ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ СО ВЗАИМНО-ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫМИ ВАЛАМИ

Ветродвигатель со взаимно перпендикулярными валами относится к ветротехнике, в частности, к установкам с вертикальным валом для преобразования кинетической энергии ветра в механическую.
Известен ветродвигатель, включающий вертикальный вал и два горизонтальных вала, установленные на одной линии, перпендикулярной вертикальному валу с противоположных его сторон, две лопасти, свободно качающиеся на горизонтальных валах, и два упорных элемента, жестко прикрепленных к вертикальному валу с противоположных сторон лопастей вблизи их нижнего края (см. заявку Польской Народной Республики №265323, кл. F03D).
Недостатком этого ветродвигателя является его низкая эффективность использования энергии ветра вследствие того, что на лопасти, находящейся в нерабочем состоянии, образуется тормозящий вращающий момент, направленный в противоположную сторону по отношению к вращающему моменту, образуемого на лопасти, находящейся в рабочем состоянии.
Известен также ветродвигатель, включающий вертикальный вал и перпендикулярный ему горизонтальный вал, установленный на вертикальном валу с помощью втулки с пазом, в котором находится штифт, соединенный с вертикальным валом, две лопасти, укрепленные на горизонтальном валу под углом 90° друг к другу, причем, горизонтальный вал смещен относительно оси симметрии лопастей на величину, равную 1/6 длины лопасти (см. заявку Польской Народной Республики №268664, кл. F03D).
0
Недостатком известного ветродвигателя является невысокая эффективность использования энергии ветра вследствие того, что для поворота лопастей относительно продольной оси горизонтального вала требуется значительное усилие. Это усилие может быть обеспечено ветром, имеющим скорость V, при выполнении условия:
где m - масса каждой лопасти, кг;
2
g - ускорение свободного падения, g=9,8 м/с;
φ - угол, образуемый боковой стороной поднимающейся лопасти с вертикальным валом;
x
c - коэффициент лобового сопротивления;
b - ширина лопасти (длина верхней или нижней части стороны лопасти);
3
ρ - плотность воздуха, ρ=1.23 кг/м.
Формула (1) получена следующим образом.
В результате влияния силы тяжести и действия ветра на лопасти ветродвигателя образуются следующие вращающие моменты относительно продольной оси горизонтального вала:
- вращающий момент, обусловленный действием силы тяжести на нижнюю часть поднимающейся лопасти, где α - длина части боковой стороны лопасти, расположенной ниже горизонтального вала (, где l - длина боковой стороны лопасти); G - сила тяжести, действующая на часть лопасти, расположенную ниже горизонтального вала ;
- вращающий момент, обусловленный действием силы тяжести на нижнюю часть опускающейся лопасти;
0
0
- вращающий момент, обусловленный давлением ветра на нижнюю часть поднимающейся лопасти, где Р - давление ветра на нижнюю часть лопасти при ее расположении, перпендикулярном направлению ветра; , где V - скорость ветра, м/с;
- вращающий момент, обусловленный давлением ветра на нижнюю часть опускающейся лопасти;
1
1
- вращающий момент, обусловленный действием силы тяжести на верхнюю часть поднимающейся лопасти, где α - длина части боковой стороны лопасти, расположенной выше горизонтального вала ; G - сила тяжести, действующая на часть лопасти, расположенной выше горизонтального вала; ;
- вращающий момент, обусловленный действием силы тяжести на верхнюю часть опускающейся лопасти;
1
- вращающий момент, обусловленный давлением ветра на верхнюю часть поднимающейся лопасти; где P - давление ветра на верхнюю часть лопасти при ее расположении, перпендикулярном направлению ветра, ;
- вращающий момент, обусловленный давлением ветра на верхнюю часть опускающейся лопасти.
Исходя из условия равенства нулю суммы вращающих моментов, можно записать:
или
В результате преобразований получим:
или
Откуда
Из последнего выражения (соответствующего формуле (1)) видно, что для сохранения равновесия воздушный поток должен иметь скорость . В то же время для переориентации лопастей в пространстве (что необходимо при каждом полуобороте вертикального вала) должно выполняться условие .
Очевидно, что чем меньше правая часть неравенства, тем меньше скорость ветра, при которой ветродвигатель придет в движение. Из формулы (1) также видно, что только в одной точке, где φ=45°, правая часть неравенства равна нулю. Это означает, что для начала движения лопастей при φ=45° усилия ветра не потребуется (без учета инерционных свойств конструкции и сил трения). При 0≤φ≤45° лопасти поворачиваются самостоятельно, под действием вращающего момента, обусловленного силой тяжести. Для поворота лопасти при 0≤φ≤90° скорость воздушного потока должна быть тем больше, чем больше угол φ.
Таким образом, при слабом ветре поднимающаяся лопасть не достигает положения, при котором угол между ее боковой стороной и вертикальным валом равен 90°. Аналогично опускающаяся лопасть не достигнет положения, при котором угол между ее боковой стороной и вертикальным валом равен нулю. При этом штифт не достигает края паза втулки, и проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, будут отличаться друг от друга незначительно.
Из этого следует, что на каждом полуобороте вертикального вала в результате действия ветра на лопасть, находящуюся в нерабочем состоянии (на поднимающуюся лопасть), в известном ветродвигателе будет образовываться тормозящий вращающий момент. В то же время, лопасть, находящаяся в рабочем состоянии (опускающаяся лопасть), не сможет работать эффективно, поскольку она не займет положения, при котором ее проекция на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, максимальна.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности использования энергии ветра.
Такой технический результат достигается тем, что известный ветродвигатель, включающий вертикальный вал и перпендикулярный ему горизонтальный вал, установленный на вертикальном валу с помощью втулки с пазом, в котором находится штифт, две лопасти, укрепленные на горизонтальном валу под углом 90° друг к другу, оснащен двумя противовесами, выполненными в виде штоков с укрепленными на их концах грузами, причем каждый шток установлен на горизонтальном валу с противоположной стороны от соответствующей лопасти в одной с нею плоскости, штифт укреплен на горизонтальном валу, а на торце штифта установлена упругая пластинка с возможностью упора в вертикальный вал.
На фиг.1 представлен общий вид ветродвигателя со взаимно перпендикулярными валами, на фиг.2 - расположение упругой пластинки.
Ветродвигатель со взаимно перпендикулярными валами включает вертикальный вал 1 и перпендикулярный ему горизонтальный вал 2, установленный на вертикальном валу 1 с возможностью вращения относительно своей продольной оси. Горизонтальный вал 2 установлен с помощью втулки 3 с пазом 4, представляющим собой прорезь, параллельную вертикальному валу 1. В пазу 4 находится штифт 5, укрепленный на горизонтальном валу 2. На противоположных (относительно вертикального вала 1) сторонах горизонтального вала 2 под углом 90° друг к другу укреплены две лопасти 6 и 7. На горизонтальном валу 2, с противоположных сторон от лопастей 6 и 7 и в одних плоскостях с ними установлены противовесы 8 и 9. Противовесы 8 и 9 выполнены в виде штоков 10 и 11 с укрепленными на их концах грузами 12 и 13 соответственно.
Параметры противовесов 8 и 9 (длина штоков 10 и 11 и масса грузов 12 и 13) устанавливаются таким образом, чтобы выполнялось равенство:
2
где m - масса груза 12 или 13, кг;
2
l - длина штока 10 или 11, м;
m - масса лопасти 6 или 7, кг;
l - длина боковой стороны лопасти 6 или 7, м.
На торце штифта 5 установлена упругая пластинка 14, обращенная широкой гранью к вертикальному валу 1. Упругая пластинка 14 выполнена из прочного упругого материала, например из рессорной стали, и установлена с возможностью упора в вертикальный вал 1. Упругая пластика 14 устанавливается таким образом, чтобы ее упор в вертикальный вал 1 имел место при угле поворота горизонтального вала 2 относительно своей продольной оси, близкой к предельному (или при расположении штифта 5 вблизи края паза 4 втулки 3).
Ветродвигатель со взаимно перпендикулярными валами работает следующим образом.
1
2
Пусть в начальный момент времени ветродвигатель занимает исходное положение, при котором лопасти 6 и 7 опущены, и их боковые стороны образуют с вертикальным валом 1 углы α и α, равные 45°, а штифт 5 находится в середине паза 4 втулки 3.
1
2
1
2
1
1
Под действием ветра, направление которого на фиг.1 показано стрелками, лопасти 6 и 7 повернутся относительно продольной оси горизонтального вала 2. При этом лопасть 6 опустится, а лопасть 7 поднимется. Поскольку противовесы 8 и 9 уравновешивают лопасти 6 и 7, для их поворота относительно продольной оси горизонтального вала 2 требуется незначительное и притом одинаковое усилие при любых α и α (в диапазоне от 0 до 90°). Поэтому даже при самом слабом ветре лопасть 6 опустится до достижения положения, когда α=0, а лопасть 7 поднимется до достижения положения, когда α=90°. При достижении углом α значения, близкого к предельному (α=0…5°) упругая пластинка 14 упрется в вертикальный вал 1 и амортизирует удар штифта 5 о нижний край паза 4 втулки 3. В противном случае (при отсутствии упругой пластинки 14) работа ветродвигателя сопровождалась бы сильным стуком и оказался бы возможным обратный поворот горизонтального вала 2 относительно своей продольной оси, что снизило бы эффективность использования энергии ветра.
1
2
Дальнейший поворот лопастей 6 и 7 относительно продольной оси горизонтального вала 2 сдерживается упором штифта 5 в нижний край паза 4 втулки 3. В тот момент, когда α=0, а α=90°, лопасть 6 принимает рабочее состояние, а лопасть 7 - нерабочее.
Находясь в рабочем состоянии, лопасть 6 испытывает давление ветра, благодаря чему создается вращающий момент относительно продольной оси вертикального вала 1. Горизонтальный вал 2, а вместе с ним и вертикальный вал 1 поворачиваются относительно продольной оси вертикального вала 1 по часовой стрелке (при наблюдении сверху).
1
1
1
2
Точку траектории движения горизонтального вала 2, где его положение параллельно направлению ветра, вертикальный вал 1 проходит по инерции. Пройдя эту точку, лопасти 6 и 7 вновь переориентируются в пространстве: теперь лопасть 6 поднимается, а лопасть 7 опускается. При достижении углом α, значения, близкого к предельному (α=85…90°), упругая пластинка 14 упрется в вертикальный вал 1 и амортизирует удар штифта 5 о верхний край паза 4 втулки 3. Угол α становится равным 90°, а угол α - нулю. Дальнейший поворот лопастей 6 и 7 относительно продольной оси горизонтального вала 2 сдерживается упором штифта 5 в верхний край паза 4 втулки 3. Таким образом, лопасть 6 принимает нерабочее состояние, а лопасть 7 - рабочее.
Далее работа ветродвигателя со взаимно перпендикулярными валами повторяется в описанной последовательности.
Основным преимуществом предлагаемой полезной модели по сравнению с известным ветродвигателем является повышенная эффективность использования энергии ветра, проявляющаяся в большей мощности за счет полного поднятия лопасти, находящейся в нерабочем состоянии, и полного опускания лопасти, находящейся в рабочем состоянии, а также в сохранении работоспособности ветродвигателя при слабом ветре.
Повышенная эффективность использования энергии ветра заявляемой полезной модели очевидна из следующих рассуждений.
В результате воздействия ветра на лопасти 6 и 7, а также силы тяжести на грузы 12 и 13 противовесов 8 и 9 и лопасти 6 и 7 образуются следующие вращающие моменты относительно продольной оси горизонтального вала 2 (при рассмотрении ветродвигателя С.А. Андреева в положении, показанном на фиг.1 и с учетом ранее принятых обозначений):
- вращающий момент, обусловленный действием силы тяжести на лопасть 7;
- вращающий момент, обусловленный действием силы тяжести на лопасть 6.
2
- вращающий момент, обусловленный давлением ветра на лопасть 7, где Р - давление ветра на лопасть при ее расположении перпендикулярно направлению ветра;
- вращающий момент, обусловленный давлением ветра на лопасть 6;
13
2
2
2
М=mglcosα - вращающий момент, обусловленный действием силы тяжести на груз 12 противовеса 8;
14
2
2
2
М=mglsinα - вращающий момент, обусловленный действием силы тяжести на груз 13 противовеса 9.
Исходя из условия статического уравновешивания лопастей и противовесов, запишем:
или
Откуда
2
Для того, чтобы выражение (5) обращалось в нуль при всех значениях α (что и является условием статического уравновешивания), необходимо, чтобы выполнялось равенство:
2
Полученное равенство соответствует условию (3), по которому предлагается подобрать параметры противовесов. Из выражения (5) следует, что для пространственной переориентации лопастей заявляемой полезной модели при соблюдении условия (3) требуется минимальное усилие ветра. Это усилие будет одинаковым для всего рабочего диапазона изменения угла поворота лопастей (0≤α≤90°) и определяется исключительно силами трения и инерционными свойствами элементов.
Таким образом, основным преимуществом заявляемой полезной модели является повышенная эффективность использования энергии ветра, позволяющая ее эксплуатировать при слабом или сверхслабом ветре (при скорости ветра 1…2 м/с).