ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
VERTICAL ROTATION AXLE WINDMILL

Объектом настоящего изобретения является ветряной двигатель с вертикальной осью вращения, который находит применение в электроэнергетических установках, водонасосных установках и при хранении потенциальной энергии.
В настоящее время энергия ветра представляет собой существенную альтернативу традиционным источникам энергии. В отличие от традиционных источников она является возобновляемой и не является источником загрязнения атмосферы или земли газообразными выбросами.
С недавних пор наметилось ускоренное развитие таких источников энергии. Этот прогресс сопровождается повышением надежности, увеличением размеров и производительности ветряных двигателей, вследствие чего снижается себестоимость киловатт-часа до уровня, способного конкурировать с другими источниками энергии.
Обычно ветряные двигатели подразделяют на две большие категории: ветряные двигатели с вертикальной осью вращения и ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения.
Ветряной двигатель с горизонтальной осью вращения, пример которого показан на фиг.1а, является наиболее известным и наиболее распространенным типом ветряного двигателя. Как правило, такой тип ветряного двигателя содержит три лопасти 1, 2, 3, закрепленные одним из своих концов 1а, 2а, 3а в единой точке 5 вертикальной мачты или башни 4. Эти лопасти 1, 2, 3 вращают горизонтальную ось, связанную с генератором переменного или постоянного тока в приводном устройстве 12 или гондоле. Этот тип ветряного двигателя считается прямым потомком ветряных мельниц, в которых деревянные крылья заменены лопастями авиационного винта.
Высота Н мачты 4 оказывает влияние на мощность, так как самые быстрые воздушные потоки находятся на значительной высоте. Длина лопастей 1, 2, 3 также влияет на мощность, так как эти лопасти ограничивают площадь S охватываемого воздушного диска, и производимая мощность прямо пропорциональна этой площади S.
Одним из недостатков такого типа ветряного двигателя состоит в том, что его обслуживание является сложным и опасным, так как гондола 12 находится на вершине мачты 4. Вторым существенным недостатком является то, что ветряной двигатель с горизонтальной осью вращения является однонаправленным. Поэтому для него необходимо наличие направляющего устройства с двигателем. Как правило, это направляющее устройство устанавливают внутри гондолы 12 или соединяют с ней, то есть оно находится на вершине мачты 4. Кроме того, для этого типа ветряного двигателя характерно наличие шума, в основном связанного со скоростью столкновения лопастей с воздушным диском и с коаксиальной тягой.
Ветряной двигатель с вертикальной осью вращения, пример которого показан на фиг.1b, до сегодняшнего дня остается наименее распространенным. Принцип его приведения в движение аналогичен принципу работы анемометра: использует крутящий момент для вращения электрического генератора или механического устройства, такого как насос.
Двигатель согласно примеру, показанному на фиг.1b, более известный под названием ветряного двигателя Даррье, содержит две (или три) лопасти 1, 2, закрепленные своими концами 1а, 2а и 1b, 2b соответственно в единой нижней точке и единой верхней точке вертикальной мачты или башни 4. Образованный таким образом ротор является параболическим, однако он может быть также цилиндрическим или иметь форму усеченного конуса.
В данном случае высота Н мачты тоже влияет на мощность, так как наиболее быстрые воздушные потоки находятся на значительной высоте, и верхние концы 1b, 2b лопастей 1, 2 не могут находиться выше, чем вершина мачты 4. При постоянной высоте Н длина лопастей 1, 2 и их изгиб тоже оказывают влияние на мощность, так как лопасти ограничивают площадь S цилиндра или охватываемого воздушного контура, и мощность прямо пропорциональна площади S.
Преимуществом этого типа ветряного двигателя по сравнению с ветряными двигателями с горизонтальной осью является более легкое обслуживание, так как все приводы находятся на земле или вблизи от земли в приводном устройстве 12, которое среди прочих компонентов содержит генератор энергии. Кроме того, при одинаковой мощности снижается уровень шума. Кроме того, такой тип ветряного двигателя является всенаправленным и поэтому не требует наличия электронного контроля за направлением.
Вместе с тем, такие ветряные двигатели с вертикальной осью имеют ряд существенных недостатков, которые и объясняют тот факт, что эти ветряные двигатели распространены меньше, чем ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения. В частности, такой тип ветряного двигателя не может запуститься самостоятельно, поскольку его собственная работа зависит от вращения лопастей 1, 2. Поэтому возникает необходимость в системе запуска, что усложняет установку, работу и обслуживание этого типа ветряного двигателя.
Кроме того, такой тип ветряного двигателя требует использования подпорок или растяжек 6, 7, отходящих от вершины мачты для крепления всего сооружения на земле. Следовательно, в случае ветряных двигателей большой мощности площадь на земле, занимаемая системой растяжек, становится очень большой. Действительно, растяжки 6, 7 значительно ограничивают экваториальный диаметр, то есть перекрываемую площадь и, следовательно, мощность. Однако при постоянной высоте Н мачты для обеспечения охватываемой площади, по существу эквивалентной площади, перекрываемой ветряным двигателем с горизонтальной осью, необходимо увеличить длину и кривизну лопастей 1, 2 для увеличения экваториального диаметра от значения D до значения D'. Но для этого необходимо удалить растяжки так, как это показано для растяжек 6', 7', в результате чего занимаемая ими площадь на земле становится огромной.
Следует также иметь в виду, что вследствие нахождения ротора такого ветряного двигателя вблизи земли, где, естественно, скорость ветра ниже, чем на высоте, и чаще возникают возмущения и колебания, улавливание энергии осуществляется в неблагоприятной зоне. Это значительно снижает эффективность устройства.
Наконец, как уже было указано выше, охватываемая площадь и, следовательно, мощность остаются ограниченными, так как, кроме всего прочего, эта площадь зависит от высоты лопастей. Однако эта высота лопастей ограничена высотой мачты, а высота мачты ограничивается регламентными требованиями.
Поэтому возникает потребность в надежном и простом решении, разом, задачей настоящего изобретения является создание ветряного двигателя с вертикальной осью вращения, который является производным от двигателя типа «Даррье», имеет более высокую производительность, в частности, за счет увеличения высоты лопастей без увеличения высоты мачты, с уменьшенной площадью крепления на земле, не требует наличия электронной системы запуска и отличается простотой в обслуживании.
Ветряной двигатель с вертикальной осью вращения в соответствии с настоящим изобретением содержит лопасти, которые соединены с мачтой только в одной нижней точке. Таким образом, при одинаковой высоте мачты лопасти могут быть подняты выше, чем у ветряного двигателя из предшествующего уровня техники, и, следовательно, могут улавливать еще более быстрые воздушные потоки, при этом площадь охвата становится больше, в результате чего повышается производительность. Кроме того, каждый верхний конец лопастей соединен с этой же единой нижней точкой мачты через жесткий рычаг. Эти рычаги опираются на мачту, воспринимая, таким образом, усилие, которым действуют быстрые воздушные потоки на верхнюю часть лопастей, и передавая их вниз на уровне вращающегося опорного подшипника. Это позволяет снизить эффект сдвига, отказаться от использования подпорок или растяжек и от использования механизма запуска, так как ветряной двигатель запускается сам.
Таким образом, объектом настоящего изобретения является ветряной двигатель с вертикальной осью вращения, содержащий, по меньшей мере, две лопасти, соединенные своими соответствующими нижними концами с вращающимся опорным подшипником.
Ветряной двигатель отличается тем, что каждая из лопастей соединена также своим верхним концом с вращающимся опорным подшипником мачты при помощи жесткого рычага, опирающегося на эту мачту и соединенного с этим вращающимся опорным подшипником.
В первом варианте выполнения соединения между жестким рычагом и вращающимся опорным подшипником осуществляют через верхнюю часть этого вращающегося опорного подшипника.
Во втором варианте выполнения соединения между жестким рычагом и вращающимся опорным подшипником осуществляют через нижнюю часть этого вращающегося опорного подшипника.
В другом варианте выполнения и, возможно, в комбинации с любым из предыдущих вариантов длина лопастей превышает длину рычагов.
Еще в одном варианте выполнения и, возможно, в комбинации с любым из предыдущих вариантов расстояние между вращающимся опорным подшипником и вершиной мачты меньше расстояния между вершиной мачты и проекцией верхних концов лопастей на вертикальную ось мачты.
Предпочтительно, чтобы указанное расстояние было меньше одной трети расстояния между вершиной мачты и проекцией верхних концов лопастей на вертикальную ось мачты.
В другом варианте выполнения и, возможно, в комбинации с любым из предыдущих вариантов расстояние между вращающимся опорным подшипником и проекцией верхних концов лопастей на вертикальную ось мачты более чем вдвое превышает высоту мачты.
В случае необходимости экваториальный диаметр превышает высоту мачты. Предпочтительно, чтобы этот экваториальный диаметр более чем втрое превышает высоту мачты.
В другом варианте выполнения и, возможно, в комбинации с любым из предыдущих вариантов ветряной двигатель в соответствии с настоящим изобретением содержит первый и второй электромагнитные элементы, расположенные соответственно сверху и снизу вращающегося опорного подшипника, и средство электрического питания, регулируемое по полярности и по силе тока и предназначенное для электрического питания этих электромагнитных элементов.
Таким образом, ветряной двигатель с вертикальной осью вращения в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно позволяет получить высокую производительность, в частности, за счет охватываемой площади и всенаправленности. Он обеспечивает также более высокую надежность и безопасность, в частности, за счет двойной точки крепления лопастей и благодаря обслуживанию машин, которое можно производить на земле. Кроме того, ветряной двигатель в соответствии с настоящим изобретением является более бесшумным и снижает, таким образом, вредное акустическое воздействие.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительных вариантов выполнения устройства, представленных в качестве неограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:
Фиг.1а, 1b изображают схематичный вид двух ветряных двигателей из предшествующего уровня техники.
Фиг.2а, 2b - схематичный вид примера выполнения ветряного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, соответственно в трехмерном изображении и в двухмерной проекции.
Фиг.3 изображает схематичный вид части приводного устройства ветряного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.1а и 1b схематично показаны соответственно известный ветряной двигатель с горизонтальной осью вращения и известный ветряной двигатель с вертикальной осью вращения, которые уже были описаны выше.
На фиг.2а и 2b схематично показан пример выполнения ветряного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2а показано трехмерное изображение ветряного двигателя. Он содержит вертикальную мачту 4 высотой Н и вращающийся опорный подшипник 5. С этим вращающимся опорным подшипником 5 соединены три лопасти 1, 2, 3 своими соответствующими нижними концами 1а, 2а, 3а.
Кроме того, вращающийся опорный подшипник 5 поддерживает три жестких рычага 8, 9, 10, предпочтительно выполненных из металла, которые соединены соответственно с тремя верхними концами 1b, 2b, 3b трех лопастей 1, 2, 3.
Рычаги 8, 9, 10 опираются на мачту 4, обеспечивая, таким образом, восприятие усилия от быстрых воздушных потоков вверху лопастей и его передачу вниз. Таким образом, ветряной двигатель может запускаться самостоятельно.
Таким образом, в этом примере выполнения ветряной двигатель содержит три лопасти, но он может также содержать только две лопасти или более трех лопастей. Разумеется, в случае, когда ветряной двигатель содержит две лопасти, они находятся в одной плоскости, которая содержит также вертикальную ось вращения.
На фиг.2b ветряной двигатель, показанный на фиг.2а, показан в двухмерной проекции. Поэтому третья лопасть 3 не видна, что упрощает чертеж и облегчает его понимание.
На фиг.2b показаны те же элементы, что и на фиг.2а, за исключением лопасти 3 и связанного с ней рычага 10.
В этом варианте выполнения (фиг.2а и 2b) соединения каждого рычага 8, 9, 10 с вращающимся опорным подшипником 5 осуществляют сверху этого опорного подшипника. В альтернативном варианте это соединение можно осуществлять снизу.
На фиг.2b показано также приводное устройство 12, часть которого более подробно будет описана ниже со ссылками на фиг.3.
Ветряной двигатель, показанный на фиг.2b, и, в частности, его ротор имеет соответствующие экваториальный диаметр D и поверхность S охвата.
Действительно, по сравнению с фиг.1а и 1b можно отметить, что при постоянной высоте Н мачты поверхность S охвата оказывается гораздо большей. В примере выполнения при одинаковой высоте Н мачты соотношение между площадью, охватываемой ветряным двигателем в соответствии с настоящим изобретением, площадью, охватываемой одним из известных ветряных двигателей (фиг.1а и 1b), по меньшей мере, равно семи.
На чертеже видно, что ширина лопастей 1, 2 намного больше длины рычагов 8, 9. Получаемый таким образом изгиб лопастей позволяет достичь большого значения экваториального диаметра без увеличения высоты Н мачты.
Предпочтительно экваториальный диаметр D превышает высоту мачты 4.
В варианте выполнения экваториальный диаметр D более чем втрое превышает высоту мачты 4.
Предпочтительно для того, чтобы получить большую высоту ротора с целью улавливания более быстрых воздушных потоков, вращающийся опорный подшипник 5 располагают вблизи вершины мачты 4. Таким образом, нижние концы 1а, 2а лопастей 1, 2 тоже находятся вблизи вершины мачты 4, и верхние концы 1b, 2b этих лопастей 1, 2 могут находиться на большой высоте.
В варианте выполнения расстояние между вращающимся опорным подшипником 5 и вершиной мачты 4 меньше расстояния между вершиной мачты 4 и проекцией верхних концов 1b, 2b лопастей 1, 2 на вертикальную ось мачты 4 (или ось вращения).
В другом варианте выполнения, возможно, в комбинации с любым или несколькими предыдущими вариантами расстояние между вращающимся опорным подшипником 5 и проекцией верхних концов 1b, 2b лопастей 1, 2 на вертикальную ось или ось вращения мачты 4 более чем в два раза превышает высоту мачты 4.
Таким образом, в примере выполнения при постоянной высоте Н мачты ротор достигает высоты, по меньшей мере, в три раза превышающей высоту, достигаемую ротором любого из ветряных двигателей из предшествующего уровня техники (фиг.1а и 1b).
На фиг.3 схематично показана часть приводного устройства 12 ветряного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.
Вращающийся опорный подшипник 5, который вращается вокруг мачты 4, с которой он соединен через шарикоподшипники 15, классическим способом соединен с повышающим редуктором 16 через первичный вал 19. Этот повышающий редуктор 16 соединен с генератором постоянного или переменного тока 17 через вторичный вал 20. Между повышающим редуктором 16 и генератором 17 установлен тормоз 18.
Это описание с разделением различных элементов приводного устройства 12 является чисто функциональным и приведено в качестве примера. Например, повышающий редуктор 16 может быть встроен в генератор постоянного или переменного тока 17, как в случае некоторых известных приводных устройств.
Согласно изобретению вокруг мачты 4, соответственно сверху и снизу вращающегося опорного подшипника 5 установлены два электромагнитных элемента 13, 14. Речь может идти, например, об электромагнитных катушках, выполняющих функцию регулятора скорости вращения медленного вала, а также функцию дополнительного тормоза для повышения безопасности.
Эти электромагнитные элементы 13, 14 получают питание от средства 11 электрического питания, регулируемого по полярности и по силе тока. Таким образом, соответствующее регулирование и/или управление позволяет постепенно притягивать один или другой из электромагнитных элементов 13, 14 к вращающемуся опорному подшипнику 5.
Элементы 13, 14, оборудованные, например, тормозным диском, обеспечивают электромагнитное торможение, дополняющее описанное выше классическое торможение на вторичном валу 20. Эти элементы являются, таким образом, дополнительным механизмом обеспечения безопасности.
Приведенное выше описание является неограничительным примером выполнения настоящего изобретения.