредственно друг с другом стержнем 6, расположенным над траверсой 5 и внутренними закрылками 12. При наличии гидравлической связи между половинками связующего стержня 6, расстояние между их оппозитными поршнями 19, а следовательно, и величину начального раскрыва крыльев 10, 12 можно изменять за счет количества жидкости 23, находящейся в траверсе 5. Это количество жидкости 23 определяется первоначальной заливкой через отверстие с пробкой 21 и количеством жидкости 23, поступившим в траверсу 5 через связующее отверстие 22 из трубчатой мачты 1, в которой перемещается разборный поршень 24. Вертикальное положение поршня 24 задается шаровым шарниром 26 винто-ромбического механизма управления 25, при помощи которого можно с земли полностью сложить обе пары крыльев 10, 12 и тем самым остановить ветродвигатель при штормовых ветрах или регламентных работах.
Кроме того, гидравлическая связь между половинками стержня 6 позволяет горизонтальной траверсе 5 иметь нечетное число махов-радиусов, например три, пять и т.д., что расширяет функциональные возможности роторного ветродвигателя, увеличивает равномерность вращения и КПД при одновременном упрощении его конструкции и управления при различных режимах ветровой нагрузки.
1. Роторный ветродвигатель, содержащий вертикальную мачту, установленную с возможностью вращения на растяжках и радиально-упорных подшипниках в опорном узле, и закрепленные на горизонтальной траверсе мачты крылья ротора, размещенные на вертикальных валах вокруг мачты и снабженные поворотными цапфами, отличающийся тем, что крылья ротора попарно насажены передними кромками на вертикальные валы, параллельные осям цапф внутренних крыльев ротора, закрепленных на торцах трубчатой траверсы, проходящей через соответствующие отверстия в этих крыльях, а аналогичные цапфы наружных крыльев снабжены кривошипами, установленными в обоймах на концах связующего стержня, проходящего по прямолинейной направляющей внутри трубчатой траверсы с буферными пружинами, которые упираются в обоймы кривошипов наружных крыльев ротора.
2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что связующий стержень выполнен из одинаковых частей, разделенных оппозитными поршнями гидроцилиндра, размещенного внутри горизонтальной траверсы и через трубу вертикальной мачты гидравлически связанного с разборным поршнем гидроцилиндра управляющего механизма, который выполнен в виде винтового ромбического домкрата, размещенного в опорном узле.
3. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренние крылья ротора выполнены в виде предкрылков, жестко закрепленных на торцах горизонтальной траверсы под острым углом к ее оси так, что радиус кривошипов цапф наружных крыльев превышает отклонение дугообразной траектории осей этих цапф от прямолинейного смещения концов связующего стержня.
4. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что на вертикальной мачте установлен шкив зубчатого ремня, соединяющий ее с двойным шкивом механической нагрузки, которая при помощи другого аналогичного ремня связана со шкивом вертикальной мачты второго ветродвигателя равным передаточным отношением так, что их траверсы развернуты перпендикулярно друг другу.
