РОТОРНЫЙ ВЕТРОГИДРОДВИГАТЕЛЬ
ROTOR WIND HYDRAULIC ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к роторным энергоустановкам, использующим кинетическую энергию движения потока ветра или воды для преобразования ее в механическую энергию вращения.
Известно подобное устройство по авторскому свидетельству СССР №1650948, ротор ветродвигателя «Хвост дельфина», содержащее гибкие пластины-лопасти, закрепленные передними кромками на неподвижных осях, связанных с ободами (дисками), которые с помощью спиц соединены с вертикальным валом установки [1].
Недостатком данного устройства является очень малый ресурс работы, так как пластины-лопасти жестко закреплены на своих подвижных осях и отклоняются от потока только за счет своей гибкости, имеющей ограниченные пределы по количеству перегибов в обе стороны: вовнутрь и наружу ротора. В данном устройстве за один оборот ротора каждая пластина-лопасть отклоняется дважды. Кроме того, для разных по мощности энергетических потоков потребовалось бы подбирать и заменять пластины - лопасти разной степени упругости.
Известно также устройство «Ротор «Хвост дельфина»» по патенту на полезную модель РФ №34653, содержащее между ободами-дисками подвижные лопасти, размещенные на втулках своих осей и подпружиненные пружинами с противоположной круткой [2]. Лопасти в данном устройстве также имеют возможности отклоняться вовнутрь и наружу на углы, определяемые упругостью закрученных пружин. Ресурс работы этого ротора значительно больше, однако также ограничен и определяется надежностью работы большого числа уравновешенных пружин и других сопутствующих им узлов.
Поскольку со временем параметры пружин изменяются, то предстоит регулировка степени их упругости (жесткости) путем подкручивания в ту или иную сторону пружин для установки в равновесное исходное состояние лопастей при отсутствии потока, представляющее собой фигуру многогранника.
В качестве прототипа выбран «Ветрогидродвигатель» по патенту на полезную модель РФ №55884, содержащий вал, соединенный с ободами-дисками, между которыми на своих осях установлены лопасти, имеющие рычаги, расположенные вдоль плоскости лопастей и соединенные через гибкие тяги, поворотные опоры, пружины и натяжители с одним из ободов-дисков [3].
В данном устройстве количество пружин уменьшено в два раза и вместо сложных в регулировке пружин на закручивание применены более простые пружины на растяжение. Упрощен процесс установки ротора в исходное состояние многогранника при отсутствии потока за счет использования гибких тяг, поворотных опор и натяжителей.
Однако данное устройство также является недостаточно надежным из-за наличия постоянно работающих пружин на растяжение, параметры которых со временем изменяются и требуют корректировки, либо - замены пружин в связи с их поломкой.
Кроме того, при изменении параметров пружин в процессе работы устройства изменяются также углы раскрытия (углы атаки) лопастей по отношению к потоку, и, соответственно, снижается стабильность и КПД установки.
Технические преимущества заявленного объекта заключаются в следующем.
Для решения задачи повышения надежности и КПД устройства в ветродвигатель, содержащий вал, соединенный с дисками, между которыми установлены на своих осях лопасти, снабженные рычагами, соединенными с одним из дисков посредством гибких тяг, поворотных опор и натяжителей, дополнительно в диске выполнены отверстия, гибкие тяги пропущены через поворотные опоры и отверстия вниз, натяжители выполнены в виде грузов, прикрепленных к концам гибких тяг, а между грузами и поверхностью диска размещены на гибких тягах дополнительно введенные пружины на сжатие и втулки скольжения.
Кроме того, пружины на сжатие, грузы и втулки скольжения на концах гибких тяг размещены в трубах, прикрепленных одними торцами к диску, а на других торцах труб установлены регулировочные винты для фиксации начального положения грузов и, соответственно, начального угла атаки для слабых энергетических потоков.
Отличительными признаками является то, что вместо упругих пружин на растяжение применены грузы, имеющие постоянный вес, поэтому сила веса, с которой грузы воздействуют на рычаги лопастей остается постоянной в номинальном заданном диапазоне скоростей потока, что обеспечивает равномерное стабильное вращение ротора и не требует дополнительных регулировок. Расширение номинального заданного диапазона рабочих скоростей обеспечивается при необходимости дополнительной пружиной на сжатие, сила упругости которой добавляется к силе веса груза при увеличении скорости потока выше номинальной, а при аварийных (буревых) потоках происходит полное сжатие пружины, лопасти устанавливаются во флюгерное положение, что предохраняет установку от поломки.
Отличительным признаком является также то, что грузы, пружины и скользящие втулки на конце гибких тяг размещены в трубах, прикрепленных одними торцами к диску, причем на других торцах труб установлены регулировочные винты для установки исходного угла атаки лопастей для слабых потоков с малыми скоростями.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемые варианты устройства не была обнаружена, таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «новое».
На основании сравнительного анализа вариантов предложенного решения с известным уровнем техники по источникам патентной и научно-технической информации можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе отличительных, выполняемых ими функций и достигаемой целью, предложенное техническое решение не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».
Предлагаемый роторный ветрогидродвигатель изображен на чертежах:
фиг.1 - вид устройства сверху со снятым верхним диском, фиг.2 - вид сбоку на конструкцию одного из натяжителей для каждой лопасти устройства.
Лопасти 1…9 (для данной конструкции девять штук) размещены на своих осях 10 между дисками 11 (верхний диск снят) с возможностью поворота лопастей вовнутрь и наружу ротора (фиг.1). Каждая лопасть имеет рычаг 12, которые соединены посредством гибких тяг 13, через поворотные опоры 14 и отверстия 15 в диске с грузами 16 (фиг.2).
Между грузами и поверхностью диска на гибких тягах размещены в трубах 17 втулки 18 скольжения и пружины 19. В торце труб установлены регулировочные винты 20. К центральной оси 21 крепятся верхний и нижний диски ротора, а через механический привод ось соединяется с исполнительным механизмом, например электрическим генератором (не показаны).
Роторный ветродвигатель работает следующим образом.
При отсутствии потока V ветра или воды грузы 16 под действием своей силы тяжести тянут через гибкие тяги 13, пропущенные в отверстия 15 диска, и поворотные опоры 14 - рычаги 12 лопастей 1…9, при этом лопасти принимают фигуру замкнутого девятиугольника, а грузы 16 находятся в крайних нижних положениях. Расположение лопастей в этот момент на фиг.1 показано штрихпунктирными линиями.
Для того чтобы улучшить момент начального страгивания ветрогидродвигателя с места при слабом потоке, винты 20 подкручивают, чтобы приподнять ими грузы 16, при этом тяги 13 уменьшают передачу усилия от грузов на рычаги 12 лопастей и последние имеют возможность незначительно поворачиваться на своих осях 10 и создавать определенный начальный угол атаки на поток. Это положение лопастей показано на фиг.1 пунктирными линиями.
При увеличении скорости потока V в пределах до номинального значения происходит отклонение лопастей на большие углы атаки, и ротор вращается по часовой стрелке.
За один оборот ротора каждая лопасть отклоняется от исходного состояния дважды: вовнутрь и наружу ротора и, соответственно, грузы лопастей дважды поднимаются и опускаются до своего исходного нижнего положения.
Вес грузов выбирается из условия оптимального угла атаки (угла раскрытия) лопастей при номинальной скорости потока, например для скорости ветра, определенной ГОСТ, от 8…10 м/с.
Сила веса грузов неизменна и поэтому при резких изменениях скорости потока лопасти раскрываются на больший угол, пропуская через ротор часть потока, при этом частота вращения ротора не изменяется.
1
2
1
2
Положение в пространстве лопастей устройства представлено на фиг.1 в определенный момент времени. От воздействия потока V лопасти 1 и 2 отклоняются вовнутрь ротора, лопасти 6 и 7 отклонились наружу от части потока V, прошедшего через ротор, а лопасти 3, 4, 5 воспринимают энергию от наружной части потока V, где V=V+V. Таким образом большая часть лопастей ротора задействована в отъеме кинетической энергии от потока.
После достижения максимального значения диапазона номинальной скорости потока и при его дальнейшем увеличении рычаги лопастей 12 продолжают тянуть тяги 13 до момента соприкосновения втулок 18 скольжения с плоскостью диска 11.
При дальнейшем увеличении скорости потока начинает сжиматься пружина 19, уменьшая воздействие кинетической энергии потока на лопасти, так как усилие пружин суммируется с силой веса грузов. Подобрав определенные параметры пружин, предоставляется возможность регулировки оборотов ротора в расширенном диапазоне скоростей потока.
Когда скорости потока достигают аварийных (буревых) скоростей лопасти 1…9 занимают флюгерное положение вдоль потока. На фиг.1 их положение показано двойной пунктирной линией, при этом пружины 19 (фиг.2) находятся в сжатом состоянии.
После прохождения аварийных потоков под действием пружин лопасти возвращаются в рабочее состояние, регулируемое силой веса грузов.
Таким образом, в предложенном устройстве повышение надежности и КПД достигается применением более простых узлов и связей между ними.
Использование свободно тянущих грузов при раскрытии лопастей позволяет исключить непрерывно работающие при вращении ротора ненадежные пружины на кручение или растяжение, а также исключить первоначальные регулировки в устройстве, поскольку при отсутствии потока лопасти под действием не меняющихся по весу грузов всегда устанавливаются в исходный многогранник. Примененные в данном устройстве пружины на сжатие используются кратковременно в периоды либо превышения скорости потока от номинальной для расширения диапазона использования ветродвигателя, либо в качестве аварийной защиты.
Данная конструкция позволяет максимально использовать кинетическую энергию потока в широком диапазоне его скоростей, а также обеспечить эффективный отъем энергии от потока с быстроменяющимися параметрами.
Лабораторные испытания макета предлагаемого ветродвигателя подтвердили заявленные характеристики.
Источники информации
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1650948, кл. F03D 3/00, «Ротор ветродвигателя «Хвост дельфина»» (аналог).
2. Описание патента РФ на полезную модель №34653, МПК F03B3 3/12 «Ротор Хвост дельфина» (аналог).
3. Описание патента РФ на полезную модель №55884, МПК F03B 3/12 «Ветрогидродвигатель» (прототип).
4. Описание к евразийскому патенту ЕА 003784 В1 от 28.08.2003 г., МПК F03D 3/06 «Ветроэнергетический агрегат и ветроэлектростанция».
5. Патент Франции 2286954, кл. F03D 3/00, опубл. 1976 г.
6. Заявка Японии JP 2006336630 A, 14.12.2006 г.
7. Патент США №3743848, кл. 290/55, опубл. 1973 г.
8. Заявка Великобритании №2119025, кл. F03D 3/00, опубл. 1983 г.