ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
WIND TURBINE

зобретение относится к области ветроэнергетики, в частности, к ветроэлектрогенераторным установкам.
Известны ветродвигатели с вертикальным валом, например ветродвигатель [Патент РФ №2351796/А.М.Литвиненко. - Ветродвигатель./ Опубл. 10.04.2009, Бюл. №10, заявка 2007124236/06 от 27.06.2007, МПК F03D 7/06], содержащий вертикальный вал, башню и лопасти, выполненные вогнутой формы. Лопасти установлены на шкворнях, каждая из которых с помощью шарниров соединена с шарнирно установленными на валу тягами с образованием параллелограммов. Шкворни снабжены аэродинамическими поверхностями, имеющими наклон, при этом нижние тяги дополнительно соединены с валом с помощью шарнирно установленных пружинно-демпфирующих элементов.
Недостатком данного ветродвигателя является сложность конструкции и некоторая потеря ветровой энергии на аэродинамических поверхностях.
Указанный недостаток преодолевается за счет использования двух групп роторов, например ветродвигатель [Патент РФ №2358147 /А.М.Литвиненко. - Ветродвигатель./ Опубл. Бюл. №16, 2009, заявка 2007135964/06 от 27.09.2007, МПК F03D 3/04], содержащий башню, поворотное устройство, несущую конструкцию, вертикальные валы и вращающиеся в разные стороны ветроколера с лопастями с вертикальной осью вращения, а также хвостовую балку и хвостовые плоскости. Воздуховоды выполнены боковыми в виде трех участков - приемного, прямого и дугообразного коробов, последний из которых ориентирован на лопасти ветроколес, а хвостовая балка и хвостовые плоскости служат направляющим элементом ветродвигателя.
Недостатком данного двигателя является наличие больших и массивных воздуховодов, что значительно удорожает конструкцию.
Повышение эффективности использования ветрового потока возможно также за счет использования многоярусных лопастных роторов, например ветродвигатель [Патент РФ №2373426 /А.М.Литвиненко. - Ветродвигатель./ Опубл. Бюл. №32, 2009, заявка 20081144734/06 от 14.04.2008, МПК F03D 3/06], содержащий вращающиеся относительно вертикальной оси стойку и основные перекладины с неподвижными вогнутыми ветровоспринимающими элементами и дополнительно снабжен вспомогательными перекладинами, установленными над основными перекладинами, и рамками с вогнутыми ветровоспринимающими элементами на нижней стороне. Рамки установлены верхней стороной в поворотном шарнире на вспомогательных перекладинах и размещены с возможностью упора вертикальными стойками в основные перекладины.
При функционировании этого ветродвигателя возникают нежелательные динамические нагрузки, связанные с перекладкой подвижных ветровоспринимающих элементов, что вызывает несимметричные нагрузки.
Из всех известных аналогов наиболее близким к заявленному по совокупности существенных признаков является ветродвигатель [Патент Германии №202006014267 И1 от 2007.01.11, заявлен 13.09.2006], содержащий зону перекрытия между двумя роторами с параллельными вертикальными валами. Ветродвигатель содержит шестеренчатую передачу, которая фазирует вертикальные валы таким образом, что между валами создается зона перекрытия лопастей, уменьшающая аэродинамическое сопротивление ветродвигателя, а именно тех лопастей, которые движутся навстречу потоку.
Недостатком данного ветродвигателя является как наличие массивных воздуховодов, расположенных сзади роторов, так и относительно малая эффективность зоны перекрытия лопастей, что связано с тем, что ее площадь относительно велика по сравнению с площадью рабочих роторов и составляет приблизительно отношение 1:2, что недостаточно для эффективности работы.
Изобретение направлено на повышение использования зоны воздушного потока, уменьшение относительно площади зоны перекрытия и, как следствие, улучшение энергетических показателей.
Это достигается тем, что в ветродвигатель, содержащий направляющий элемент и два лопастных ротора с вертикальными валами и лопастями, размещенными с образованием между внутренними лопастями зоны перекрытия, согласно изобретению дополнительно введены верхние роторы, валы которых соединены с вертикальными валами роторов угловыми передачами, валы верхних роторов установлены с наклоном в центральную часть ветродвигателя и с размещением их внутренних лопастей в зоне перекрытия.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена кинематическая схема электродвигателя с двумя зонами перекрытия и угловыми передачами, выполненными в виде двух шарниров с пальцами. На фиг.2 показана кинематическая схема аналогичного ветродвигателя, но с угловыми передачами в виде карданных шарниров и шлицевых соединений. На фиг.3 изображена кинематическая схема ветродвигателя зоны перекрытия, площадь которой составляет все лишь четверть от площади рабочих плоскостей с угловыми передачами в виде конических шестерен. В дальнейшем изложении этот вариант ветродвигателя является основным и описывается более детально. На фиг.4 - вид спереди данного ветродвигателя, на фиг.5 приведена схема расположения лопастей нижнего яруса, на фиг.6 условно показана кинематическая схема расположения лопастей верхнего яруса, на фиг.7 показан вид сбоку.
Ветродвигатель в варианте с увеличенной зоной перекрытия (см. фиг.3) содержит два вертикальных вала 1 и 2, направляющий элемент 3, группу нижних лопастей (нижнего яруса) 4 и 5, группу верхних лопастей (верхнего яруса) 6 и 7 с зоной перекрытия 8 между валами. При этом валы 9 и 10 роторов верхних ярусов установлены наклонно с завалом в центральную часть ветродвигателя с тем, чтобы в центральной части ветродвигателя была организована зона перекрытия не двух лопастей, как в ближайших аналогах ветродвигателя, а четырех лопастей. При этом валы роторов верхних и нижних ярусов соединены угловыми передачами, например шарнирами 11, типа шар с пальцем, карданными шарнирами 12  или угловыми зубчатыми передачами 13. Вертикальные роторы вращаются в подшипниках 14, на одном валу с роторами сидят роторы 15 генераторов, которые через воздушный зазор находятся в магнитной связи со статорами 16. Статоры установлены на нижнем поворотном основании 17, которое через подшипник 18 связано с неподвижной опорой 19. Подшипники валов закреплены на корпусе 20, который, в свою очередь, закреплен на стойке 21, в качестве которой может быть использован и обтекатель 22, установленный в средней части ветродвигателя. Направляющий элемент 3 установлен на штанге 23.
Ветродвигатель работает следующим образом. Ветровой поток воспринимается периферийными лопастями 4, 5, 6, 7 как верхнего, так и нижнего яруса. При этом группа роторов приходит в синхронизированное вращение, сопровождающиеся движением периферийных лопастей по потоку, направленному на плоскости фиг.1, 2, 3, 4, снизу вверх на плоскости 5 и 6, слева направо на плоскость фиг.7. Вследствие наклоненности валов 9 и 10 к центру и соответствующим образом выбранному осевому смещению в зоне перекрытия оказывается не две, как в ближайшем аналоге, а сразу четыре лопасти. Их расположение показано на фиг.5 для нижнего яруса и на фиг.6 для верхнего яруса. При этом на фиг.6 в центральной части заштрихована зона перекрытия нижнего яруса. Из фиг.6 видно, что лопасти верхнего яруса не накладываются на зону перекрытия нижнего яруса, а расположены ниже (левый ротор) и выше (правый ротор). Зоны перекрытия нижнего яруса - см. фиг.6. В зоне перекрытия центральной части ветродвигателя может быть расположен обтекатель 22, который выполняет 2 функции: - еще более затеняет зону перекрытия;
- направляет воздушный поток, приходящийся на зоны перекрытия, в стороны на рабочие лопасти, что еще более увеличивает эффективность ветродвигателя.
Технико-экономическим преимуществом данного ветродвигателя является повышенная эффективность, связанная с уменьшенной в 2 раза, по сравнению с наиболее близким аналогом, площадью перекрытия, что практически повышает использование ветровой энергии в 2 раза.