ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована, в частности, для преобразования энергии воздушного потока в электрическую энергию.
Известен ветряной двигатель, содержащий размещенное на вертикальном валу ветроколесо с поворотными лопастями, ограничители поворота лопастей, снабженные секторными дисками и подпружиненными стержнями, установленными с возможностью контактирования с дисками, механизм перевода лопастей во флюгерное положение, RU 1787208.
Недостатками этого устройства являются низкий КПД, интенсивная вибрация при работе, быстрый износ и ненадежность механизма, неравномерность вращения ветроколеса.
Известен ветряной двигатель, включающий ветроколесо, содержащее установленные на вертикальном валу горизонтальные махи (оси) и шарнирно закрепленные на них лопасти, причем на каждом махе закреплена пара лопастей, имеющих общую ось вращения, параллельную
оси вращения ветроколеса, на каждой лопасти шарнирно закреплена тяга, соединенная с ползуном, имеющим возможность передвигаться по направляющей, закрепленной горизонтально перпендикулярно маху, на котором установлен подпружиненный ползун, взаимодействующий с одной из лопастей, RU 2057969.
Данное устройство имеет относительно постоянную скорость вращения ветроколеса, однако оно сохраняет остальные недостатки описанного выше аналога.
Известен ветряной двигатель, включающий ветроколесо, укрепленное на вертикальном валу, содержащее жестко соединенные с валом горизонтальные оси (махи), а также пары лопастей, которые установлены с возможностью поворота относительно друг друга на вертикальных осях, размещенных на каретках, установленных на горизонтальных осях с возможностью перемещения вдоль последних. К каждой лопасти прикреплена тяга, шарнирно соединенная с ползуном, установленным с возможностью перемещения на горизонтальной направляющей, перпендикулярной горизонтальной оси (маху). Каретки подпружинены относительно упоров, выполненных на концах горизонтальных осей, RU 2313691.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.
Его недостатком является нарушение центровки ветроколеса относительно вала из-за того, что каретки при их возвратно-поступательном перемещении находятся на разных расстояниях от вала, что приводит к радиальному биению вала относительно его подшипников. Серьезным недостатком устройства является незащищенность подшипников, кареток и др. движущихся элементов от атмосферных воздействий. Это приводит к коррозии этих элементов, обмерзанию при отрицательных температурах, что может привести к нарушению работоспособности устройства или выходу его из строя. Следует также
отметить сложность и ненадежность данной «зонтичной» конструкции, необходимость регулярного и частого технического обслуживания: смазки, контроля состояния элементов устройства, что весьма затруднено на значительной высоте (практически, более 10 м).
Задачей полезной модели является устранение дисбаланса системы относительно вала и тем самым исключение радиального биения вала в подшипниках, защита подшипников от атмосферных воздействий, а также упрощение и повышение надежности конструкции и облегчение эксплуатации.
Согласно полезной модели в ветряном двигателе, включающем ветроколесо, укрепленное на вертикальном валу, содержащее горизонтальные оси и установленные на них лопасти, ветроколесо снабжено оголовком, жестко соединенным с верхним концом вала, горизонтальные оси установлены в оголовке на разной высоте с возможностью их вращения, лопасти жестко укреплены на горизонтальных осях, причем лопасти, укрепленные на одной оси, расположены в плоскостях, угол между которыми составляет 90±5°, при этом двигатель снабжен ограничителями поворота горизонтальных осей; ограничители поворота горизонтальных осей выполнены в виде консолей, укрепленных на горизонтальных осях и соответствующих им упоров, выполненных на оголовке с возможностью взаимодействия с указанными консолями.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - вид спереди при отсутствии ветра;
на фиг.2 - устройство в аксонометрии при воздействии ветра;
на фиг.3 - вид сверху на фиг.2.
Ветряной двигатель включает ветроколесо, укрепленное на вертикальном валу 1. Ветроколесо содержит горизонтальные оси 2, 3 и оголовок 4, который жестко соединен с валом 1 в верхней части вала, например, с помощью сварки или разъемного соединения. Горизонтальные оси 2, 3 установлены в оголовке 4 на разной высоте в подшипниках 5 и 6, соответственно. Подшипники 5 и 6 жестко закреплены внутри оголовка 4 и благодаря этому в значительной степени закрыты; кроме того, они могут быть дополнительно защищены от попадания атмосферных осадков с помощью щитков 7, 8, прикрепленных к оголовку 4. В конкретном примере щитки 7 защищают подшипники на оси 2, а щитки 8 - на оси 3. Щитки 7, 8 представляют собой кольцевые конические элементы (на фиг.1, 2 - условно не показаны).
На концах оси 2 жестко укреплены лопасти 9 и 10, а на концах оси 3 жестко укреплены лопасти 11 и 12. Лопасти, укрепленные на одной оси, расположены в плоскостях, угол между которыми составляет 90±5°. При меньших или больших углах значительно снижается коэффициент полезного действия ветряного двигателя, так как при вертикальном положении лопасти на одном конце горизонтальной оси возникает противодействие вращению вала 1 со стороны лопасти, находящейся на другом конце этой оси. Оптимальным является угол между лопастями 9 и 10 и, соответственно, между лопастями 11 и 12, равный 90°±5°. 5° - величина допустимого отклонения от взаимноперпендикулярного положения лопастей на противоположных концах осей 2 и 3.
Для фиксации лопастей в вертикальном положении и передачи крутящего момента на вал 1 двигатель снабжен ограничителями поворота осей 2 и 3. В данном случае ограничители поворота содержат консоли 13, которые укреплены на осях 2 и 3 по обе стороны от оголовка 4 между оголовком и лопастями, и соответствующие консолям 13 упоры 14, выполненные на оголовке 4 с возможностью упирания в них консолей 13 при повороте осей 2, 3. Вал 1 установлен на основании 15 посредством
упорного подшипника 16 с возможностью вращения в подшипниках скольжения 17, 18. Вал 1 и подшипники 17, 18 размещены в полом трубчатом корпусе (на чертежах не показан). Вращение от вала 1 через передачу 19 передается к ротору электрического генератора или к другому исполнительному механизму.
Устройство работает следующим образом.
При отсутствии ветра устройство находится в положении на фиг.1, лопасти висят на осях 2, 3 под действием силы тяжести.
Под воздействием ветра лопасть, находящаяся с наветренной стороны (на фиг.2, 3 - лопасть 12), занимает вертикальное положение, а лопасть 11 занимает горизонтальное положение. При этом ветровую нагрузку воспринимает только лопасть 12, которая через ось 3, консоль 13 и упор 14 передает вращающий момент на оголовок 4 и вал 1. При повороте вала 1 позицию, которую занимала лопасть 12, займет лопасть 10, затем лопасть 11 и далее лопасть 9, которые также воспринимают ветровую нагрузку и передают ее через оси, консоли и упоры на оголовок 4 и вал 1.
Конструкция ветряного двигателя обеспечивает положение центра тяжести системы, практически, на продольной оси симметрии вала 1, что исключает дисбаланс системы и радиальное биение в подшипниках 17, 18. Благодаря тому, что подшипники осей 2, 3 вмонтированы в оголовок (а также благодаря тому, что они могут быть дополнительно закрыты щитками) значительно уменьшается попадание в них атмосферных осадков, в связи с чем не требуется частое их обслуживание (контроль, смазка и т.п.). Конструкция ветряного двигателя весьма простая, поскольку не содержит элементов (лопастей) сложной аэродинамической формы и надежная в эксплуатации.