ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
WIND MOTOR

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройству ветроколес ветроэнергетических установок для преобразования энергии ветра в электроэнергию или механическую энергию, например, при работе мельниц или насосных установок для перекачки воды и другого текучего.
Известно карусельное колесо [1], содержащее центральный вал с жестко закрепленными на нем махами, несущими поворотные относительно них лопасти, взаимодействующие с подпружиненными упорами, выполненными в виде замочного засова и работающими при взаимодействии с примыкающими к ним кромками лопастей по принципу «английского» замка.
Известное устройство характеризуется простотой конструкции и может быть весьма эффективно при условиях стабильности скорости ветра, плавности ее изменения от минимума до максимума и наоборот, а также постоянства усилия воздействия лопасти на подпружиненный засов упора при отсутствии динамических ударов.
Но в реальности указанные условия эксплуатации ветроэнергетических установок практически отсутствуют, что предопределяет преждевременное срабатывание упора при несвоевременном порыве ветра и соответствующем динамическом ударе, или его несрабатывание при весьма высокой, но стабильной скорости ветра. Очевидно, в том и в другом случае обеспечение стабильности работы установки недостижимо.
Известен ветродвигатель [2], включающий в себя центральный вал с жестко закрепленными на его концах махами, выполненными в виде пары параллельных ободов, несущих поворотные относительно них лопасти, связанные с рычагами управления и между собой посредством системы цепных передач.
Одна из звездочек цепных передач выполнена двухрядной, с возможностью свободного вращения установлена на центральном валу, жестко закреплена на рычаге управления и связана бесконечной цепью по меньшей мере с одной двухрядной звездочкой, жестко закрепленной на оси одной из лопастей, а остальные звездочки выполнены однорядными, также жестко закреплены на осях других лопастей и связаны с двухрядной звездочкой и между собой дополнительной бесконечной цепью, а лопасти выполнены в виде жестких рамок, обтянутых парусным полотном.
Наличие упругожесткой связи лопастей с рычагами управления посредством системы цепных передач обеспечивает в известном техническом решении заданное устойчивое положение лопастей относительно направления ветра при любом их положении относительно центрального вала и сглаживает динамические нагрузки в элементах связи лопастей с рычагами управления благодаря упругости цепей и эластичности парусного полотна, однако в силу двухступенчатости системы цепной передачи в совокупности со спаренным рычагом управления и фиксацией его половин дополнительным фиксатором усложняет управление ветродвигателем и лишает его надежности в работе, т.к. общая длина пары дополнительных бесконечных цепей для связи всех звездочек на осях лопастей между собой существенно превышает длину бесконечной цепи для их связи напрямую со звездочкой, установленной на центральном валу и связанной с рычагом управления.
Кроме того, связь двух диаметрально противоположных звездочек лопастей с двухрядной звездочкой центрального вала посредством бесконечных цепей с передаточным числом два исключает возможность фронтального расположения всех лопастей относительно вектора скорости ветра независимо от их положения на траектории движения, т.к. передаточное число цепной связи двухрядной звездочки центрального вала с соответствующими звездочками лопастей больше единицы, что предопределяет отклонение плоскости лопасти от фронтального положения в ту или иную сторону по мере ее перемещения по траектории движения и колебание величины крутящего момента на центральном валу ветродвигателя.
Заявленный ветродвигатель для преобразования энергии ветра в электрическую или механическую энергию содержит центральный вал с жестко закрепленными на его концах махами, несущими поворотные относительно них лопасти, связанные с центральным валом посредством системы цепных передач.
Одна из звездочек системы цепных передач выполнена многорядной с количеством зубчатых венцов, равным количеству лопастей ветроколеса, и установлена в опоре с возможностью ограниченного поворота в пределах 180° от дополнительного привода, в центральном отверстии многорядной звездочки установлен центральный вал одним из своих концов с возможностью свободного вращения, а остальные звездочки выполнены однорядными, жестко закреплены по одной на соответствующих концах оси лопастей и связаны бесконечной цепью со своим венцом зубьев многорядной звездочки с передаточным числом, равным единице.
Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с прототипом заключаются в следующем:
- выполнение одной из звездочек системы цепных передач многорядной с количеством венцов зубьев, равным числу лопастей ветроколеса, в совокупности с жестким креплением на валу каждой лопасти своей однорядной звездочки обеспечивает возможность прямой связи каждой из них с многорядной звездочкой посредством идентичных бесконечных цепей, в том числе с передаточным числом, равным единице;
- прямая связь однорядных звездочек лопастей с общей для них многорядной звездочкой, установленной на опоре с возможностью ее ограниченного поворота на 180° в обе стороны от дополнительного привода, обеспечивает возможность бесступенчатого регулирования положения лопастей относительно вектора скорости ветра от перпендикулярного (парусного) до параллельного (флюгерного) при резких и глубоких ее колебаниях, в том числе при смене направления ветра на обратное без дополнительной ориентации ветродвигателя в пространстве.
Совокупность указанных технических преимуществ заявленного объекта по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат, заключающийся в существенном повышении удельной мощности ветродвигателя (отношение фактической мощности к себестоимости единицы), упрощении конструкции и системы управления ветродвигателя.
На приведенных чертежах иллюстрируется ветродвигатель для преобразования энергии ветра в электрическую или механическую энергию, где на фиг.1 показан его общий вид во фронтальной проекции с местным разрезом по А-А на фиг.2; на фиг.2 - вид Б сбоку на фиг.1 при положении лопастей перпендикулярно вверх относительно их валов и фронтально относительно направления ветра; на фиг.3 - разрез по В-В на фиг.2 по подшипниковым узлам центрального вала ветродвигателя и валов его лопастей; на фиг.4 - положение лопастей относительно осей их валов при смене направления ветра на противоположное; на фиг.5 - промежуточное положение лопастей ветродвигателя при возрастании скорости ветра выше номинальной; на фиг.6 - то же при смене направления ветра на противоположное; на фиг.7 - положение лопастей ветродвигателя при ураганном ветре; на фиг.8 - то же, при смене направления ветра на противоположное.
Прямыми стрелками на чертежах показано направление ветра, дуговыми - направление вращения ротора ветродвигателя и римскими знаками - положение рычага дополнительного привода поворота многорядной звездочки.
Ветродвигатель для преобразования энергии ветра в электрическую или механическую энергию содержит центральный вал 1 с жестко закрепленными на его концах 2 и 3 махами 4, несущими поворотные относительно них лопасти 5, на одноименных концах валов которых жестко закреплены однорядные звездочки 6, 7, 8 и 9. На конце 2 центрального вала 1 на подшипниках 10 установлена центральная звездочка 11 с числом венцов зубьев, равным числу лопастей 5, при этом ряды зубьев 12, 13, 14 и 15 связаны со своими звездочками 6, 7, 8 и 9 бесконечными цепями 16, 17, 18 и 19, образуя цепные передачи «6-12-16», «7-13-17», «8-14-18» и «9-15-19» с передаточным числом, равным единице, а центральная многорядная звездочка 11 наружной цилиндрической поверхностью установлена в подшипнике скольжения 20 опоры 21 с возможностью ее ограниченного поворота в пределах 180° в обе стороны от исходного положения (фиг.2) от дополнительного привода 22, конструктивное исполнение которого может быть каким угодно (от ручного рычага до следящего гидропривода с электронным управлением), в силу чего в чертежах не раскрыто.
Другой конец 3 центрального вала 1 также на подшипниках закреплен на другой опоре 23 и несет на себе жестко закрепленную звездочку 24, связанную с соответствующей звездочкой преобразователя энергии, при этом связь центрального вала 1 с валом преобразователя энергии может быть выполнена в виде клиноременной или любой другой передачи.
При появлении ветра ветродвигатель, находясь в исходном положении (фиг.2), лопастями 5 воспринимает его давление и начинает вращаться, т.к. суммарная площадь лопастей 5, воспринимающая давление ветра, а также расстояние от оси вращения до приведенного центра давления ветра (плечо) на парусной стороне существенно больше указанных величин на флюгерной стороне ветродвигателя, при этом жесткая фиксация многорядной звездочки 11 на опоре 21 элементами дополнительного привода 22, а также свободное вращение лопастей 5 в подшипниковых узлах махов 4 при передаточном числе цепной связи между ними, равном единице, обеспечивает стабильную перпендикулярность плоскости лопастей 5 к направлению ветра независимо от их положения относительно оси вращения ветродвигателя.
В местностях с непредсказуемым колебанием направления ветра опоры 21 и 23 ветродвигателя могут быть установлены на традиционном поворотном круге, например, от автокрана или экскаватора, что обеспечит перпендикулярность плоскости лопастей 5 к направлению ветра с применением простейшего привода поворота, однако имеются обширные области применения ветродвигателей, где господствуют ветры только двух взаимно противоположных направлений, при которых необходимость в поворотном круге отпадает, например, в долинах рек или прибрежных зонах северных морей.
В таких случаях опоры центрального вала жестко устанавливают на бетонном фундаменте с учетом господствующего направления ветра в данной местности, причем при установке нескольких ветродвигателей последние устанавливают в одну линию, а их центральные валы 1 связывают между собой, например, зубчатыми муфтами.
При смене направления ветра на противоположное рычаг дополнительного привода 22 поворачивают на 180° в любую из сторон относительно положения на фиг.2, в результате чего лопасти 5, поворачиваясь в подшипниках махов 4, опускаются вниз относительно своей оси поворота (фиг.4), а парусная сторона ветродвигателя перемещается вниз относительно центрального вала 1, сохраняя первоначальное направление вращения ветроколеса при смене направления ветра на противоположное.
При возрастании скорости ветра выше номинальной для данной мощности ветродвигателя рычаг дополнительного привода 22 поворачивают в ту или другую сторону на угол α, обеспечивающий наклон плоскости лопасти 5 на тот же угол относительно направления ветра (фиг.5 и 6), бесступенчато уменьшая величину крутящего момента на центральном валу 1 до соответствующего номинальной мощности преобразователя энергии ветра, а при ураганных скоростях ветра доводят величину угла α до 90°, при котором лопасти 5 занимают горизонтальное положение (фиг.7 и 8), и ветродвигатель останавливается на время урагана.
Остановку ветродвигателя по другим причинам, например на профилактику, осуществляют аналогично с последующим включением тормоза, а его запуск в работу производят в обратной последовательности.
Источники информации
1. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1017814 от 05.01.82 г., МПК F03D 3/00.
2. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1173059 от 29.07.83 г., МПК F03D 3/02 (прототип).