ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано при конструировании и производстве ветроэлектростанций.
Известен ветродвигатель, состоящий из вертикально установленных в опоре с возможностью поворота вокруг своих осей лопастей. Лопасти кинематически связаны с ведущей звездочкой через цепную передачу. Два прямоугольных удобообтекаемого профиля лопастей, способны, при возможном вращении вала и неподвижной ведущей звездочки, вращаться вокруг своих осей, параллельных оси вала, с угловой скоростью, в два раза меньшей угловой скорости вращения вала и направленной в сторону, противоположную вращению вала. Причем, ширина лопасти равна удвоенному расстоянию от кромки вала до оси вращения лопасти и угол, заключенный между плоскостями лопастей, равен 90 град. (патент на изобретение России №2164624, публ. 2001 г.).
Известен ветродвигатель, содержащий вращающуюся опору, на которой закреплен каркас. Каркас включает центральный трубчатый элемент. На каркасе закреплены лопасти с возможностью поворота каждой лопасти вокруг собственной оси и ведомыми шестернями на осях лопастей. Оси вращения лопастей равноудалены друг от друга и от оси ветродвигателя. Внутри трубчатого элемента соосно ему расположен управляющий вал, на котором укреплена управляющая шестерня. Между управляющей и ведомыми шестернями расположены сателлитные шестерни. На вращающейся опоре установлено средство для снятия мощности. Ветродвигатель снабжен средством управления его фазовой ориентации.
Средство управления фазовой ориентации ветродвигателя включает в себя регулирующую лопасть, жестко связанную с управляющим валом и ориентированную в вертикальной радиальной плоскости. Средство управления фазовой ориентации ветродвигателя включает в себя также средство определения ориентации ветродвигателя, последнее включает в себя два контакта, жестко связанные с регулирующей лопастью, и флюгер. (патент на полезную модель России №49136, публ. 2005 г. - прототип).
Недостатком и аналога и прототипа является утяжеленный ротор ветродвигателя за счет мощного, громоздкого привода лопастей, обеспечивающего их вращение. Необходимые для смазки цепей, звездочек, шестерен устройства дополнительно увеличивают вес ротора, что приводит к увеличению его дисбаланса и выходу ветродвигателя из строя.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и долговечности ветродвигателя путем уменьшения веса приводного механизма лопастей при снижении его нагрузки.
Задача решается за счет того, что ветродвигатель, содержащий каркас ротора, включающий центральный трубчатый элемент; на каркасе закреплены прямоугольные лопасти с возможностью поворота каждой лопасти вокруг собственной оси и ведомыми приводного механизма на осях лопастей; оси вращения лопастей расположены концентрично относительно вращения ротора и равноудалены друг от друга; лопасти выполнены с возможностью противоположного вращения относительно ротора; внутри трубчатого элемента соосно ему расположен управляющий вал, на котором укреплена управляющая шестерня; между управляющей и ведомыми шестернями расположены сателлитные шестерни; ветродвигатель снабжен флюгером с приводным устройством, ведущая шестерня которого связана через сателлитные шестерни с ведомыми
шестернями на осях лопастей. На осях прямоугольных лопастей установлены крыльчатки, направление кабочее пространство ротора по периметру опор ограничено тросами. Лопасть и крыльчатка выполнены как единое целое.
Привод ведущая шестерня на оси флюгера - ведомые шестерни на осях лопастей выполняют две функции: вращение лопастей (основное потребление энергии, передаваемое приводом) и синхронизация углового положения лопастей (незначительное потребление). За счет установки дополнительной крыльчатки привод в основном освобождается от первой функции, и его механическая нагрузка многократно уменьшается. И, тяжелый и мощный привод заменяется на легкий и маломощный. При этом металлические шестерни привода заменяются на шестерни из полимерного материала, например, капролона. Такие шестерни не требуют смазки и, соответственно, смазывающих устройств, что приводит к дополнительному снижению веса ротора ветродвигателя.
Для предохранения ветродвигателя и генератора от поломок при шторме или урагане между валом ротора и валом генератора установлен фрикцион, ограничивающий крутящий момент вала ротора на вал генератора.
Для обеспечения безопасности человека и среды его обитания рабочее пространство ротора по периметру ограничено тросами.
Выполнение лопасти и крыльчатки как единое целое дает возможность повысит технологичность изготовления и надежность ветродвигателя.
На фиг.1 представлена кинематическая схема ветродвигателя. Ветродвигатель состоит из каркаса ротора 1, вала ротора 2, вращающихся относительно верхних 3 и нижних 4 опор, скрепленных между собой стойками 5. Ветродвигатель содержит прямоугольные лопасти 6,
симметрично закрепленные на осях 7. На осях 7 лопастей 6 установлены крыльчатки 8 таким образом, чтобы направление их вращения совпадало с направление вращения лопастей 6. Ветродвигатель имеет флюгер 9, состоящий из ведущей шестерни 10 на оси 11 флюгера и сателлитных шестерен 12, установленных на валах 13, и ведомых шестерен 14, установленных на осях 7 лопастей 6. На валу ротора 2 жестко закреплен ведущий диск 15, к которому под действием пружины 16 прижат фрикционный диск 17, имеющий осевую свободу по отношению к валу фрикциона 18.
На фиг.2 представлен общий вид ветроэлектростанции, в которой применен предлагаемый ветродвигатель. Нижняя опора 4 ветродвигателя закреплена на ферме 19. Под нижней опорой 4 закреплен генератор 20. Между стойками 5, расположенными под углами опор 3 и 4, по периметру натянуты тросы 21.
На фиг.3 представлены угловые положения лопастей 6 в четырехлопастном варианте, а также - составляющие сил, действующих на лопасти 6 при северном ветре; на фиг.3а - в момент совпадения плоскости лопасти 6 с осью вращения ротора; на фиг.3б - при развороте ротора на 45 град.
На фиг.4 представлены угловые положения лопастей 6 при других направлениях ветра; фиг 4а - при западном; фиг.4б - при южном; 4в - при восточном.
Ветродвигатель работает следующим образом. Под воздействием ветра флюгер 9 устанавливает лопасти 6 через шестерни 10, 12, 14 в рабочее положение (фиг.3, 4). Под давлением воздушного потока на лопасти 6 каркас ротора 1 поворачивается, а крыльчатки 8 поворачивают оси 7 лопастей 6 в противоположном направлении. Шестерни 10, 12, 14
обеспечивают синхронизацию поворотов лопастей 7. При изменении ветра флюгер 9 поворачивает ведущую шестерню 10, которая через шестерни 12 и 14 вводит необходимую коррекцию в угловое положение лопастей 6. Пружина 17 прижимает фрикционный диск 17 к ведущему диску 15 с усилием, достаточным для передачи на генератор 20 крутящего момента при ровном ветре или при изменениях в его скорости в нормальных погодных условиях. При штормовых порывах ветра происходит пробуксовка ведущего диска 15 относительно фрикционного диска 17, что предохраняет ветродвигатель и генератор от поломок. Тросы 21, натянутые между стойками 5 опор 3 и 4, в случае аварии ветродвигателя предохранят людей и строения от вылета крупногабаритных обломков.