Винт ветрогенератора
Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при создании небольших ветрогенераторов для перекачки и подогрева воды, отопления жилья и т.д. в условиях небольшого и непостоянного ветра. Винт ветрогенератора содержит горизонтально расположенные рычаги, установленные с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. На концах рычагов расположены поворотные элементы в виде лопастей, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и кинематически связанные редуктором с коэффициентом передачи 1/2 с синхронизирующей шестерней, установленной с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. Винт также содержит элемент ориентации, образованный поворотной крыльчаткой, понижающим редуктором и экраном крыльчатки, при этом поворотная крыльчатка через понижающий редуктор соединена с синхронизирующей шестерней, на которой жестко закреплен экран крыльчатки. Лопасти поворотных элементов выполнены из двух створок, шарнирно установленных на общей оси с возможностью фиксации с тарированным усилием в развернутом положении. Изобретение обеспечивает упрощение эксплуатации устройства, повышение коэффициента использования энергии ветра и надежности работы при широком диапазоне скоростей ветра, что позволит размещать его в непосредственной близости от жилых домов. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к ветроэнергетике, предназначено для обеспечения энергоснабжения потребителей и может быть использовано при создании ветряных двигателей с вертикальной осью вращения, небольших ветрогенераторов для перекачки и подогрева воды, отопления жилья и т.д. в условиях небольшого и непостоянного ветра.
Из патента РФ №1195041, МПК 4 F03D 3/00, публ. 30.11.1985 г. известен ветряной двигатель с вертикальной осью вращения, содержащий неподвижную опору, ротор, по меньшей мере, с одной изогнутой лопастью, и противовес, связанный с ротором передаточным механизмом. В устройстве предусмотрено изменение угла атаки лопасти при изменении скорости ветра. Сущность изобретения заключается в том, что поворотом частей разрезной ступицы достигается поворот лопастей многолопастного ветроколеса. Недостатком этого технического решения является сложность конструкции и необходимость запуска устройства в работу вручную или с использованием электрогенератора в режиме электродвигателя.
Наиболее близким к предложенному техническим решением является ветряной двигатель с вертикальной осью вращения, см. патент РФ №5109, МПК 6 F03D 3/00, F03D 7/06, публ. 30.04.1928 г., содержащий неподвижную опору, ротор, состоящий из цилиндров, установленных на концах рычагов и кинематически связанных с дугами, установленными на поворотном круге - синхронизаторе.
Недостатком технического решения - прототипа является сложность конструкции и необходимость запуска устройства в работу, а также недостаточная эффективность преобразования энергии ветра в механическую энергию.
Недостатком известных технических решений является также недостаточная надежность при воздействии на ветряной двигатель сильных (ураганных) порывов ветра.
Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является упрощение эксплуатации устройства, повышение коэффициента использования энергии ветра и надежности работы при широком диапазоне скоростей ветра.
Для решения этой задачи предлагается винт ветрогенератора, содержащий установленные с возможностью вращения вокруг вертикальной оси горизонтально расположенные рычаги, на концах которых с возможностью вращения вокруг вертикальной оси расположены поворотные элементы, кинематически связанные с синхронизатором, установленным с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, элемент ориентации, соединенный с синхронизатором, поворотные элементы выполнены в виде лопастей, кинематическая связь выполнена в виде редуктора с коэффициентом передачи 1/2. Элемент ориентации может быть выполнен в виде флюгера или в виде поворотной крыльчатки, кинематически связанной понижающим редуктором с синхронизатором, на котором закреплен охватывающий крыльчатку экран, угол охвата которого составляет от 45 до 90 градусов, а лопасти поворотных элементов выполнены из двух створок, шарнирно установленных на общей оси с возможностью фиксации с тарированным усилием в развернутом положении.
Сущность изобретения поясняется чертежами, которые поясняют, но не ограничивают предложенное техническое решение. Винт ветрогенератора может быть выполнен с модификациями и изменениями, не отходя от объема правовой охраны данного изобретения, определенного приведенной ниже формулой со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 и 2 поясняют схему движения лопастей винта ветрогенератора.
Фиг.3 поясняет выполнение винта ветрогенератора с элементом ориентации в виде флюгера.
Фиг.4 поясняет выполнение винта ветрогенератора с элементом ориентации в виде поворотной крыльчатки с экраном.
На Фиг.5 показано выполнение лопасти поворотного элемента из двух створок.
Фиг.6-8 поясняют работу элемента ориентации в виде поворотной крыльчатки с экраном.
Фиг.9 и 10 показывают варианты выполнения редуктора (одно - и двух-ступенчатые планетарные редукторы соответственно) элемента ориентации в виде поворотной крыльчатки с экраном.
Фиг.11 поясняет кинематическую схему взаимодействия элементов планетарного редуктора.
На фигурах обозначено: лопасть 1, ремни 2 и шестерни 3 редуктора, связывающего лопасть 1 с синхронизатором 4, элемент 5 ориентации, выполненный в виде флюгера, основа 6, мачта 7 (ось вращения), элемент 8 крепления лопасти 1 на концах рычагов 9, крыльчатка 10, редуктор 11, 11а, 11б, вал 12 генератора, экран 13. Створки 14 лопасти 1 закреплены шарнирами 15 на элементе 8 крепления, тарированные фиксаторы створок 14 лопасти 1 обозначены позицией 16. Буквами а, b, с, d, e, f, g, q обозначены различные положения лопасти 1 во время работы устройства, буквами A, B, C, A1, B1, C1, A2, B2, C2 обозначены шестерни планетарного редуктора 11, 11а, 11б элемента ориентации в виде поворотной крыльчатки 10 с экраном 13.
Устройство работает следующим образом. При работе ветрогенератора основа 6 вращается вокруг оси вращения (мачты) 7, при этом лопасти 1, установленные с возможностью вращения на концах рычагов 9, приводятся во вращение редуктором, состоящим из ремней 2 и шестерен 3, и кинематически связывающего лопасти 1 с синхронизатором 4, вращаются вокруг своих осей симметрии в противоположную сторону относительно направления вращения основы 6. Так как коэффициент передачи редуктора, состоящего из ремней 2 и шестерен 3, равен 1/2, за время поворота основы 6 на 360 градусов каждая лопасть 1 повернется на 180 градусов. Как видно из Фиг.1 и 2, лопасть 1, двигающаяся по направлению движения ветра, перпендикулярна потоку движения ветра (поз.а); когда лопасть 1 движется против ветра, она повернута к потоку ребром (поз.е) и имеет наименьшее лобовое сопротивление. В промежуточных состояниях b, с, d, f, g, q каждая лопасть 1 расположена под углом к направлению движения ветра и на нее действует подъемная сила, вектор которой совпадает с вектором вращения ветрогенератора.
На Фиг.1 показано расположение четырех лопастей 1, на Фиг.2 - последовательная ориентация a, b, c, d, e, f, g, q лопасти 1 при полном обороте основы 6 вокруг оси 7. Направление ветрогенератора по отношению к ветру устанавливает синхронизатор 4, который свободно вращается вокруг оси 7 и ориентируется элементом ориентации, который может быть выполнен в виде флюгера 5 (Фиг.3) или в виде поворотной крыльчатки 10 с экраном 13 (Фиг.4). Так как для ориентации ветрогенератора по ветру необходимо поворачивать только синхронизатор 4 (шестерню), элемент ориентации в виде флюгера 5 без значительных усилий обеспечивает точную ориентацию ветрогенератора по отношению к ветру.
В областях со слабым и умеренным ветром оправдано применение ветрогенератора с лопастями 1, выполненными сплошными (Фиг.3, 4). При ураганных порывах ветра следует выполнять лопасти 1 из двух створок 14, установленных на элементе 8 крепления шарнирами 15 на рычагах 9 с возможностью фиксации фиксаторами 16 с тарированным усилием в развернутом положении (Фиг.5) Это обеспечивает «схлопывание» лопасти 1 и предохраняет конструкцию от разрушения.
При небольших размерах ветрогенератора и малом количестве лопастей 1 элемент ориентации в виде флюгера 5 (Фиг.3) легко обеспечивает ориентацию ветрогенератора, однако при увеличении размеров и количества лопастей 1 на синхронизатор 4 будет действовать значительный крутящий момент, что может привести к вибрациям устройства. Выполнение элемента ориентации в виде поворотной крыльчатки 10 с редуктором 11 и экраном 13 (Фиг.4) исключает этот недостаток - вибрацию устройства.
Работа элемента ориентации в виде поворотной крыльчатки 10 с редуктором 11 и экраном 13 поясняется Фиг.6-11. На Фиг.6 экран 13 защищает крыльчатку 10 от ветра и она находится в покое. Когда направление ветра меняется (Фиг.7), экран 13 уже не закрывает крыльчатку 10 полностью и поток ветра давит на незакрытые экраном 13 лопасти крыльчатки 10, приводя их в движение. Крыльчатка 10 передает вращение через понижающий редуктор 11 на синхронизатор 4, на котором закреплен экран 13, который вращается в ту же сторону, что и крыльчатка 10 до положения, показанного на Фиг.6, когда крыльчатка 10 и экран 13 останавливаются. Если направление ветра меняется в другую сторону (Фиг.8), крыльчатка 10 и экран 13, вращаясь в противоположную сторону, вновь приходят в состояние, показанное на Фиг.6. Наличие редуктора 11 обеспечивает более четкую фиксацию положения синхронизатора 4, исключает раскачивания и вибрации. Чем больше понижающий коэффициент передачи редуктора 11, тем большее усилие удерживает синхронизатор 4 и выше чувствительность устройства к изменению направления ветра, но при этом снижается быстродействие элемента ориентации, что нежелательно в условиях частого изменения направления ветра.
Рассмотрим конструкцию редуктора подробно (см. Фиг.9). На Фиг.9 изображено: крыльчатка 10, редуктор 11 в разрезе и шестеренка 4 (шестеренка ориентации ветрогенератора по ветру). Крыльчатка 10 жестко закреплена на корпусе редуктора 11 и составляет с ним единое целое. Вся конструкция крепится на мачту 7 с помощью подшипника и свободно вращается вокруг мачты. Шестеренка А жестко закреплена на мачте 7 и не вращается относительно мачты. Четыре шестеренки В крепятся к осям С через подшипники и свободно вращаются на этих осях. Оси С жестко закреплены в шестеренке 4. Шестеренка 4 крепится к мачте 7 через подшипник и свободно вращается вокруг мачты. Вращающаяся крыльчатка передает крутящий момент на корпус редуктора 11, который, в свою очередь, вращает шестеренки В. Шестеренки В движутся вокруг шестеренки А и передают это движение через оси С шестеренке 4, которая определяет положение лопастей ветрогенератора относительно ветра. Для увеличения понижающего коэффициента редуктора можно использовать несколько сегментов, как это показано на Фиг.10.
Рассмотрим конструкцию двухступенчатого редуктора (см. Фиг.10). Крыльчатка 10 жестко закреплена на корпусе редуктора 11а и составляет с ним единое целое. Вся конструкция крепится на мачту 7 с помощью подшипника и свободно вращается вокруг мачты. Шестеренка А1 жестко закреплена на мачте 7 и не вращается относительно мачты. Четыре шестеренки В1 крепятся к осям С1 через подшипники и свободно вращаются на этих осях. Оси С1 жестко закреплены в корпусе 11б. Корпус 11б крепится на мачту 7 с помощью подшипника и свободно вращается вокруг мачты. Шестеренка А2 жестко закреплена на мачте 7 и не вращается относительно мачты. Четыре шестеренки В2 крепятся к осям С2 через подшипники и свободно вращаются на этих осях. Оси С2 жестко закреплены на шестеренке 4. Шестеренка 4 крепится к мачте 7 через подшипник и свободно вращается вокруг мачты.
Вращающаяся крыльчатка 10 передает крутящий момент на корпус редуктора 11а, который, в свою очередь, вращает шестеренки В1. Шестеренки В1 движутся вокруг шестеренки А1 и передают это движение через оси С1 корпусу 11б, который, в свою очередь, вращает шестеренки В2. Шестеренки В2 движутся вокруг шестеренки А2 и передают это движение через оси С2 шестеренке 4, которая определяет положение лопастей ветрогенератора относительно ветра.
Крутящий момент передается на вал 12 генератора, преобразующего энергию ветра в электроэнергию. Конструкция позволяет размещать генератор (не показан) на земле.
Заявителем был изготовлен и испытан опытный образец предлагаемого устройства. Испытания показали, что ветрогенератор предлагаемой конструкции имеет высокий стартовый и большой крутящий момент, что позволяет вместо генератора прямо подключать к валу 12 насос, компрессор и т.п. оборудование, устройство работает бесшумно, что позволяет размещать его в непосредственной близости от жилых домов, устойчиво работает как при слабом и непостоянном, так и при умеренном и сильном ветре, быстро и без затрат энергии ориентируется по направлению ветра.
1. Винт ветрогенератора, содержащий горизонтально расположенные рычаги, установленные с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, на концах которых расположены поворотные элементы в виде лопастей, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и кинематически связанные редуктором с коэффициентом передачи 1/2 с синхронизирующей шестерней, установленной с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, а также элемент ориентации, соединенный с синхронизатором, отличающийся тем, что элемент ориентации содержит поворотную крыльчатку, понижающий редуктор и экран крыльчатки, при этом поворотная крыльчатка через понижающий редуктор соединена с синхронизирующей шестерней, на которой жестко закреплен экран крыльчатки.
2. Винт ветрогенератора по п.1, отличающийся тем, что лопасти поворотных элементов выполнены из двух створок, шарнирно установленных на общей оси с возможностью фиксации с тарированным усилием в развернутом положении.
