ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2170365

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

Имя изобретателя: Нестеров Евгений Александрович 
Имя патентообладателя: Нестеров Евгений Александрович
Адрес для переписки: 603105, г.Нижний Новгород, ул. Генкиной, 41-б, кв.15, Е.А.Нестерову
Дата начала действия патента: 2170365 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям, используемым для автономного энергообеспечения. Технический результат, заключающийся в повышении КПД и регулируемой мощности при достаточной надежности конструкции, обеспечивается за счет того, что в ветродвигателе, содержащем опору, поворотные с отражателями лопасти, взаимодействующие с упорами в виде тросов и шарнирно установленные продольно на махах, закрепленных на вертикальном валу, кинематически связанном с валом генератора, горизонтальную площадку и размещенную в верхней части опоры кольцевую направляющую, контактирующую с лопастями через отражатели, направляющая выполнена составной и одна из ее частей - подъемно-опускная, а каждая лопасть установлена со смещением оси симметрии относительно продольной оси маха на величину 1/5 - 1/4 ширины лопасти.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателю, используемому для автономного энергообеспечения.

Известны ветродвигатели с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра, содержащие установленные на вертикальном валу махи, рамочные или штанговые, снабженные подвижными упорами, и несущие шарнирно закрепленные на них лопасти, циклически взаимодействующие с упорами (1, 2). Для преобразования энергии ветра вертикальный опорный вал кинематически связан с валом генератора, при этом кинематическая связь выполняется в виде зубчатых цилиндрических пар с определенным передаточным отношением.

Известные ветродвигатели преобразуют энергию ветра в зависимости от положений лопастей по отношению к направлению ветра, т.е. обеспечивают пульсирующий характер снимаемой мощности, что снижает их КПД при высокой материалоемкости и сложности конструкции.

Известен ветродвигатель (3), наиболее близкий к предлагаемому, принятый за прототип, содержащий опору, две пары поворотных лопастей с постоянной рабочей площадью, взаимодействующих с упорами и установленных на махах, закрепленных на вертикальном опорном валу, и горизонтальную площадку, соединенную с махами. Опора такого ветродвигателя установлена под горизонтальной площадкой и снабжена размещенной в ее верхней части замкнутой кольцевой направляющей, махи - контактирующими с ней рамками, а лопасти - пружинными амортизаторами-отражателями, связанными с махами. Лопасти шарнирно смонтированы на махах продольным торцем и повернуты под углом к махам, а упоры выполнены в виде тросов, связанных концами с валом и махами.

Ветродвигатель при такой относительно простой конструкции обеспечивает некоторое повышение КПД, однако маломощен и не позволяет осуществлять регулировку преобразования получаемой энергии, мало надежен, особенно в условиях дождя и мокрого снега.

Задачей предлагаемого изобретения было создание простого технологичного ветродвигателя, обеспечивающего высокий КПД и повышенную регулируемую мощность при достаточной надежности конструкции.

Указанная задача решается предлагаемым ветродвигателем, содержащим опору, поворотные с отражателем лопасти, взаимодействующие с упорами в виде тросов и шарнирно установленные продольно на махах, закрепленных на вертикальном валу, кинематически связанном с валом генератора, горизонтальную площадку и размещенную в верхней части опоры кольцевую направляющую, контактирующую с лопастями через отражатели, в котором согласно изобретению направляющая выполнена составной и одна из ее частей - подъемно-опускная, а каждая лопасть установлена со смещением ее оси симметрии относительно продольной оси маха на величину, выбранную из соотношения 1/5 - 1/4 ширины лопасти. Каждая лопасть может быть выполнена с переменной площадью, для чего она снабжена по меньшей мере родной дополнительной лопастью, размещенной на дополнительном махе аналогично основной лопасти и соединенной с ней посредством смонтированных на махах вертикальной жесткой стяжки со стороны вала и шарнирного трехзвенного штангового механизма со стороны рабочего торца лопастей. В таком ветродвигателе отражатели размещены на основных лопастях по периферии со стороны вертикального вала, а упоры в виде тросов - на верхних дополнительных махах. В рассматриваемом ветродвигателе опора размещена на горизонтальной площадке, смонтированной над аккумулятором, которым снабжен ветродвигатель, кинематически связанным с генератором.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый ветродвигатель отличается от прототипа конструктивным выполнением направляющей и заданным смещением лопастей, что обеспечивает гарантированную циклическую установку лопастей вертикально, и/или под требуемым углом к ветровой нагрузке, позволяющую создать максимальную эффективную рабочую площадь лопастей, а также исключить налипание на них мокрого снега, что исключает поломку и изгиб лопастей и махов, а в целом повышение мощности и надежности конструкции.

Предлагаемая величина смещения оси симметрии лопасти от оси маха установлена опытным путем и является оптимальной, т.к. обеспечивает дополнительный момент вращения лопасти вокруг своей оси (к вращению за счет шарнирной подвески на махе), при прекращении контакта отражателя с кольцевой направляющей. Выполнение смещения оси лопасти от оси маха, на которой она подвешена, на величину, меньшую предлагаемой, за счет уменьшения несбалансированной весовой нагрузки на шарнирную подвеску лопасти, не гарантирует требуемой ее установки, а выбор упомянутого смещения большим предлагаемого нецелесообразен, т.к. при этом ветродвигатель будет иметь низкую эффективность преобразования энергии ветра.

Выполнение лопасти с переменной площадью путем снабжения ее рядом дополнительных определенным образом соединенных с основной лопастей, по меньшей мере одной, позволяет создать ветродвигатель с заданной мощностью, высоким КПД за счет выполнения лопасти с требуемой эффективной площадью сопротивления ветру.

Таким образом заявляемое техническое решение ветродвигателя соответствует критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Предлагаемый ветродвигатель поясняется чертежами, где:

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
 

на фиг. 1 показан схематично ветродвигатель, общий вид; на фиг. 2 - сборная лопасть и аккумулятор (на фиг. 1); на фиг. 3 изображен вид I-I (на фиг. 2) узел подвески груза аккумулятора.

Ветродвигатель содержит опору 1, поворотные лопасти 2, взаимодействующие с упорами 3 в виде тросов и установленные шарнирно и продольно на махах 4, закрепленных на вертикальном валу 5, кинематически связанном посредством, например, зубчатой передачи 6 с валом 7 генератора (не показан). Опора 1 размещена на горизонтальной несущей площадке 8, а в верхней ее части установлена кольцевая направляющая 9, контактирующая с лопастями 2 через отражатели 10, выполненные, например, в виде пружинных или гидравлических амортизаторов. Направляющая 9 выполнена в виде составной, например, из двух равных частей - полуколец, одна из которых 11, выполнена стационарной, а другая - 12 - подъемно-опускная, посредством известного привода, например, механического, гидравлического и т.д. (не показан). Каждая лопасть 2 установлена на махе 4 со смещением ее оси симметрии относительно продольной оси маха на величину "h", выбранную из определенного опытным путем соотношения 1/5 - 1/4 ширины "H" лопасти 2. Для увеличения эффективной площади лопасти 2, обеспечивающей повышение КПД ветродвигателя и соответственно требуемой мощности, каждая лопасть 2 выполнена с переменной площадью за счет жесткой установки над ней по меньшей мере одной дополнительной лопасти 2 (фиг. 2), размещенной на дополнительном махе аналогично основной лопасти и соединенной с ней посредством смонтированных на махах вертикальной жесткой стяжки 13 со стороны вала 5 и шарнирного трехзвенного штангового механизма 14, установленного со стороны рабочего торца 15 лопасти 2. В зависимости от потребностей ветродвигатель может иметь один, два, три и т.д. ряда вертикально установленных лопастей, соединенных в единое жесткое рамное крыло, поворотное вокруг вала 5, при этом отражатели 10 смонтированы на нижних основных лопастях 2 по периферии со стороны вала 5, а упоры 3, выполненные в виде тросов, связывают концами вал 5 с верхними дополнительными махами 4. Для обеспечения автономного снабжения электроэнергией объекта ветродвигатель может быть снабжен аккумулятором 16 кинематически связанным посредством, например, зубчатой передачи 17 с генератором (не показан) и смонтированным под горизонтальной площадкой 8, выполненной виде установочной платформы. Аккумулятор 16 может быть выполнен, например, в виде заданного количества грузов определенного веса, подвешенных в шахтах на поворотных барабанах 18.

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

При отсутствии ветра лопасти 2 под действием силы тяжести установлены в вертикальном положении, а направляющая часть 12 опущена на горизонтальную площадку 8. При появлении ветра под действием силы ветрового потока лопасти 2 соприкасаются отражателями 10 с направляющей 9, ее стационарной частью 11, и принимают горизонтальное положение. Направляющая часть 11 удерживает лопасть в горизонтальном положении при вращении на 180o. Достигнув конца этой части, лопасть 2 за счет смещения оси от оси маха 4 на заданную величину под действием силы тяжести принимает наклонное положение, а затем - вертикальное. При сильном ветровом потоке (с высокой скоростью) значительных осадках для избежания поломок лопастей в случае необходимости работы ветродвигателя, устанавливают направляющую часть 12, обеспечивающую дополнительную опору лопастям 2. Для исключения работы ветродвигателя, повышения надежности и долговечности конструкции при необходимости выводят отражатель 10 из зоны контакта лопасти 2 с направляющей 9 за счет его пружинно-амортизационных свойств.

Модель ветродвигателя была изготовлена и испытана в лабораторных условиях. Испытания при скорости 3, 8, 13 м/сек ветрового потока (до 20 м/сек) показали, что ветродвигатель обеспечивает ожидаемые результаты, а именно малую материалоемкость, технологичность, надежность конструкции, эффективность преобразования энергии ветра. Расчетным путем, как пример выполнения, установлено, что одна лопасть при величине рабочей площади до ~40 кв.м способна выработать электроэнергии до ~100 кВт, при этом лопасть-крыло может быть набрана из трех рядов вертикально установленных лопастей, и для обеспечения запаса энергии до 0,5 месяца величина суммарного груза аккумулятора может составлять 10 тонн.

Таким образом, предлагаемый ветродвигатель соответствует критерию "промышленная применимость".

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. А. с. СССР N 1765491, кл. F 03 D 3/00, з. 03.01.90; оп. 30.09.92, "Ветродвигатель" (аналог).

2. А. с. СССР N 1772407, кл. F 03 D 3/00, з. 08.12.89; оп. 30.10.92, "Карусельное ветроколесо" (аналог).

3. А. с. СССР N 1361372, кл. F 03 D 3/06, з. 18.07.87; оп. 23.12.87, "Ветродвигатель" (прототип).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Ветродвигатель, содержащий опору, поворотные с отражателями лопасти, взаимодействующие с упорами в виде тросов и шарнирно установленные продольно на махах, закрепленных на вертикальном валу, кинематически связанном с валом генератора, горизонтальную площадку и размещенную в верхней части опоры кольцевую направляющую, контактирующую с лопастями через отражатели, отличающийся тем, что направляющая выполнена составной и одна из ее частей - подъемно-опускная, а каждая лопасть установлена со смещением оси симметрии относительно продольной оси маха на величину 1/5 - 1/4 ширины лопасти.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть выполнена с переменной площадью и снабжена по меньшей мере одной дополнительной лопастью, размещенной на дополнительном махе аналогично основной лопасти и соединенной с ней посредством смонтированных на махах вертикальной жесткой стяжки со стороны вала и шарнирного трехзвенного штангового механизма со стороны рабочего торца лопастей.

3. Ветродвигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что отражатели размещены на основных лопастях по периферии со стороны вертикального вала, а упоры в виде тросов - на верхних дополнительных махах.

4. Ветродвигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что он снабжен аккумулятором, кинематически связанным с генератором и смонтированным под горизонтальной площадкой, на которой размещена опора.

Версия для печати
Дата публикации 30.01.2007гг


вверх