ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С КОЛЕБЛЮЩИМИСЯ ЛОПАСТЯМИ
VERTICAL WIND TURBINE WITH OSCILLATING BLADES

Область техники, к которой относится изобретение, относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям с вертикальной осью вращения.
Уровень техники.
Известен ряд прототипов, общим отличительным признаком которых является вертикальное расположение вала ротора ветродвигателя с радиальными траверсами, на которых различными способами устанавливаются профилированные лопасти, как с возможностью регулирования использования силы ветра в виде их поворота, так и без такого регулирования. Примерами являются следующие патенты: SU 1645602, F03D 7/06, 30.04.1991; RU 2042044, F03D 3/00, 20.08.1995; RU 2158848, 16.12.1998.
Основным недостатком предложенных конструкций являются их сложность и, как следствие, низкие надежность, прочность, ремонтопригодность, высокая стоимость и прочие, отмеченные их критиками, несовершенства таких конструкций. Необходимость использования дополнительных механизмов регулирования и синхронизации, пуска и остановки в их работе, также усиливает эти недостатки.
К отмеченным недостаткам используемых ветряков относятся так же низкая надежность в случае резкого изменения силы ветра и невозможность изменять крутящий момент при его передаче на вал генератора.
Главным существенным признаком данного изобретения являются использование плоских подвижных лопастей, совершающих колебательные движения в виде схождения и расхождения в зависимости от их ориентации относительно воздушного потока. Попутное движение воздушного потока вызывает расхождение лопастей, а встречное - их схождение. Лопасти крепятся на осях, прикрепленных к серединам траверс крестовины ротора ветряка. Для ускорения движение лопастей в обоих направлениях используются пружины, находящиеся по обе стороны лопастей на полукруглых направляющих. Пружины не закреплены на направляющих и поэтому свободно по ним перемещаются для улучшения динамики колебаний лопастей. При активном взаимодействии с лопастями, пружины или накапливают энергию сжатия, или передают ее на в направлении движения лопастей. Такое кратковременное накопление энергии благодаря упругому деформированию пружин с момента соприкосновения с лопастями при сжатии позволяет быстро возвращать накопленную энергию сжатия для ускоренного расхождения этих лопастей. Это позволяет лопастям быстрее раскрыться в плоскость для эффективного использования энергии ветрового потока при движении лопастей по его ходу (повышая парусность), и значительно не противодействовать их схождению при движении против ветрового потока для уменьшения парусности, в то же время накапливая определенную порцию энергии для последующего расхождения. Длина пружины на полукруглой направляющей по обе стороны лопастей подбирается экспериментально для обеспечения эффективного воздействия на схождение и расхождение этих лопастей. Устройство не зависит от направления ветрового потока. Оно не требует ориентирования с помощью флюгера перпендикулярно к направлению вера в отличие от ветряков пропеллерного типа. Такое качество является дополнительным преимуществом использования данного изобретения при резких изменениях направления силы ветра.
Технический результат, заключающийся в повышении коэффициента использования энергии ветра, упрощении конструкции и улучшении надежности ветродвигателя (ветряка) обеспечивается за счет того, что ветряк, содержащий вал с навешенными на него траверсами подвески, согласно изобретению, состоит из ротора в виде совокупности не управляемых дополнительными механизмами пар плоских рабочих лопастей. Пара этих лопастей соединяется шарнирами на вертикальных осях с возможностью их свободного полукругового вращения. Лопасти могут попарно сходиться и расходиться в противоположные позиции, образуя плоскую поверхность. Такая плоская поверхность создает увеличенную парусность при использовании силы ветра в случае движения лопастей по его направлению. В то же время при схождении лопасти уменьшает противодействие своему движению против ветрового потока при вращении ротора. Оси прикреплены к серединам траверс ротора. С целью укрепления всей конструкции ветряка каждая траверса сконструирована в виде прямоугольной рамки, которая, в свою очередь, используется как основание и опора полностью развернутых лопастей. Места касания лопастей и рамки траверсы могут дополнительно оборудоваться демпфирующими элементами для амортизации сильных ударов лопастей о рамку. Крепление рамки траверсы к оси ротор происходит автономно в зависимости от используемого числа траверс. Например, три траверсы образуют трехлучевую звезду, четыре - крестовину. Рекомендуемое число траверс в роторе - четыре. Преимущества использования трехлучевых роторов нуждаются в экспериментальной проверке. Предположительно, они уменьшают стоимость конструкции ветряка, но одновременно уменьшают и его мощность. Большее число траверс в роторе не целесообразно по причине ограничений, связанных с полукруговым движением лопастей. Пространство полукруга движения лопастей не должно пересекаться с другими элементами ротора. В данном варианте изобретения основным видом использования конфигурации траверс принята крестовина.
Разница сил, которые действуют на сдвинутые и раскрытые лопасти, образуют результирующий крутящий момент, который определяет общую эффективность использования энергии ветра для генерации электроэнергии или другого механического использовании вращении ветряка.
Направление ветра не влияет на работу такого ветряка, так как охлопывание и раскрытие рабочих лопастей безразлично относительно такого направления.
На фиг. 1 чертежа показан общий, вид ветряка с лопастями на крестовине ротора в раскрытом и сведенном положении в зависимости от направления ветрового потока. Для сравнения на концах диаметра ротора стрелками указаны векторы крутящего момента для соответствующих половин воздействия ветрового потока.
Ветряк содержит вал 4, траверсы 5, пары лопастей 1, полукруглые направляющие с пружинами по обе стороны лопастей 2. Направление вращения ротора 3 и направление ветрового потока 6 обозначены соответствующими стрелками.
Для опоры на земле и крепления с другими устройствами данный ветряк имеет соответствующие конструктивные элементы.
Ветряк работает следующим образом. Ветер, воздействуя на лопасти 1, полностью их раскрывает в случае совпадения с направлением их движения. В случае несовпадения - лопасти сходятся. Все это приводит ротор ветряка во вращение, которое передается через траверсы 5 на вал 4, связанный с генератором или другими устройствами преобразования механической энергии.
На валу ротора может устанавливаться маховик, совмещающий в себе функции передаточного механизма. Общепринятые методы повышения или уменьшения массы маховика ротора ветряка способствуют процессам аккумулирования энергии наряду с регулированием противодействия перегрузкам и резким изменениям силы ветра.
Целесообразное использование дополнительных диффузионных устройств, концентрирующих и направляющих воздушные потоки, соответственно повышает использование силы ветра для данного изобретения.
Целью изобретения является возможность использования максимально полной доли ветровой энергии при использовании данного устройства и его индифферентность к направлению ветра, то есть отсутствие устройств ориентирования типа флюгера. Отсутствие в данном устройстве профилированных лопастей со сложным аэродинамическим профилем является дополнительным преимуществом в точки зрения улучшения простоты устройства.
Раскрытие изобретения.
Сущность изобретения как технического решения, выражается в совокупности нижеследующих существенных признаков, достаточных для достижения, обеспечиваемого изобретением, технического результата:
- вертикальное расположение оси ротора ветряка с целью индифферентности относительно направления ветрового потока;
- использование плоских колеблющихся лопастей с целью создания асимметрии векторов крутящего момента на концах диаметра ротора ветряка с учетом вышеуказанного фактора;
- использование полукруглых направляющих с пружинами, которые не закреплены на направляющих и поэтому свободно по ним перемещаются, с экспериментально подобранными размерами для сжатия, разжимания и свободного положения на направляющей с целью улучшения динамики колебания лопастей.
Кроме того, изобретение направлено на повышение экономичности создания и использования такого устройства с позиций простоты его создания, установки, эксплуатации, ремонта, модернизации, реструктуризации, совместимости с другими аналогичными устройствами, мобильности, экологии, утилизации прочих системно значимых факторов. От прототипов изобретение отличается новизной и ранее не очевидным использованием рабочих элементов ротора в виде колеблющихся лопастей, аналогов которым ранее не было.
В данном случае, технический результат выражаться в ряде эффектов, которые можно перечислить следующим образом: повышение коэффициента полезного действия, снижение себестоимости изготовления устройства, простота изготовления и эксплуатации, не обязательное использование флюгера, снижение вибрации при работе, улучшение мобильности устройства, простота конструкции кожуха для защиты от осадков и других внешних воздействий (который одновременно может совмещать функции диффузора), повышение прочности, ремонтопригодности, живучести и других требований промышленной применимости.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, для обеспечения технического результата, определяется впервые, и формулируется как «использование асимметрии рабочих поверхностей в условиях произвольно направленного ветрового потока путем встречных колебательных движений пары лопастей ротора».
Краткое описание чертежа.
На чертеже (фиг. 1) представлен вид сверху ротора устройства с пояснением принципа взаимодействия с ветровым потоком для различных положений лопастей ротора.
Осуществление изобретения состоит в том, что на основе представленного в заявке изобретения, ветряк становится новым унифицированным конструктивным элементом. На его основе упрощаются проблемы массового производства ветряков в широком диапазоне технических характеристик (от бытовых до промышленных). Возрастает экономичность всех этапов производства и эксплуатации, так как становится возможным использовать различные размеры устройства и материалы для его изготовления. Упрощается ремонт устройства по причине отсутствия конструктивно сложных элементов. Возможны быстрая замена одного устройства на другое, создание резерва для расширения зоны применения и т.п.