ветродвигатель

Формула изобретения

Ветродвигатель, содержащий опорную конструкцию с поворотным столом и устройством ориентации по направлению ветра, рабочее колесо с радиальными лопастями, выполненными в виде ротора Савониуса, соединенное с валом отбора мощности, отличающийся тем, что рабочее колесо выполнено в виде обтекаемой ступицы и коаксиального к ней обода, соединенных между собой равномерно расположенными по окружности радиальными спицами, коаксиально к осям которых выполнены с возможностью вращения в едином направлении вокруг осей спиц и перемещения вдоль осей указанных спиц, по направлению оси ступицы к ободу и обратно ярусные роторы Савониуса, парные лопасти яруса которых установлены с угловым смещением в 60^o относительно парных лопастей смежного яруса в спиральном направлении, причем между торцами каждого яруса и на торцах каждого ротора выполнены перпендикулярно к оси вращения ротора разделительные диски, диаметр которых больше диаметра цилиндра, образованного вращением концов парных лопастей, на 5-8%, а ближние к обтекаемой ступице опоры роторов Савониуса соединены посредством кулис с двуплечими рычагами, опорные шарниры которых смонтированы на валу отбора мощности ветроколеса, причем на свободных, подпружиненных относительно вала отбора мощности концах двуплечих рычагов выполнены с возможностью регулировки величины центробежной силы грузы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в другие виды энергии.

Известен ветродвигатель, имеющий рабочее колесо с лопастями, выполненными в виде роторов Магнуса. Роторы выполнены в виде цилиндров различного диаметра. Роторы Магнуса приводятся в движение от специального электродвигателя (см. А.С. СССР 1402707, МКИ F 03 D 1/06, за 1988 г., Бюл. 22).

Недостатком указанного устройства является усложненный запуск ветродвигателя, связанный с отключением электрической нагрузки и включением принудительного привода роторов Магнуса, что снижает эффективность использования энергии ветра и требует достаточно сложной системы управления ветродвигателем.

Известна лопасть ветродвигателя, содержащая перо аэродинамического профиля, связанное с ветроколесом. Перо снабжено полостью, в которой размещен одноярусный ротор Савониуса, при этом ось ротора параллельна оси пера (см. А.С. СССР 1776868, МКИ F 03 D 1/06, за 1992 г., Бюл. 43).

Данная конструкция имеет следующие недостатки:

Во-первых, ротор Савониуса, установленный произвольно, с точки зрения его собственного направления вращения, способен создавать подъемную силу за счет эффекта Магнуса, которая будет уменьшать подъемную силу аэродинамического профиля и тормозить ветроколесо.

Во-вторых, в случае размещения ротора Савониуса таким образом, что вектор подъемной силы профиля и вектор подъемной силы Магнуса совпадает по направлению, лопасть уводится с оптимального угла атаки за счет крутящего момента, относительно центра давления профиля, образованного подъемной силой Магнуса.

Указанное явление снижает коэффициент подъемной силы профиля.

В-третьих, установка электрогенератора непосредственно в лопасти на одном валу с ротором Савониуса значительно ухудшит пусковые свойства всего ветроколеса, так как значительная часть энергии ветра будет расходоваться на совместную раскрутку ротора Савониуса вместе с ротором генератора, и одновременно, потребует усложнения конструкции за счет применения специальных токосъемников при передаче электрической энергии от вращающегося вместе с лопастью генератора к неподвижной части ветродвигателя.

В-четвертых, коэффициент полезного действия указанной конструкции за счет турбулентного обтекания профиля. Источником пульсаций указанного режима является ротор Савониуса, установленный в любой зоне профиля. Это явление экспериментально подтверждено (см. труды американского общества инженеров механиков. Современное машиностроение серия А 10, 1989 г., статья Монди, Френандо "Характеристики ветродвигателя Савониуса", стр. 146, рис. 19), имеющим место в зоне обтекания профилей ротора Савониуса - центральным вихрем.

Известен ветродвигатель, содержащий опорную конструкцию с поворотным столом и устройством ориентации по направлению ветра, рабочее колесо с радиальными лопастями, выполненными в виде ротора Савониуса, соединенное с валом отбора мощности (см. FR, 2566466 А1, кл. F 03 D 1/02, 27.12.1985) по совокупности существенных признаков принятый в качестве ближайшего аналога изобретения (прототипа).

Недостатками указанного ветродвигателя является низкий кпд, сложность конструкции, невысокая надежность при регулировании в случае значительного увеличения скорости ветра (ураган, буря и т.п.).

Технический результат, заключающийся в повышении коэффициента подъемной силы и коэффициента полезного действия, а также упрощение конструкции, обеспечивается за счет того, что в ветродвигателе, содержащем опорную конструкцию с поворотным столом и устройством ориентации по направлению ветра, рабочее колесо с радиальными лопастями, выполненными в виде ротора Савониуса, соединенное с валом отбора мощности, согласно изобретению, рабочее ветроколесо, выполнено в виде обтекаемой ступицы и коаксиального к ней обода, соединенных между собой равномерно расположенными по окружности радиальными спицами, коаксиально к осям которых выполнены с возможностью вращения в едином направлении вокруг осей спиц и перемещения вдоль осей указанных спиц по направлению оси ступицы к ободу и обратно ярусные роторы Савиниуса, парные лопасти яруса которых установлены с угловым смещением в 60^o относительно парных лопастей смежного яруса в спиральном направлении, причем между торцами каждого яруса и на торцах каждого ротора выполнены перпендикулярно к оси вращения ротора разделительные диски, диаметр которых больше диаметра цилиндра, образованного вращением концов парных лопастей, на 5-8%, а ближние к обтекаемой ступице опоры роторов Савониуса соединены посредством кулис с двуплечими рычагами, опорные шарниры которых смонтированы на валу отбора мощности ветроколеса, причем на свободных, подпружиненных относительно вала отбора мощности, концах двуплечих рычагов выполнены с возможностью регулировки величины центробежной силы грузов.

На фигуре 1 представлена схема ветродвигателя.

На фигуре 2 - сечение А-А фиг.1 ветродвигателя.

На фигуре 3 - вид Б фиг.1 ветродвигателя.

На фигуре 4 - вид В фиг.1 ветродвигателя.

Ветродвигатель, содержит опорную конструкцию - 1 с поворотным столом - 2, устройство ориентации по направлению ветра - 3, рабочее колесо - 4 с обтекаемой ступицей - 5, обод - 6, радиальную спицу - 7, ротор Савониуса - 8, кулису 9, двуплечий рычаг - 10, опору двуплечего рычага - 11, пружину - 12, груз - 13, трансмиссию для отбора мощности из конических шестерен 14 и 15, лопасти - 16 ротора Савониуса и диски - 17.

Ветродвигатель работает следующим образом:

При отсутствии ветрового потока ротора Савониуса - 8 под действием пружин - 12 и грузов - 13, воздействующих посредством двуплечевого рычага - 10 и кулисного механизма - 9, находятся в положении, близком к ободу - 6.

При воздействии ветрового потока на рабочее колесо - 4 ротора Савониуса - 8, приходят во вращение, при этом возникает сила, обусловленная эффектом Магнуса, которая дает однонаправленный крутящий момент, воздействующий на колесо - 4.

При этом, находящиеся на верхнем конце спиц - 7 роторы Савониуса - 8 дают усиленный пусковой момент, способствующий быстрому троганию ветроколеса - 4. После набора соответствующих оборотов, под действующей центробежной силой грузы - 13 перемещаются из своего исходного положения и посредством кулисы - 9 и двуплечего рычага - 11 перемещают ротора Савониуса - 8 по спице - 7 в направлении ступицы - 5, преодолевая усилие пружины - 12. При этом возрастают обороты ветроколеса - 4.

Таким образом, ветродвигатель позволяет на этапе запуска иметь значительный пусковой момент, на рабочем этапе значительные обороты, без отключения и включения трансмиссии отбора мощности. В свою очередь смещение парных лопастей в роторе Савониуса на величину 60^o выполнено с целью обеспечения равномерного вращения роторов, а выступание разделительных дисков - 17 за пределы цилиндра, образованного вращением концов парных лопастей на 5-8%, выполнено с целью получения максимальной подъемной силы на лопасти в виде ротора Савониуса (см. справочник т.1, ОНТИ, 1936 г., стр. 462).

Величина 5-8% получена авторами по результатам опытной продувки моделей данного ветродвигателя. Указанные результаты подсказывают, что при увеличении диаметра разделительных дисков - 17 до 5% в интервале до 8% наблюдается скачкообразный рост величин подъемной силы. Величина превышения диаметра разделительного диска свыше 8% нецелесообразна вследствие условий совместного размещения роторов Савониуса в пространстве между ободом - 6 и обтекаемой ступицей - 5.

Кроме указанных преимуществ ветродвигатель позволяет реализовать эффект Магнуса без дополнительного источника энергии, необходимого для принудительного вращения роторов.