ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

Ветродвигатель относится к ветротехнике, в частности, к установкам с вертикальным валом для преобразования кинетической энергии ветра в механическую.
Известен ветродвигатель (ротор, приводимый в движение потоком ветра или воды), включающий два взаимноперпендикулярных вала (вертикальный и горизонтальный), две лопасти, установленные на противоположных концах горизонтального вала под углом друг к другу, причем горизонтальный вал укреплен на вертикальном валу с возможностью вращения относительно своей продольной оси (см. заявку Великобритании №2196699).
Недостатком такого ветродвигателя является низкая эффективность использования энергии ветра, обусловленная тем, что вращающие моменты, образуемые в результате действия ветра на лопасти ветродвигателя, направлены в противоположные стороны, в то время как результирующий вращающий момент определяется их геометрической суммой.
Известен также ветродвигатель, включающий вертикальный вал и два горизонтальных вала, установленных 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), наиболее близко сходный с заявляемой полезной моделью.
Недостатком известного ветродвигателя является невысокая эффективность использования энергии ветра вследствие того, что на лопасти, находящисяеся в нерабочем состоянии, образуется тормозящий вращающий момент, направленный в противоположную сторону по отношению к вращающему моменту, образующегося на лопасти, находящейся в рабочем состоянии.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности использования энергии ветра.
Такой технический результат достигается тем, что известный ветродвигатель, включающий вертикальный вал, две лопасти и два упорных элемента, жестко прикрепленных к вертикальному валу с противоположных сторон лопастей вблизи их нижнего края, оснащен сплошным горизонтальным валом, смонтированным перпендикулярно вертикальному валу с возможностью вращения относительно своей продольной оси, а лопасти установлены под прямым углом друг к другу на противоположных концах сплошного горизонтального вала.
На фиг.1 представлен общий вид заявляемого ветродвигателя.
Ветродвигатель включает вертикальный вал 1, сплошной горизонтальный вал 2, смонтированный перпендикулярно вертикальному валу 1 с возможностью вращения относительно своей продольной оси, две лопасти 3 и 4, установленные под прямым углом друг к другу на противоположных концах сплошного горизонтального вала 2, и два упорных элемента 5 и 6, жестко прикрепленных к вертикальному валу 1 с противоположных сторон лопастей 3 и 4 вблизи из нижнего края.
Ветродвигатель работает следующим образом.
1
2
1
2
Пусть в начальный момент времени (при отсутствии ветра) ветродвигатель занимает исходное положение, при котором обе лопасти 3 и 4 под действием силы тяжести опущены и образуют с продольной осью нижней части вертикального вала 1 углы α и α, равные 45°. Под действием ветра, направление которого показано на фиг.1 стрелками, лопасти 3 и 4 повернутся относительно продольной оси сплошного горизонтального вала 2. При этом лопасть 3 опустится и прижмется своим нижним краем к упорному элементу 5 (угол α между лопастью 3 и продольной осью нижней части вертикального вала 1 станет равным нулю), а лопасть 4 поднимется (угол а между лопастью 4 и продольной осью нижней части вертикального вала 1 станет равным 90°).
2
Считаем, что в этот момент лопасть 3 находится в рабочем состоянии, а лопасть 4 - в нерабочем состоянии. В отличие от известного ветродвигателя (ветродвигателя-прототипа) лопасть 4, находящаяся в нерабочем состоянии, поднимается не только под действием на нее ветра, но также и под действием вращающего момента, сообщаемого ей сплошным горизонтальным валом 2 от лопасти 3. Это определяет увеличение угла α между лопастью 4 и продольной осью нижней части вертикального вала 1 до значения 90°. Следовательно, после поднятия лопасти 4 ветер не оказывает давления на ее поверхность, и тормозящий вращающий момент относительно продольной оси вертикального вала 1 не образуется.
В то же время, находясь в рабочем состоянии, лопасть 3 продолжает испытывать давление ветра, благодаря чему создается вращающий момент относительно продольной оси вертикального вала 1, и сплошной 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
2
Положение, при котором сплошной горизонтальный вал 2 параллелен направлению ветра, ветродвигатель проходит по инерции. В окрестности этого положения лопасти 3 и 4 под действием сил тяжести принимают исходное положение (обе лопасти 3 и 4 образуют с продольной осью нижней части вертикального вала 1 углы α=α=45°).
2
1
Далее работа ветродвигателя повторяется в описанной последовательности, однако на протяжении следующего полуоборота лопасти 3 и 4 меняются местами. Теперь лопасть 4 находится в рабочем состоянии, и своим нижним краем прижимается к упорному элементу 6 (угол α между лопастью 4 и продольной осью нижней части вертикального вала 1 равен нулю), а лопасть 3 - в нерабочем состоянии (угол α между лопастью 3 и продольной осью нижней части вертикального вала 1 равен 90°).
Таким образом, лопасти 3 и 4 ветродвигателя совершают вращательное движение относительно продольной оси вертикального вала 1 и возвратно-вращательное движение относительно продольной оси сплошного горизонтального вала 2. Причем, вращающий момент относительно продольной оси вертикального вала 1 образуется только за счет действия ветра на лопасть, находящуюся в рабочем состоянии. В то же время лопасть, находящаяся в нерабочем состоянии, действия ветра не испытывает (вследствие равенства значению 90° угла между этой лопастью и продольной осью нижней части вертикального вала 1, а соответственно, равенства нулю проекции поверхности лопасти на плоскость, перпендикулярную направлению ветра), и тормозящий вращающий момент не образуется. Эффективность использования энергии ветра в заявляемой полезной модели по сравнению с известным ветродвигателем повышается.
Повышенная эффективность использования энергии ветра в заявляемом ветродвигателе может быть также проиллюстрирована следующим образом.
1
2
2
2
Пусть лопасти заявляемого ветродвигателя выполнены в форме прямоугольника с длиной стороны, параллельной продольной оси сплошного горизонтального вала 2, равной a и длиной стороны, параллельной продольной оси вертикального вала 1, равной b. Определим положение лопастей 3 и 4 в пространстве с помощью углов: α (угол между лопастью 3 и продольной осью нижней части вертикального вала 1), α (угол между лопастью 4 и продольной осью нижней части вертикального вала 1), β (угол между лопастью 3 и прямой линией, проведенной через точку пересечения продольных осей вертикального вала 1 и сплошного горизонтального вала 2 на плоскости, перпендикулярной направлению ветра) и β (угол между лопастью 4 и прямой линией, проведенной через точку пересечения продольных осей вертикального вала 1 и сплошного горизонтального вала 2 на плоскости, перпендикулярной направлению ветра).
3
Величина проекции S поверхности лопасти 3 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, запишется в виде:
4
Аналогично проекция S поверхности лопасти 4 на ту же плоскость:
1
2
1
2
1
2
Поскольку углы β и β различаются друг от друга на 180°, |cosβ|=|cosβ|. Обозначим: |cosβ|=|cosβ|=|cosβ|.
1
1
2
2
В случае, когда лопасть 3 находится в рабочем состоянии α=0. Следовательно, cosα=1. В это же время α=90° и cosα=0.
1
1
2
2
После поворота вертикального вала 1 вокруг своей продольной оси на 180° (когда в рабочем состоянии окажется лопасть 4), α=90°, cosα=0, а α=0 и cosα=1.
p
Таким образом, в выражениях (1) и (2) происходит чередование равенства нулю и единицы одного из сомножителей. Учитывая это обстоятельство, разность проекций S поверхностей лопастей 3 и 4 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, можно записать в виде:
p
Итак, результирующий вращающий момент ветродвигателя, будучи пропорциональным разности проекций S поверхностей лопастей 3 и 4 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, пропорционален произведению поверхности лопасти (ab) на сомножитель |cosβ|.
Для оценки выражения (3), полученного для заявляемой полезной модели, проведем подобные рассуждения для двух известных ветродвигателей: ветродвигателя по заявке Великобритании №2196699, Кл. F03D 3/06, 1989 г. и известного ветродвигателя (ветродвигателя-прототипа) по заявке Польской Народной Республики №265323, Кл. F03D, 1989 г.
Общий вид ветродвигателя по заявке Великобратании №2198899 представлен на фиг.2.
Ветродвигатель по заявке Великобритании №2196699 включает два взаимноперпендикулярных вала (вертикальный вал 7 и горизонтальный вал 8), две лопасти 9 и 10, установленные на противоположных концах горизонтального вала 8. Горизонтальный вал 8 укреплен на вертикальном валу 7 с возможностью вращения относительно своей продольной оси. Вертикальный вал 7 также имеет свою продольную ось. В процессе работы этого ветродвигателя положение продольной оси вертикального вала 7 остается неизменным.
9
10
Пусть в начальный момент времени (при отсутствии ветра) этот ветродвигатель занимает исходное положение, при котором обе лопасти 9 и 10 под действием силы тяжести опущены и образуют с продольной осью нижней части вертикального вала 7 углы α=α=45°. Под действием ветра, направление которого на фиг.2 показано стрелками, обе лопасти испытывают одинаковое давление и образующиеся вращающие моменты относительно продольной оси вертикального вала 7, равны по величине и противоположны по направлению.
10
9
В то же время ветер поворачивает обе лопасти 9 и 10 относительно продольной оси горизонтального вала 8. При этом лопасть 10 поднимается (угол α между лопастью 10 и продольной осью нижней частью вертикального вала 7 увеличивается), а лопасть 9 опускается (угол α между лопастью 9 и продольной осью нижней части вертикального вала 7 уменьшается). Как только лопасти 9 и 10 сместятся относительно своего исходного состояния, проекция поверхности лопасти 9 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, станет больше проекции поверхности лопасти 10 на ту же плоскость. Равенство вращающих моментов относительно продольной оси вертикального вала 7 нарушится, и горизонтальный вал 8 начнет поворачиваться относительно нее по часовой стрелке (при наблюдении сверху).
]0
9
Таким образом, лопасти 9 и 10 ветродвигателя по заявке Великобритании №2196699 одновременно поворачиваются относительно продольной оси горизонтального вала 8 и продольной оси вертикального вала 7. Поворот лопастей 9 и 10 относительно продольной оси горизонтального вала 8 будет продолжаться до тех пор, пока угол α между лопастью 10 и продольной осью верхней части вертикального вала 7 не достигает 45°, а угол α между лопастью 9 и продольной осью нижней части вертикального вала 7 не станет равным 45°. В это время вращающие моменты относительно продольной оси вертикального вала 7, образуемые за счет действия ветра на лопасти 9 и 10, вновь уравновесятся. Результирующий вращающий момент станет равным нулю и ветродвигатель продолжит работу (вращение вертикального вала 7 и горизонтального вала 8 относительно продольной оси вертикального вала 7) по инерции.
В окрестности точки, в которой положение горизонтального вала 8 станет параллельным направлению ветра, лопасти 9 и 10 под действием силы тяжести опустятся (повернутся относительно продольной оси горизонтального вала 8 до достижения равенства углов между ними и продольной осью нижней части вертикального вала 7 значения 45°). Далее работа ветродвигателя по заявке Великобритании №2196699 повторится в описанной последовательности, однако на протяжении последующего полуоборота вертикального вала 7 лопасти 9 и 10 меняются местами.
Таким образом, в отличие от заявляемого ветродвигателя, при работе ветродвигателя по заявке Великобритании №2196699 одна его лопасть всегда тормозит другую, что и определяет низкую эффективность использования энергии ветра.
Продолжая анализ работы заявляемого ветродвигателя по сравнению с ветродвигателем по заявке Великобритании №2196699, найдем для последнего величину разности проекций поверхностей лопастей 9 и 10 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра (аналог выражения (3)).
Допустим, лопасти 9 и 10 ветродвигателя по заявке Великобритании №2196699 выполнены в форме прямоугольника (как в его описании) с длиной стороны, параллельной продольной оси горизонтального вала 8, равной a, и с длиной стороны, параллельной продольной оси вертикального вала 7, равной b. Тогда проекции поверхностей лопастей 9 и 10 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, могут быть представлены выражениями:
9
10
10
где α и α- углы между продольной осью нижней части вертикального вала 7 и лопастями 9 и 10 соответственно (при их нахождении ниже продольной оси горизонтального вала 8) или углы между продольной осью верхней части вертикального вала 7 и лопастями 9 и 10 соответственно (при их нахождении выше продольной оси горизонтального вала 8); β9 и β - углы между прямой линией, проведенной через точку пересечения продольной оси вертикального вала 7 и горизонтального вала 8 на плоскости, перпендикулярной направлению ветра и лопастями 9 и 10 соответственно.
9
10
9
10
9
10
a
Нетрудно заметить, что |cosβ|=|cosβ|, поскольку аргументы β и β различаются друг от друга на величину 180°. Обозначим |cosβ|=|cosβ|=|cosβ|
Тогда
9
]0
По сравнению с поверхностями лопастей 9 и 10 (которые могут быть определены произведением ab) проекции их поверхностей на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, всегда будут достаточно малыми. Такой вывод можно сделать, анализируя выражения (6) и (7), в которых 8и 8 определяются произведением поверхности ab на произведение двух тригонометрических функций, каждая из которых не превышает единицу.
9
10
Поскольку результирующий вращающий момент ветродвигателя по заявке Великобритании №2196699 соответствует геометрической сумме противоположно направленных вращающих моментов и пропорционален разности проекций S и S, можно записать:
9
10
Очевидно, что получаемая при этом величина окажется еще меньшей, чем Sили S.
р
pa
Сравнивая между собой выражения (3) и (8), делаем вывод, что S всегда больше S, что свидетельствует о большей эффективности использования энергии ветра в заявляемом ветродвигателе, чем в ветродвигателе по заявке Великобритании №2196699.
Проведем аналогичные рассуждения для сравнения характеристик заявляемого ветродвигателя с известным ветродвигателем, принятым за прототип (см. заявку Польской Народной Республики №265323).
Общий вид ветродвигателя-прототипа показан на фиг.3.
Ветродвигатель-прототип включает вертикальный вал 11 и два горизонтальных вала 12 и 13, установленных на одной линии, перпендикулярной вертикальному валу 11 с противоположных его сторон, две лопасти 14 и 15 свободно качающиеся на горизонтальных валах 12 и 13 и два упорных элемента 16 и 17, жестко прикрепленных к вертикальному валу 11 с противоположных сторон лопастей 14 и 15 вблизи их нижнего края. Горизонтальные валы 12 и 13 имеют возможность вращения относительно своих продольных осей.
14
15
Пусть в начальный момент времени (при отсутствии ветра) ветродвигатель-прототип занимает исходное положение, при котором обе лопасти 14 и 15 под действием силы тяжести опущены и образуют с продольной осью нижней части вертикального вала 11 углы α и α, равные нулю.
14
15
15
15
Под действием ветра, направление которого на фиг.3 показано стрелками, нижний край лопасти 14 прижмется к упорному элементу 16, а величина угла α между лопастью 14 и продольной осью нижней части вертикального вала 11 не изменится. Одновременно лопасть 15 поднимется (повернется относительно продольной оси горизонтального вала 12) и угол α между ней и продольной осью нижней части вертикального вала 11 увеличится. При этом, однако, угол α принципиально не может достичь 90° (даже при скорости ветра 12…14 м/с) и лопастях, выполненных из картона, величина α не превышает 72…75°).
Поток ветра, действующий на лопасть 14, образует вращающий момент относительно продольной оси вертикального вала 11. Считаем, что при этом лопасть 14 находится в рабочем состоянии.
15
Одновременно за счет действия ветра на лопасть 15, находящуюся в нерабочем состоянии, но составляющую с продольной осью нижней части вертикального вала 11 угол α, образуется тормозящий вращающий момент относительно продольной оси вертикального вала 11.
В этот момент времени проекция поверхности лопасти 14 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, превышает проекцию поверхности лопасти 15 на ту же плоскость. Поэтому вращающий момент относительно продольной оси вертикального вала 11, образуемый в результате давления ветра на лопасть 14, окажется больше вращающего момента, образуемого действием ветра на лопасть 15. Происходит поворот горизонтальных валов 12 и 13, а вместе с ними - поворот вертикального вала 11 относительно продольной оси последнего по часовой стрелке (при наблюдении сверху).
Таким образом, в отличие от заявляемого ветродвигателя при работе ветродвигателя-прототипа за счет неполного поднятия лопасти, находящейся в нерабочем состоянии (угол между этой лопастью и продольной осью нижней части вертикального вала 11 не достигает значения 90°), всегда будет создаваться тормозящий вращающий момент, снижающий результирующий вращающий момент, а, следовательно, понижающий эффективность использования энергии ветра.
Продолжая анализ работы заявляемого ветродвигателя по сравнению с ветродвигателем-прототипом, найдем для последнего величину разности проекций поверхностей лопастей 14 и 15 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра (подобно выражениям (3) и (8)).
Допустим, лопасти 14 и 15 ветродвигателя-прототипа выполнены в форме прямоугольника (как в описании прототипа) с длиной стороны, параллельной продольным осям горизонтальных валов 12 и 13, равной a, и с длиной стороны, параллельной оси вертикального вала 11, равной b. Тогда проекции поверхностей лопастей 14 и 15 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, могут быть определены выражениями:
14
15
где α и α -углы между продольной осью нижней части вертикального вала 11 и лопастями 14 и 15 соответственно;
4
5
14
15
14
15
14
15
n
β и β - углы между прямой линией, проведенной через точку пересечения продольных осей вертикального вала 11 и горизонтальных валов 12 и 13 и лопастями 14 и 15 соответственно. Нетрудно заметить, что |cosβ|=|cosβ|, поскольку аргументы β и β различаются друг от друга на 180°. Обозначим |cosβ|=|cosβ|=|cosβ|. Тогда
14
14
15
15
В случае, когда лопасть 14 находится в рабочем состоянии, угол α между этой лопастью и продольной осью нижней части вертикального вала 11 равен нулю. Следовательно, cosβ=1. После поворота вертикального вала 11 вокруг своей продольной оси на 180° (когда в рабочем состоянии оказывается лопасть 15), α=0 и cosα=1. Таким образом, в выражениях (11) и (12) чередуется равенство единице одного из сомножителей. Учитывая это обстоятельство, разность проекций поверхностей лопастей 14 и 15 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, можно записать в виде:
n
где α - угол между лопастью, находящейся в нерабочем состоянии, и продольной осью нижней части вертикального вала 11.
pn
n
n
Итак, результирующий вращающий момент ветродвигателя-прототипа, будучи пропорциональным разности S проекций поверхностей лопастей 14 и 15 на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, пропорционален произведению поверхности лопасти (ab) на сомножители cosβ и (1-cosα). Поскольку каждый из последних двух сомножителей меньше единицы, их произведение является еще меньшей величиной.
Таким образом, эффективность использования энергии ветра в ветродвигателе-прототипе хотя и несколько выше, чем в ветродвигателе по заявке Великобритании №2196699 (см.выражение (8)), однако остается довольно низкой вследствие влияния тормозящего вращающего момента, образуемого давлением ветра на лопасть, находящуюся в нерабочем состоянии.
a
n
a
n
Сравним между собой выражения (3), (8) и (13). Несмотря на различия конструкций рассмотренных ветродвигателей, входящие в эти выражения аргументы β, β и β представляют собой одни и те же углы. То есть β=β=β. Разделив выражение (3) на выражения (8) и (13), получим:
9
10
n
Учитывая область изменения функций cosα, cosα и cosα, запишем:
Вышеизложенные рассуждения позволяют сделать вывод о том, что эффективность использования энергии ветра в заявляемом ветродвигателе в  раз выше, чем в ветродвигателе-прототипе (см. выражение (15)) и в  раз выше, чем в ветродвигателе по заявке Великобритании №2196699 (см.выражение (14)).
9
10
n
Подставляя численные значения аргументов в диапазонах 0≤α≤45°, 45°≤α≤90° и вычисляя среднее значение функции (14), а также, принимая α=75° и вычисляя функцию (15), устанавливаем, что эффективность использования энергии ветра в заявляемом ветродвигателе в 2,16 раза выше, чем в ветродвигателе по заявке Великобритании №2196699 ив 1,35 раз выше, чем в ветродвигателе-прототипе.