Ветродвигатель

Ветродвигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветродвигателей с вертикальной осью вращения.

Известен «Ветродвигатель» (RU №2059877, F03D 1/00, 10.05.1996), содержащий установленное на вертикальном валу ветроколесо с махами, на периферии которых размещены раскладные прямоугольные лопасти, снабженные ограничителями, генератор, кинематически связанный с ветроколесом, при этом ветродвигатель снабжен установленными на периферии махов Т-образными стойками, а ограничители выполнены в виде гибких связей, одни концы которых связаны со стойками, а другие - с соответствующими вершинами лопастей.

Недостатками данной конструкции являются:

- узкий диапазон режимов работы, так как отсутствует возможность регулирования величины открывания и закрывания в зависимости от скорости ветра;

- низкая надежность, так как нет защиты от сильных порывов ветра.

Известен также «Ветряной двигатель» (RU №2231683, F03D 3/06, 27.06.2002), содержащий корпус, шарнирно прикрепленные к корпусу экраны, при этом корпус выполнен в виде рамки с возможностью вращения на мачте, а прикрепленные с возможностью вращения к рамке экраны выполнены в виде горизонтально расположенных планок, также прикрепленных шарнирно к вертикальной штанге, и один из концов которой, изготовленный в виде ползуна, находится в направляющей в виде дискового кулака, посаженного на ось с возможностью вращения относительно нее, а к дисковому кулаку прикреплено поворотное крыло.

Недостатками данной конструкции являются:

- узкий диапазон режимов работы, так как отсутствует возможность регулирования величины открывания и закрывания в зависимости от скорости ветра, особенно от резких перепадов, в процессе работы;

- сложность конструкции, так как большое количество сопрягаемых деталей влияет на работоспособность конструкции.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является «Ветряная электростанция парусная - 2» (RU №2114317, F03D 3/06, 27.06.1998), содержащая тихоходный электрогенератор, вращаемый четырехпарусными ветродвижителями, смонтированными на одном гибком валу, состоящем из четырех тросов, связанных с подшипником, закрепленном на горизонтальном тросе, натянутом между двумя мачтами, причем каждый ветродвижитель состоит из крестовины, изготовленной из двух стальных стержней и четырех парусов, причем эти стержни пропущены между тросами вала, образующими крестовину, посередине каждого стержня приварены два отрезка железной проволоки так, что они перпендикулярны друг другу и самому стержню, гибкий вал сжимается зажимами - один над стержнем, а другой под ним, паруса закрепляются на крестовине, каждый парус удерживается на ветру в вертикальном положении с помощь регулируемых по длине поводков, концы поводков привязывают к кольцу, все четыре кольца размещаются посередине между двумя соседними шайбами на растяжках, для остановки вращения предусмотрен шнур, привязанный к нижней кромке паруса, шнур через кольцо пропускается через одно из четырех колец на верхней малой крестовине, при натяжении всех шнуров все паруса займут горизонтальное положение и вал остановится.

Недостатками данной конструкции являются:

- узкий диапазон режимов эффективной работы, так как отсутствует возможность регулирования величины открывания и закрывания парусов в зависимости от скорости ветра в процессе работы;

- низкая надежность, так как нет защиты от сильных порывов ветра;

- количество парусов и их рядность не всегда оптимальны для различных регионов с отличающимися характеристиками розы ветров;

- сложность применения в ограниченном пространстве, так как требует пространства для натяжения тросов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание оптимальной и простой конструкции с защитой от сильных порывов ветра, сохраняющей свою работоспособность и эффективность вне зависимости от скорости ветра, региона и места использования, в том числе и на подвижных объектах.

Техническая задача решается ветродвигателем, включающим преобразователь вращения, вращаемый парусными ветродвижителями, смонтированными на одном вертикальном валу и состоящими из горизонтальных мачт с соединенными с возможностью поворота верхней частью парусами, величина закрывания которых отрегулирована через поводки тяговым устройством.

Новым является то, что мачты сгруппированы в ряды по высоте вертикального вала с количеством мачт в каждом ряду не менее трех, а высота каждого паруса не превышает его ширины, при этом величина закрывания парусов отрегулирована через поводки тяговым устройством автоматически в зависимости от скорости ветра, причем также отрегулирована через дополнительные поводки дополнительным тяговым устройством автоматически в зависимости от скорости ветра величина открывания парусов, расположенных на одном или нескольких рядах мачт, для создания на мачтах с открытыми парусами подъемной силы.

Новым является также то, что тяговое устройство и дополнительное тяговое устройство выполнены в виде вращающихся с вертикальным валом втулок с центробежными грузами, соединенными с соответствующими поводками и регулирующими ими соответственно величину закрывания и открывания паруса в зависимости от скорости вращения вертикального вала.

На Фиг.1 изображена схема ветродвигателя в аксонометрии.

На Фиг.2 изображен разрез А-А мачты с открытом парусом.

На Фиг.3 изображен разрез Б-Б мачты с закрытом парусом.

Ветродвигатель включает преобразователь вращения 1 (см. Фиг.1), вращаемый парусными ветродвижителями 2, смонтированными на одном вертикальном валу 3 и состоящими из горизонтальных мачт 4 с соединенными с возможностью поворота верхней частью парусами 5, величина закрывания которых отрегулирована ограничителем 6 через поводки 7 тяговым устройством 8. Мачты 4 сгруппированы в ряды 9 по высоте вертикального вала 3 с количеством мачт 4 в каждом ряду 9 на менее трех, а высота Н каждого паруса 5 не превышает его ширины L. Величина закрывания парусов 5 отрегулирована через поводки 7 тяговым устройством 8 автоматически в зависимости от скорости ветра. Также отрегулирована упорами 10 через дополнительные поводки 11 дополнительным тяговым устройством 12 автоматически в зависимости от скорости ветра величина открывания парусов 5, расположенных в одном ряду 9 или в нескольких рядах 9 мачт 4, для создания на мачтах 4 с открытыми парусами 5 подъемной силы. Тяговое устройство 8 и дополнительное тяговое устройство 12 выполнены в виде вращающихся с вертикальным валом втулок 13 и 14 с центробежными грузами 15 и 16, соединенными с соответствующими поводками 7, 11 и регулирующими ими соответственно величину закрывания и открывания паруса 5 в зависимости от скорости вращения вертикального вала 3.

Ветродвигатель работает следующим образом.

Под действием ветра паруса 5 (см. Фиг.3), выполненные в виде негнущегося листа (например, натянутое на рамку полотнище или армированное полотнище), на одних мачтах 4 поворачиваются вниз (закрытое состояние) благодаря ограничителю 6 до определенной величины, увеличивают обдуваемую ветром их площадь (парусность) и заставляют мачты 4 с вертикальным валом 3 (см. Фиг.1) поворачиваться. После поворота ветер обдувает эти паруса 5 с противоположной стороны (см. Фиг.2), и паруса 5 поворачиваются вверх (открытое состояние) до упора 10, уменьшая площадь обдува ветром, а на противоположных от вертикальной оси мачтах паруса 5 переходят в закрытое состояние (см. Фиг.3), обеспечивая разность площадей парусов 5, обдуваемых ветром (парусность) с разных сторон вертикального вала 3 (см. Фиг.1) и, как следствие, его вращение. Причем вращение вертикального вала 3, предающего свою энергию преобразователю вращения 1 (например: генератор, редуктор), обеспечивается независимо от направления ветра, так как ветродвижители 2 переходят из закрытого в открытое состояние и, наоборот, под действием ветра независимо от направления синхронно в противофазе. Очень важно особенно для использования в районах, где преобладают слабые потоки ветра, чтобы высота Н каждого паруса 5 не превышала его ширины L, снижая инерционность паруса 5, так как центр тяжести (на Фиг. не показан) паруса 5 ближе располагается к мачте 4, являющейся осью вращения паруса 5, и, как следствие, требуя меньшую силу ветра, необходимую для поворота паруса 5 из закрытого состояния в открытое и наоборот. Наиболее оптимальным отношением высоты Н каждого паруса 5 к его ширине L из практики является:

Для того чтобы увеличить эффективность работы ветродвигателя без значительного увеличения длин мачт 4, то есть увеличить суммарную площадь парусов 5, мачты 4 сгруппированы в ряды 9 по высоте вертикального вала 3 с количеством горизонтальных мачт 4 в каждом ряду 9 не менее трех. Количество мачт 4 не менее трех в каждом в ряду 9 обеспечивает работоспособность ветродвигателя независимо от направления ветра, причем с увеличением количества мачт 4 в ряду обеспечивается большая стабильность и равномерность вращения вертикального вала 3. На практике оптимальным количеством мачт 4 в ряду 9 является 4÷8 или три в ряду 9, но со смещением по окружности на определенный угол (на Фиг. не показан) одного ряда относительно другого. Наиболее оптимальным является угол смещения одного ряда относительно другого с тремя мачтами 4 в ряду 9, рассчитанный по формуле:

где 120° - угол между двумя ближайшими мачтами для ряда 9 с тремя мачтами 4;

α - угол смещения одного ряда относительно другого с тремя мачтами 4 в ряду 9, °;

N - количество рядов 9, расположенных на вертикальном валу 3.

При этом угол между двумя ближайшими мачтами 4, которые для равномерности работы должны располагаться равномерно в ряду 9, если в ряду 9 более трех мачт 4, определяется по формуле:

где τ - угол между двумя ближайшими мачтами, для ряда 9 с n мачтами 4, °;

360° - угол полной окружности;

n - количество мачт 4, расположенных в одном ряду 9.

Тогда формула для оптимального угла смещения по окружности одного ряда относительно другого будет выглядеть так:

Величина открывания парусов 5 определяется углом β (см. Фиг.2) отклонения его от горизонтальной плоскости и регулируется автоматически дополнительным тяговым устройством 12 (см. Фиг.1), соединенным дополнительными поводками 11 с упорами 10, в зависимости от скорости ветра. На практике угол β (см. Фиг.2) регулировался в пределах 1°-5°, при этом, чем выше скорость ветра, тем больше угол β. В качестве автоматического дополнительного тягового устройства 12 (см. Фиг.1) использовалась втулка 14, закрепленная снизу на вертикальном валу 3, с центробежными грузами 16, которые при увеличении скорости вращения вертикального вала 3 расходятся в стороны и приподнимаются вверх вместе дополнительными поводками 11, соединенными с плечом 10′ (см. Фиг.2) упора 10, опуская второе плечо упора 10 и увеличивая угол β. Наличие угла β позволяет создать подъемную силу на парусе 5, уменьшая осевую и опрокидывающую силу на вертикальный вал 3 (см. Фиг.1), а также при повороте вертикального вала 3 увеличить скорость закрывания паруса 5, который будет переходить в закрытое состояние не только под собственным весом, но и при помощи ветра.

Величина закрывания парусов 5 определяется углом γ (см. Фиг.3) отклонения его от вертикальной плоскости и регулируется автоматически тяговым устройством 8 (см. Фиг.1), соединенным поводками 7 с ограничителями 6, в зависимости от скорости ветра. На практике угол γ (см. Фиг.3) регулировался в пределах 1°-85°, при этом, чем выше скорость ветра, тем больше угол γ. В качестве автоматического тягового устройства 8 (см. Фиг.1) использовалась втулка 13, закрепленная выше втулки 14 на вертикальном валу 3, с центробежными грузами 15, которые при увеличении скорости вращения вертикального вала 3 расходятся в стороны и приподнимаются вверх вместе поводками 7, соединенными с ограничителем 6 (см. Фиг.3), приподнимая его и увеличивая угол γ.

С увеличением скорости ветра скорость вращения вертикального вала 3 (см. Фиг.1) и под действием тяговых устройств 12 и 8 соответственно углы β (см. Фиг.2) и γ (см. Фиг.3) будут увеличиваться, уменьшая разницу в парусности мачт 4 (см. Фиг.1) с открытым (см. Фиг.2) и закрытым (см. Фиг.3) состояниями парусов 5 и, как следствие, уменьшая скорость вращения вертикального вала 3 (см. Фиг.1), предотвращая разрушение всей конструкции ветродвигателя и позволяя ей работать в оптимальном режиме. При сильном ветре парусность мачт с открытым (см. Фиг.2) и закрытым (см. Фиг.3) состояниями парусов 5 выравнивается и вращение вертикального вала 3 (см. Фиг.1) прекращается.

Для исключения рывков вращения вертикального вала 3 тяговые устройства 8 и 12 выполнены с возможностью:

во-первых, автоматической фиксации в положении максимальных β (см. Фиг.2) и γ (см. Фиг.3) с возможностью контролируемого их уменьшения (например, в ручном режиме при помощи регулируемых фиксаторов положения), при использовании ветродвигателя в регионах с сильными ветрами и на подвижных объектах;

во-вторых, инерционного возвращения в исходное состояние, то есть с определенной задержкой времени (определяется практически, например: при помощи пневматических амортизаторов), при использовании ветродвигателя в регионах с сильными короткими порывами ветра.

Конструкция предлагаемого ветродвигателя проста и позволяет эффективно работать независимо от скорости и порывов ветра, региона и места использования, в том числе и на подвижных объектах.

1. Ветродвигатель, включающий преобразователь вращения, вращаемый парусными ветродвижителями, смонтированными на одном вертикальном валу и состоящими из горизонтальных мачт с соединенными с возможностью поворота верхней частью парусами, величина закрывания которых отрегулирована через поводки тяговым устройством, отличающийся тем, что мачты сгруппированы в ряды по высоте вертикального вала, с количеством мачт в каждом ряду не менее трех, а высота каждого паруса не превышает его ширины, при этом величина закрывания парусов отрегулирована через поводки тяговым устройством автоматически в зависимости от скорости ветра, причем также отрегулирована через дополнительные поводки дополнительным тяговым устройством автоматически в зависимости от скорости ветра величина открывания парусов, расположенных на одном или нескольких рядах мачт, для создания на мачтах с открытыми парусами подъемной силы.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что тяговое устройство и дополнительное тяговое устройство выполнены в виде вращающихся с вертикальным валом втулок с центробежными грузами, соединенными с соответствующими поводками и регулирующими ими, соответственно, величину закрывания и открывания паруса в зависимости от скорости вращения вертикального вала.