ВЕТРОКОЛЕСО
WIND WHEEL

Изобретение относится к экологически чистым энергетическим установкам для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию, и может быть использовано в ветряных двигателях с осью вращения ротора, совпадающей с направлением ветра.
Известен ветродвигатель с защитой от перегрузок (см. патент №2148186, F03D 7/00, БИ №12 (I ч.), 2000 г.), включающий в себя ступицу ветроколеса с поворотными лопастями, насаженными на полый приводной вал с подпружиненной штангой, установленной в плоскости вала и кинематически связанной с лопастями, устанавливающимися с обеспечением их разворота при изменении ветровой нагрузки, шарниры разворота лопастей смещены к передним кромкам и представляют собой закрепленные в спицах ступицы втулки, в которых свободно установлены оси лопастей, оснащенные пружинами для выборки зазоров и посадочными площадками крепления кривошипов, связанных с рабочей пружиной через коронку и штангу, выполненную в виде ходового винта.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются наличие ступицы ветроколеса с лопастями, приводной вал.
Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются сложность и недостаточная надежность конструкции, что снижает эффективность работы.
Известно ветроколесо (см. патент №2211366, F03D 1/06, БИ №24 (III ч.), 2003 г.), содержащее ступицу и лопасти, выполненные в виде парусных оперений, лонжероны, трос, D-образную переднюю кромку, а парусные оперения выполнены в виде упругих пластин, передняя кромка которых имеет форму арки и снабжена отверстиями под лонжероны.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются наличие ступицы и лопасти, выполненные в виде парусных оперений, лонжероны (в заявляемом - спицы), трос.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является отсутствие возможности эффективно осуществить снижение ветровой нагрузки на лопасти при порывах ветра.
В качестве прототипа принимаем ветроколесо (см. патент №2249720, F03D 1/00, БИ №10 (IV ч.), 2005 г.), содержащее ступицу и лопасти, выполненные в виде парусных оперений, имеющих трубчатый лонжерон, лопасти выполнены в виде оболочечного двухслойного скрепленного по периметру равнобедренного треугольника, вершина которого закреплена у ступицы, а основание снабжено натяжной планкой, которая шарнирно соединена с балансиром, балансир шарнирно установлен на внешнем конце трубчатого лонжерона и соединен с натяжной тягой.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками, являются наличие ступицы и лопасти, выполненные в виде парусных оперений, имеющих трубчатый лонжерон (в заявляемом - спицы), лопасти выполнены в виде треугольника, вершина которого закреплена у ступицы, а основание соединено с натяжной тягой.
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является отсутствие возможности эффективно осуществить снижение ветровой нагрузки на лопасти при порывах ветра.
Задачей предложенного изобретения является повышение надежности функционирования ветроколеса при резком изменении ветровой нагрузки, возникающей при порывах ветра.
Для достижения технического результата в трубчатых спицах размещены упругие элементы состоящие, по крайней мере, из двух частей с разным модулем упругости, взаимодействующие со штоком, связанным с натяжной тягой, которая пропущена через ролик со скобой, установленные в серьге, которая шарнирно размещена в гайке, смонтированной на верхней части спицы.
Предлагаемое ветроколесо поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
Ветроколесо содержит ступицу 1 с трубчатыми спицами 2, на которых закреплены лопасти 3 в виде треугольника, которые выполнены в виде парусных оперений, вершина их размещена у ступицы 1, а основание 4 соединено с натяжной тягой 5, в трубчатых спицах 2 размещены упругие элементы 6, состоящие, по крайней мере, из двух частей с разным модулем упругости, взаимодействующие со штоком 7, связанным с натяжной тягой 5, которая пропущена через ролик 8 со скобой 9, установленные в серьге 10, которая шарнирно размещена в гайке 11, смонтированной на верхней части спицы 2.
Ветроколесо работает следующим образом: на закрепленных на ступице 1 трубчатых спицах 2 закреплены лопасти 3 в виде треугольника, которые выполнены в виде парусных оперений, вершина их размещена у ступицы 1, а на основании 4 (трос, цепь или многозвенный шарнир, плоская пружина) неподвижно закреплено парусное оперение. Основание связано с упругим элементом 6 посредством натяжной тяги 5, например посредством карабина (не показано). В трубчатых спицах 2 размещены упругие элементы 6, состоящие, по крайней мере, из двух частей с разным модулем упругости, взаимодействующие со штоком 7, связанным с натяжной тягой 5, которая пропущена через ролик 8 со скобой 9, установленные в серьге 10, которая шарнирно размещена в гайке 11, смонтированной на верхней части спицы 2. При изменении ветровой нагрузки, возникающей при порывах ветра, шток 7 сжимает первую часть упругого элемента 6, например, выполненного в виде двух пружин, следующим образом: внутри одной пружины, большего диаметра смонтирован стакан, в котором размещена другая пружина - меньшего диаметра, взаимодействующая со штоком 7. При порывах ветра сжимается пружина меньшего диаметра, лопасти 3 деформируются (прогибаются) и ветровая нагрузка уменьшается. Вторая часть упругого элемента 6 - пружина большего диаметра, предназначена для уменьшения ветровой нагрузки при сильном ветре и предназначена для уменьшения вероятности разрыва парусных оперений и деформации спиц, в этом случае работает большая пружина. При ослаблении ветровой нагрузки под воздействием упругого элемента 6 лопасти 3 приобретают первоначальную форму. При этом установка ролика 8 со скобой 9 в серьге 10, которая шарнирно размещена в гайке 11, смонтированной на верхней части спицы 2, исключает возможность спадания натяжной тяги 5 при эксплуатации. Дополнительно на тяге 5 закреплены ограничители хода, и скоба 9 является и упором хода тяги 5 под воздействием упругого элемента 6.
Предложенная конструкция позволяет произвести расчет и выбрать упругий элемент 6 в широком диапазоне в зависимости от условий эксплуатации, а также имеется возможность легкой его замены, например, с учетом сезонных изменений ветра.
Принцип действия основывается на преобразовании энергии воздушного потока в полезную электроэнергию, пригодную для использования потребителем. Под действием воздушного потока ветроколесо приводит во вращение вал генератора (не показано), который вырабатывает переменный трехфазный электрический ток.
Предлагаемое изобретение способствует использованию ветроколеса в ветроэнергетических установках, обладающих способностью работать в условиях слабых воздушных потоков (малых ветров), предназначенных для снабжения электроэнергией потребителей. Предлагаемая конструкция позволяет обеспечить безопасность от поломок при внезапных резких порывах ветра. Возможно использование в фермерских хозяйствах, а также на объектах промышленности и связи, где необходимо бесперебойное энергоснабжение.
При использовании предложенного ветроколеса парусного типа ветродвигатель представляет собой низкооборотное, бесшумное устройство со способностью круглосуточно вырабатывать энергию благодаря хорошо развитым рабочим органам - парусам. Обеспечивает работу автономно (когда промышленная электросеть отсутствует полностью) для обеспечения энергией потребителя при наличии ветра. Дополнительно обладает экологической чистотой, экологической безопасностью для животных, обитающих в воздушном пространстве, поскольку при столкновении позволяет избежать их гибели и травм, что характерно для жестких оперений.