РОТОРНАЯ ЛОПАСТЬ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ МОМЕНТОМ КОЛИЧЕСТВА ДВИЖЕНИЯ
ROTOR BLADE OF WIND-POWERED ENGINE WITH VARIABLE ANGULAR MOMENTUM

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для превращения энергии ветра в механическую энергию.
Решение может быть применено в рабочих колесах ветроэнергетических установок.
Известна конструкция лопасти, входящая в состав ветроколеса с двумя степенями свободы роторов, содержащая горизонтальный вал и жестко связанную с ним радиально расположенную лопасть в виде свободно вращающегося вингротора (ротора Савониуса) (см. статью Б.Н.Кондрашов, В.Г.Медокс, Е.Б.Бычкунова «О некоторых аэродинамических демонстрациях в курсе общей физики». Межвузовский научный сборник. Вопросы прикладной физики, СГУ, Вып.5, 1999, с.23-25).
Известны лопасти в виде роторов Магнуса. входящих в состав ветроколеса ветродвигателя, работающего за счет эффекта Магнуса. Причем лопасти располагаются радиально по отношению к горизонтально расположенному рабочему валу. В конструкцию лопастей включены рабочие цилиндры с торцовыми аэродинамическими шайбами привода вращения цилиндров и электрогенератор. Приводы выполнены в виде роторов типа Савониуса, которые установлены на осях вращения цилиндров и жестко связанны с ними (см. патент РФ №2189494, МПК F03D 1/00).
Известны лопасти, входящие в состав рабочего колеса прецессирующего ветродвигателя с тремя степенями свободы самовращающихся роторов с горизонтальным расположением рабочего вала и радиальным расположением роторных лопастей, снабженного механизмом внешнего силового воздействия, одним из назначений которого является компенсация переменных гироскопических сил, действующих на роторные лопасти рабочего колеса (см. патент РФ №2338922, МПК F03D 1/00).
Известны роторные лопасти, входящие в состав ветроколеса прецессирующего ветродвигателя, с тремя степенями свободы и с вертикальным расположением рабочего вала и радиальным расположением самовращающихся роторов, например роторов Савониуса (см. патент РФ №2351794, МПК F03D 1/02).
Однако для роторных ветродвигателей с двумя и тремя степенями свободы роторов и горизонтальным расположением главного вала и вертикальной ориентацией плоскости рабочего колеса возникает переменная гироскопическая сила, действующая на роторную лопасть в направлении, перпендикулярном плоскости вращения рабочего колеса, т.е. вдоль направления горизонтальной оси рабочего вала ветродвигателя, возникающая за счет того, что направление вектора силы тяжести, действующей на вращающийся вокруг собственной оси ротор, не совпадает по направлению (за исключением крайнего верхнего и крайнего нижнего положений) с направлением вектора момента импульса ротора, которая дважды меняет свое направление за один оборот рабочего колеса, относительно горизонтальной оси, что приводит к быстрому износу подшипников как рабочего вала, так и вращающихся роторов, и как результат, повышенной вибрации рабочего колеса, в целом.
Для ветродвигателей с двумя степенями свободы, а в случае, даже не значительного отклонения оси вращения ротора от вертикальной плоскости, возникающая сила прецессии ротора уменьшает аэродинамическую силу Магнуса, действующую на ротор. Введение же механизма внешнего воздействия усложняет конструкцию и более пригодно для прециссирующих роторных ветродвигателей с тремя степенями свободы, в которых рабочее движение ветроколеса осуществляется за счет гироскопических сил, а не силы Магнуса.
Для роторных ветродвигателей с тремя степенями свободы и вертикальным расположением главного вала основное рабочее движение осуществляется за счет сил прецессии, а она связана с угловой скоростью вращения ротора-маховика, которая меняется в зависимости от скорости набегающего на самовращающийся ротор потока воздуха и может не быть оптимальной для прецессии роторов, особенно при небольших скоростях набегающего потока.
Известен ротор, разработанный в Гёттингенской лаборатории Германии в 1923 году, в котором электродвигатель располагается внутри ротора, статор двигателя сцеплен с ротором, а ротор электродвигателя, с осью вращения, причем ротор и статор электродвигателя могут вращаться вокруг общей оси независимо друг от друга (Л.Прандтль. Эффект Магнуса и ветряной корабль, пер. с нем., журнал Успехи физических наук, T.V, Вып.1-2, 1925, с.1-27).
Однако роторы Гёттингенской лаборатории не являются самовращающимися и требуют внешнего привода и применения специальных оригинальных конструкций электродвигателей малого внешнего диаметра с одновременным, независимым друг от друга вращением ротора и статора и оригинальным способом крепления электродвигателя внутри ротора.
Задачей изобретения является создание роторной лопасти с изменяющимся моментом количества движения для увеличения долговечности рабочего колеса с помощью снижения вибрации лопасти и создания оптимальных условий для использования как аэродинамических, так и гироскопических эффектов в роторных ветродвигателях с двумя и тремя степенями свободы роторов.
Технический результат заключается в повышении долговечности, надежности и улучшении тяговых характеристик роторных лопастей, входящих в состав ветродвигателей с двумя и тремя степенями свободы роторов, использующих для своего движения, как только эффект Магнуса, эффект прецессии, так и сочетание эффекта Магнуса с эффектом прецессии.
Поставленная задача достигается тем, что роторная лопасть с изменяющимся моментом количества движения, согласно решению, содержит самовращающийся ротор, расположенный на оси, на которой дополнительно расположен, по крайней мере, один маховик, обеспечивающий изменение момента количества движения системы ротор-маховик, относительно оси вращения и кинематически связанный с ротором.
Ось ротора и маховика может быть выполнена с возможностью жесткого крепления к рабочему валу ветродвигателя, при этом кинематическая связь обеспечивает вращение маховика и ротора в противоположных по отношению друг к другу направлениях, а момент количества движения маховика и ротора относительно общей оси вращения равен 0.
Ось ротора и маховика соединены с подошвой, имеющей возможность изменять свое положение относительно рабочего вала ветродвигателя, при этом кинематическая связь обеспечивает вращение маховика и ротора в одну сторону с разными скоростями.
Кинематическая связь может быть осуществлена посредством ременной передачи, обеспечивающей вращение маховика и ротора в противоположных по отношению друг к другу направлениях или зубчатой передачи.
Роторная лопасть содержит разобщающую фрикционную центробежную муфту, расположенную между самовращающимся ротором и маховиком.
Роторная лопасть содержит раму жесткости, скрепленную с подошвой лопасти и являющейся дополнительной точкой опоры для оси ротора.
Маховик расположен соосно с самовращающимся ротором, внутри него, и связан с самовращающимся ротором передаточным механизмом, который может изменять как направление вращения маховика, так и скорость его вращения.
Роторная лопасть содержит генератор электрического тока, жестко связанный с самовращающимся ротором, и электродвигатель, электрически соединенный с генератором и приводящий во вращение маховик, жестко связанный с электродвигателем.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид роторной лопасти для ветроколеса с двумя степенями свободы и горизонтальным расположением рабочего вала и ременной передачей крутящего момента от самовращающегося ротора к маховику (вид сбоку); на фиг.2 приведена конструкция лопасти, аналогичной предыдущей, но привод от ротора к маховику осуществляется шестеренчатой (зубчатой) передачей; на фиг.3 приведена конструкция лопасти, аналогичной изображенной на фиг.2, но в конструкцию лопасти включена центробежная фрикционная муфта и рама жесткости; на фиг.4 приведена конструкция лопасти, в которой ротор жестко связан с электрогенератором, вырабатывающим электроэнергию для вращения электродвигателя, вращающего маховик; на фиг.5 представлена конструкция лопасти, в которой лопасть и маховик представляют собой соосную конструкцию, причем маховик расположен внутри лопасти, где
1 - ось ротора;
2 - самовращающийся ротор;
3 - ведущий шкив;
4 - ведомый шкив;
5 - маховик;
6 - подошва лопасти;
7 - ось промежуточных шкивов;
8 - первый промежуточный шкив;
9 - второй промежуточный шкив;
10 - ведущая шестерня;
11 - паразитная шестерня;
12 - первая промежуточная шестерня;
13 - вторая промежуточная шестерня;
14 - ось промежуточных шестерен;
15 - ведомая шестерня;
16 - фрикционная центробежная муфта;
17 - рама жесткости;
18 - электрогенератор;
19 - электродвигатель;
20 - кожух-обтекатель.
На фиг.1 приведен общий вид роторной лопасти для ветроколеса с двумя степенями свободы и горизонтальным расположением рабочего вала и ременной передачей крутящего момента от самовращающегося ротора 2 к маховику (вид сбоку). На подошве 6, с помощью которой лопасть жестко крепиться к бобышке рабочего вала, жестко закреплена ось ротора 1, на которой свободно вращается ротор, например ротор Савониуса, турбина Горлова или любой другой самовращающийся от набегающего потока воздуха ротор 2. С ротором 2 жестко скреплен ведущий шкив 3 прямой ременной передачи, передающий вращение первому промежуточному шкиву 8 и жестко связанному с ним второму промежуточному шкиву 9, свободно вращающихся на оси промежуточных шкивов 7, жестко соединенной с подошвой лопасти 6. Второй промежуточный шкив 9 связан перекрестной ременной передачей с ведомым шкивом 4, жестко связанным с маховиком 5, вращающимся вокруг оси ротора 1.
На фиг.2 приведена конструкция лопасти, аналогичной предыдущей, но привод от ротора 2 к маховику 5 осуществляется шестеренчатой передачей, состоящей из ведущей шестерни 9, жестко связанной с ротором, паразитной шестерни 10 и жестко связанных между собой первой промежуточной шестерни 12, второй промежуточной шестерни 13 и ведомой шестерни 15, жестко связанной с маховиком 5.
На фиг.3 приведена конструкция лопасти, аналогичной изображенной на фиг.2, но в конструкцию лопасти включена центробежная фрикционная муфта 16, расположенная между ротором 2 и ведущей шестерней 9, а оси лопасти - ось роторов 1 и ось промежуточных шестерен 14 имеют дополнительные точки опоры за счет введения рамы жесткости 17, жестко соединенной с подошвой лопасти 6.
На фиг.4 приведена конструкция лопасти, в которой самовращающийся ротор 2 жестко связан с электрогенератором 18, энергия от которого, через электронный блок управления, не показанный на фигуре, передается на электродвигатель 19, жестко связанный с маховиком 5. Электронный блок управления позволяет устанавливать как направление вращения маховика, так и его скорость, что позволяет использовать данную конструкцию лопасти для любого типа роторного ветродвигателя как с двумя, так и с тремя степенями свободы, как с горизонтальным, так и с вертикальным расположением рабочего вала.
На фиг.5 изображена лопасть роторного ветродвигателя с тремя степенями свободы роторов и вертикальным расположением рабочего вала, в котором основное рабочее движение осуществляется за счет прецессии роторов или роторов и маховиков, входящих в конструкцию лопасти, вокруг оси рабочего вала. В данной конструкции самовращающийся ротор 2 и маховик 5 представляют соосную конструкцию. Маховик 5 жестко скреплен с осью ротора 1 и ведомой шестерней 15, причем ось 1 свободно вращается одним концом в подшипниках подошвы лопасти 6, а другим концом в подшипниках рамы жесткости 17. Ротор 2 вращается в подшипниках того или иного типа вокруг маховика 5, который в этом случае является осью для ротора 2. С ротором 2 связана ведущая шестерня 10. Ведущая шестерня 10 связана через систему жестко связанных между собой первой 12 и второй 13 промежуточных шестерен, свободно вращающихся на оси промежуточных шестерен 14.
При использовании лопастей в ветродвигателях с тремя степенями свободы роторов и вертикальным расположением рабочего вала необходимо изменить направление вращения маховика, придав ему направление вращения ротора. Для этого перекрестную ременную передачу заменяют на прямую, а в шестеренчатой передаче исключают паразитные шестерни. В случае электрической передачи изменение направления вращения осуществляется за счет электронного блока.
Детали, ограничивающие осевые перемещения роторов, маховиков и шкивов, для простоты исключены из фигур.
На фигурах детали передач изображены в преувеличенно крупном масштабе.
Все детали передач могут быть закрыты кожухами-обтекателями 20, крепящимися к подошве ротора и раме жесткости.
Передаточное отношение во всех приводах выбирается с учетом оптимального использования применяемых в ветроколесе эффектов Магнуса, гироскопического эффекта или их сочетания.
Роторная лопасть для ветроколеса с двумя степенями свободы и горизонтальным расположением рабочего вала и ременной передачей крутящего момента от самовращающегося ротора к маховику (фиг.1) работает следующим образом.
Лопасть ориентируется на ветер, когда направление ветра перпендикулярно оси вращения роторов 1. Набегающий поток ветра раскручивает самовращающийся ротор 2, который через ведущий шкив 3, через прямую ременную передачу передает вращение на первый промежуточный шкив 8 жестко связанный с ним второй промежуточный шкив 9. Последний через перекрестную передачу передает вращение на ведомый шкив 4, жестко связанный с маховиком 5, который начинает вращаться в сторону, противоположную направлению вращения самовращающегося ротора 2. Причем передаточное отношение выбирается так, чтобы момент количества движения ротора 2 и маховика 5 относительно их общей оси вращения равнялся нулю.
Аналогично вышеописанному, работает и лопасть по фиг.2. Единственное отличие в том, что крутящий момент от ротора 2 к маховику 5 осуществляется шестеренчатой передачей, состоящей из ведущей шестерни 10, жестко скрепленной с самовращающимся ротором 2, паразитной шестерни 10, промежуточных шестерен 12 и 13 и ведомой шестерни 15, жестко скрепленной с маховиком.
Роторная лопасть по фиг.3 работает следующим образом.
Лопасть ориентируется на ветер, когда направление ветра перпендикулярно оси вращения ротора 1. В исходном положении самовращающийся ротор 2 и маховик 5 разобщены между собой за счет фрикционной центробежной муфты 16. Раскрученный ветром ротор при достижении расчетной скорости включает фрикционную центробежную муфту 16 и через ведущую шестерню 10, паразитную шестерню 11, промежуточные шестерни первую 12 и вторую 13, а также ведомую шестерню 15 приводит в движение маховик 5. Маховик 5 начинает вращаться вокруг оси ротора 1 в противоположную по сравнению с ротором 2 сторону, с угловой скоростью, определяемой передаточным коэффициентом, при которой суммарный момент количества всех вращающихся вокруг оси роторов 1 деталей будет равен нулю.
Роторная лопасть по фиг.4 работает следующим образом.
Падающий на ротор 2 поток воздуха раскручивает самовращающийся ротор Савониуса и жестко связанный с ним электрогенератор 18, который начинает вырабатывать электроэнергию, передаваемую по проводникам электродвигателю 19, ротор которого сцеплен с маховиком 5. Скорость и направление вращения электродвигателя и маховика регулируется электронным блоком, расположенным между электрогенератором 18 и электродвигателем 19, таким образом, чтобы суммарный момент количества движения всех вращающихся вокруг оси, совпадающей с осью ротора 1, тел (самовращающегося ротора Савониуса 2, маховика 5, а также роторов, входящих в конструкцию электрогенератора 18 и электродвигателя 19) равнялся нулю, проводники и электронный блок управления на фиг.4, для простоты, не показаны.
Роторная лопасть по фиг.5 работает следующим образом.
Лопасть, входящая в состав ветроколеса, параллельного плоскости земли, и поток воздуха направлен вертикально вверх. Поток воздуха раскручивает ротор 2 вокруг оси роторов 1. Крутящий момент от раскрученного ротора 2, через жестко связанную с ним ведущую шестерню 10, передается через промежуточные шестерни 12 и 13, жестко связанные между собой и свободно вращающиеся вокруг оси промежуточных шестерен 14 на ведомую шестерню 15, жестко скрепленную с маховиком 5, в свою очередь жестко соединенным с осью роторов 1, свободно вращающуюся в подшипниках подошвы 6 и рамы жесткости 17, таким образом, маховик 5 начинает вращаться в ту же сторону, что и ротор 2, но с другой, угловой скоростью, зависящей от передаточного коэффициента передаточного механизма, определяемого из условия оптимальных требований к скорости прецессии ветроколеса.
При вращении роторов и маховиков в разных направлениях лопасти применяются в ветродвигателях с горизонтальным расположением рабочего вала и вертикальным расположением плоскости рабочего колеса, с роторами, имеющими две степени свободы.
При вращении роторов и маховиков в одном направлении, но с разными скоростями, лопасти применяются в прецессирующих ветродвигателях с вертикальным расположением рабочего вала и горизонтальным расположением плоскости вращения рабочего колеса.
Переход от одного направления вращения маховиков по отношению к роторам к противоположному осуществляется изменением в конструкции той или иной передачи, например в роторной лопасти просто заменяется ремень перекрестной передачи на ремень прямой передачи.
Заявляемый технический результат достигается, с одной стороны, за счет уменьшения вибрации роторов и, с другой стороны, создания оптимальных условий для работы прецессирующих ветродвигателей.