ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2263815

РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВЕТРЯКА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ ВРАЩЕНИЯ

РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВЕТРЯКА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ ВРАЩЕНИЯ

Имя изобретателя: Халюткин В.А. (RU); Мерзликин Р.Ю. 
Имя патентообладателя: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ставропольский государственный аграрный университет
Адрес для переписки: 355017, г.Ставрополь, пер. Зоотехнический, 12, ФГОУ ВПО СтГАУ, ОИС, патентный отдел
Дата начала действия патента: 2004.04.05 

Изобретение относится к ветродвигателям, а именно к ветродвигателям роторного типа с вертикальным валом вращения. Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к увеличению КПД и повышению работоспособности роторного ветродвигателя за счет снабжения его жесткой фермой, увеличению безаварийного срока службы за счет снижения вибрации всей конструкции при применении жесткой фермы, к возможности увеличения мощности роторного ветродвигателя с вертикальным валом вращения за счет увеличения размеров ротора как по диаметру, так и по высоте, используя жесткую ферму. Роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения состоит из опорной фермы, состоящей, как минимум, из трех опор; верхних и нижних перекладин, соединяющих опоры в единый жесткий конструктивный узел; верхней и нижней опорных площадок с отверстиями в центре, прикрепленных к перекладинам; на верхней и нижней опорных площадках, соосно отверстиям, крепятся верхний и нижний подшипниковые корпуса, в которых размещены верхний и нижний подшипники, установленные соответственно на верхнем и нижнем концах вала ротора, размещенного внутри опорной фермы между опорными площадками с возможностью его вращения; рабочих органов, лопастей, выполненных в виде части полой сферы или в виде полого цилиндра. Опоры фермы жестко закреплены на фундаменте.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к ветродвигателям, а более конкретно к ветродвигателям роторного типа с вертикальным валом вращения.

Известен двухопорный ветродвигатель роторного типа с вертикальным валом, у которого подшипники расположены по обе стороны ротора. Подшипник, установленный на нижнем конце вала закрепляется в ферме, а подшипник, установленный на верхнем конце вала закрепляется в крестовине, от которой к земле идут растяжки, поддерживающие всю конструкцию в вертикальном положении (см. Ветер отапливает дом // Юный техник. 1988, №3, с.76-80).

Достоинством этой конструкции является малая металлоемкость и простота изготовления. Однако она имеет значительные недостатки.

1. При воздействии силы ветра на ротор возникнет изгиб вала и, как следствие, статическая разбалансировка ротора.

2. При вращении ротора под воздействием ветра в результате отклонения вала возникает динамическая разбалансировка, изгибающая вал еще сильнее.

Данному ветродвигателю присущи недостатки, обусловленные значительной подвижностью крестовины, в которой установлен корпус верхнего подшипника вместе с самим подшипником, что влечет за собой деформацию самой крестовины, прогибание растяжек под собственной тяжестью, деформацию почвы.

Второй недостаток связан с соединением нижнего конца вала ротора с рабочим механизмом - ось вала ротора меняет свое положение в режиме частоты вибрации и проблемы возникают даже при использовании мягких муфт, при этом актуальны дополнительные потери мощности ветродвигателя от перекосов и трения.

Третий недостаток заключается в ограничении размеров ротора как по диаметру, так и по высоте.

В результате статической и динамической разбалансировки вал в месте сочленения с подшипником испытывает сильные знакопеременные нагрузки, которые приводят к тому, что вал около подшипника ломается.

Увеличение прочности вала дает положительный эффект только для роторных ветродвигателей малой мощности с малыми размерами ротора, а для мощных ветродвигателей увеличение прочности вала только усугубляет проблему.

Также известна ветряная теплоэлектростанция, содержащая, по меньшей мере, один дополнительный ветроагрегат, размещенный в корпусе, состоящем, по меньшей мере, из одной верхней и одной нижней горизонтальных рам, равномерно размещенных по высоте ветроагрегата и соединенных между собой вертикальными опорами, которые жестко связаны поперечными тягами (см. RU 2142573 C1, 6 F 03 D 9/02).

Первым недостатком данного устройства является то, что распределенные таким образом ветроагрегаты, экранируют друг друга.

Если же устанавливать ветроагрегаты на значительных расстояниях, то соединять их верхней и нижней горизонтальными рамами теряет всякий смысл. Такие ветроагрегаты по своей конструкции должны быть автономными.

Второй недостаток данного устройства состоит в том, что подпор воздуха, создающийся перед вторым рядом ветроагрегатов, снижает разность давлений потока воздуха перед первым рядом ветроагрегатов и за ним, что ухудшает их работу.

Применительно к указанной теплоэлектростанции необходимо рассмотреть только одну ячейку, в которой установлен ветроагрегат. Он установлен в прямоугольной вертикальной раме. Ось барабана ветроколеса крепится своими концами к верхней и нижней сторонам прямоугольной рамы. Сама прямоугольная рама самостоятельно удерживаться в вертикальном положении не может. В рассматриваемом устройстве все рамы занимают вертикальное положение только за счет их групповой установки и соединения жесткими поперечными тягами. Чтобы отдельная прямоугольная рама занимала устойчивое положение, она должна быть снабжена растяжками, соединенными с грунтом. Однако такое решение не обеспечивает требуемой жесткости конструкции, необходимой для работы барабанного ветроколеса.

Предлагаемое решение проблемы - ротор должен вращаться внутри жесткой конструкции в виде специальной фермы.

Наиболее близким к заявленному изобретению является ветродвигатель роторного типа с вертикальным валом, содержащий ротор, у которого рабочими органами являются лопасти, выполненные в виде части полого цилиндра, закрепленные на валу, на концах которого установлены верхний и нижний подшипники, находящиеся в подшипниковых корпусах. Корпус нижнего подшипника установлен в жесткой конструкции, а корпус верхнего подшипника укреплен в крестовине, к концам которой подсоединены растяжки, закрепленные в грунте (Климов О., Климов В. Сенсация! Роторный, спирально-вихревой // Техника - молодежи. 2003, №2, с.36-37). Данный ветродвигатель обладает всеми вышеперечисленными недостатками.

Предлагаемое изобретение устраняет все перечисленные выше недостатки.

Раскрытие изобретения.

Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к увеличению КПД и повышению работоспособности роторного ветродвигателя за счет снабжения его жесткой фермой, увеличению безаварийного срока службы за счет снижения вибрации всей конструкции при применении жесткой фермы, к возможности увеличения мощности роторного ветродвигателя с вертикальным валом вращения за счет увеличения размеров ротора как по диаметру, так и по высоте, используя жесткую ферму.

Технический результат достигается тем, что роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения, содержащий ротор, у которого рабочими органами являются лопасти, выполненные в виде части полого цилиндра или части полой сферы, закрепленные на валу, на концах которого установлены верхний и нижний подшипники, находящиеся в верхнем и нижнем подшипниковых корпусах, снабжен опорной фермой, состоящей, как минимум, из трех опор, соединенных между собой в один жесткий конструктивный узел верхними и нижними перекладинами, к которым прикреплены соответственно верхняя и нижняя опорные площадки с отверстиями в центре, к опорным площадкам соосно отверстиям прикреплены верхний и нижний подшипниковые корпуса верхнего и нижнего подшипников таким образом, что ротор верхним и нижним концами вала с размещенными на них верхним и нижним подшипниками устанавливается в этих подшипниковых корпусах и размещается внутри опорной фермы между опорными площадками с возможностью его вращения.

РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВЕТРЯКА С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ ВРАЩЕНИЯ

На чертеже изображен роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения, ротор которого установлен между опорами опорной фермы и закреплен верхним и нижним концами вала посредством подшипников и подшипниковых опор на соответствующих опорных площадках.

Роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения состоит из опорной фермы 1, состоящей, как минимум, из трех опор 2; верхних 3 и нижних 4 перекладин, соединяющих опоры 2 в единый жесткий конструктивный узел; верхней 5 и нижней 6 опорных площадок с отверстиями в центре, прикрепленных к перекладинам 3 и 4; на верхней 5 и нижней 6 опорных площадках, соосно отверстиям, крепятся верхний 7 и нижний 8 подшипниковые корпуса, в которых размещены верхний 9 и нижний 10 подшипники, установленные соответственно на верхнем 11 и нижнем 12 концах вала 13 ротора 14, размещенного внутри опорной фермы 1 между опорными площадками 5 и 6 с возможностью его вращения; 15 - рабочие органы, лопасти, выполненные в виде части полой сферы или в виде полого цилиндра. Опоры 2 фермы 1 жестко закреплены на фундаменте 16.

 

РАБОТАЕТ ВЕТРЯК СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

При набегании потока ветра на рабочие органы 15, имеющие вид части полой сферы или полого цилиндра, возникают мощные поперечные силы (эффект Магнуса), значительно превышающие силу прямого давления ветра. Под воздействием силы прямого давления ветра и этих поперечных сил ротор 14 вращается, опираясь концами вертикального вала 11 и 12 на верхний 9 и нижний 10 подшипники, находящиеся в верхнем 7 и нижнем 8 подшипниковых корпусах, которые жестко соединены с верхней 5 и нижней 6 опорными площадками с отверстиями в центре и соосны им, присоединенными к верхним 3 и нижним 4 перекладинам, что предотвращает деформацию самих верхней и нижней опорных площадок 5 и 6, а также перекосы и зажимы ротора 14 в верхнем и нижнем подшипниках 9 и 10, снижая, тем самым, потери энергии на трение, что увеличивает КПД ветродвигателя и повышает его надежность. Верхние 3 и нижние 4 перекладины жестко соединены с опорами 2, а следовательно, и со всей конструкцией опорной фермы 1, жестко прикрепленной к фундаменту 16, обеспечивающему надежное крепление всей конструкции к грунту. Жесткое соединение верхней 5 и нижней 6 опорных площадок, верхних 3 и нижних 4 перекладин и опор 2 в единый жесткий конструктивный узел предотвращает изгиб вертикального вала 13, что снижает статическую и динамическую разбалансировку вертикального вала 13, увеличивая срок его службы, а также обеспечивает стабильное положение его оси в режиме частоты вибрации. Таким образом, ротор 14 при вращении занимает стабильное положение, а нижний конец 12 вертикального вала 13 можно соединять с любым рабочим механизмом посредством мягкой или жесткой муфты. Вибрации, создаваемые динамическими силами при вращении ротора 14, воспринимаются всей опорной фермой 1 и гасятся, что снимает ограничения на размеры ротора как по высоте, так и по диаметру, а это дает возможность строить мощные ветродвигатели роторного типа.

Преимущество заявленного ветродвигателя перед прототипом состоит в том, что опорная ферма 1 обеспечивает:

- жесткую фиксацию положения концов вертикального вала и гашение вибрации ротора, вызываемой динамическими силами при его вращении;

- сокращает потери механической энергии вращающегося вертикального вала за счет ликвидации перекосов, защемлений, зажатий, повышенного трения между сочлененными деталями и узлами и тем самым повышает КПД роторного ветродвигателя с вертикальным валом вращения и увеличивает его работоспособность, т.е. продление срока службы;

- жесткая фиксация положения концов вертикального вала ротора позволяет подсоединять к нижнему концу вертикального вала любой исполнительный механизм посредством как жесткой, так и мягкой муфты;

- гашение вибраций жесткой рамой позволяет полностью избегать аварийных ситуаций, увеличить срок службы роторного ветродвигателя с вертикальным валом вращения, определяемый только износом его узлов и деталей;

- жесткая опорная ферма снимает ограничения на размеры ротора как по диаметру, так и по высоте, а следовательно, позволяет строить мощные ветросиловые установки роторного типа, например для привода мощных электрогенераторов. Металлоемкость конструкции за счет опорной фермы увеличивается, но для мощных ветродвигателей удельная металлоемкость будет снижаться.

Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод о том, что по сравнению с прототипом и другими рассмотренными ветродвигателями, заявленный роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения, содержащий жесткую опорную ферму, имеет ряд существенных преимуществ, обеспечивающих надежность его работы, повышение КПД использования энергии ветра, а также возможность строительства роторных ветродвигателей с вертикальным валом вращения повышенной мощности.

Анализ известных технических решений в исследуемой области и в смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками заявленного устройства, выполняющими те же функции.

Экономическая эффективность от использования заявленного устройства заключается в том, что:

- увеличивается надежность работы и срок службы роторного ветродвигателя с вертикальным валом вращения;

- повышается КПД использования энергии ветра;

- предоставляется возможность создания мощного, надежно работающего роторного ветродвигателя с вертикальным валом вращения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения, содержащий ротор, у которого рабочими органами являются лопасти, выполненные в виде части полой сферы или части полого цилиндра, закрепленные на вертикальном валу, на концах которого установлены верхний и нижний подшипники, находящиеся соответственно в верхнем и нижнем подшипниковых корпусах, отличающийся тем, что он снабжен опорной фермой, состоящей как минимум из трех опор, соединенных между собой в один жесткий конструктивный узел верхними и нижними перекладинами, к которым прикреплены соответственно верхняя и нижняя опорные площадки с отверстиями в центре, а к опорным площадкам соосно с отверстиями прикреплены подшипниковые корпуса верхнего и нижнего подшипников таким образом, что ротор верхним и нижним концами вала с размещенными на них верхним и нижним подшипниками устанавливают в подшипниковых корпусах и размещают внутри опорной фермы между опорными площадками с возможностью его вращения.

Версия для печати
Дата публикации 31.01.2007гг


вверх