Роторный ветродвигатель
ROTARY WIND TURBINE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть применено для увеличения используемой площади поперечного сечения приземного воздушного потока с целью преобразования его кинетической энергии в механическую энергию вращающегося вала роторного ветродвигателя и использования этой энергии для привода электрогенератора, или же напрямую для привода водяного насоса, дробилки и других механизмов.
Уровень техники
Известен роторный ветродвигатель "Джумбо", установленный между двумя двускатными крышами, которые одновременно являются для него и направителями воздушного потока на его рабочие лопасти (см. Машиностроение, энциклопедический справочник, раздел четвертый, конструирование машин, том 12, " государственное научно-техническое издательство машиностроительный литературы". Москва - 1949. с. 211, рис. 6.
Недостатком роторного ветродвигателя "Джумбо" является неудобство его монтажа и применения, связанное с использованием направителей воздушного потока в виде крыш домов, поэтому, используя этот тип ветродвигателя, пошли по пути усовершенствования, как конструкции ротора, так и направителей воздушного потока.
Известен ротор ветродвигателя с горизонтальной осью вращения, содержащий радиальные цилиндры, установленные с возможностью их вращения вокруг своих осей, расположенных в одной плоскости (см. Авторское свидетельство на изобретение СССР №1663225 А1 F03D 1/00, Ротор ветродвигателя с горизонтальной осью вращения. Публикация 15.07.91, Бюл. №26).
Данный ветродвигатель использует эффект Магнуса, возникающий на вращающихся цилиндрах.
Недостатком данного ветродвигателя является отсутствие направителя, концентрирующего воздушный поток на вращающиеся цилиндры, наличие которого увеличивало бы эффект Магнуса.
Известен ветряной двигатель барабанного типа, содержащий два или несколько рядов барабанов, расположенных один за другим так, что действию ветра подвергается только верхняя половина барабана, для чего барабаны устанавливаются на наклонной крыше в наклонном положении таким образом, что ниже лежащие барабаны закрывают нижние части выше расположенных барабанов (см. Патент на изобретение СССР №6393 класс 88 с. 304 Ветряной двигатель барабанного типа, заявленный 05.07.1926, заявл. свид. №8856).
Недостатком данного ветряного двигателя является то, что барабаны установленные таким образом, не исключают прохождения потока воздуха к нижним лопастям каждого из них, который оказывает на них давление, что снижает эффективность работы ветродвигателя. Поворачивать на направление ветра всю конструкцию сложно. Поэтому данный ветряной двигатель будет использовать ветер только с одного направления.
Известен роторный ветродвигатель с кольцевым концентратором воздушного потока, содержащий опорную ферму, разделенную на отдельные секции, соответственно установленному количеству роторов, в секциях установлены верхние и нижние опорные площадки, на которых укреплены корпуса с подшипниками, в которые установлены концы валов роторов, соединенные между собой гибкой связью, а вокруг роторов установлен кольцевой концентратор воздушного потока (см. Патент на изобретение РФ №257356 С1 Роторный ветродвигатель с кольцевым концентратором воздушного потока. Публикация 10.01.2016 Бюл. №1).
Недостатком данного роторного ветродвигателя является следующая закономерность. Увеличение диаметра роторного ветродвигателя приводит к снижению его быстроходности, поскольку линейная скорость внешней кромки лопасти роторного ветродвигателя не может быть больше скорости ветра. Максимальная мощность роторного ветродвигателя достигается при линейной скорости кромки лопасти, равной 1/3 скорости воздуха. Следовательно, передаточное число мультипликатора должно быть увеличено, что снижает его коэффициент полезного действия. Увеличение количества роторов или их высоты увеличит высоту роторного ветродвигателя с кольцевым концентратором воздушного потока и усложнит обеспечение устойчивости всей ветроэнергетической установки в целом.
Учитывая перечисленные особенности, очевидно, что использовать данный роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения вместе с кольцевым концентратором воздушного потока для увеличения площади поперечного сечения приземного воздушного потока, является не эффективным. Следовательно, необходимо учесть положительные конструктивные особенности роторного ветродвигателя с кольцевым концентратором воздушного потока, а именно: возможность устанавливать вал ротора, по концам в своих опорах, сохранив его быстроходность; использовать концентрацию воздушного потока на лопасти роторов, то есть необходимо реконструировать ферму, обеспечивающую установку в ней ротора с горизонтальной осью вращения с соответствующим концентратором воздушного потока.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту и принятый авторами за прототип является роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения, который состоит из опорной фермы, жестко соединенных с ней опорных верхней и нижней площадок с установленными на них корпусами с подшипниками, в которых крепятся концы вала ротора, лопасти которого выполнены в виде части полого цилиндра (см. Патент на изобретение РФ №2263815 C1 F03D 3/00 роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения. Публикация 10.11.2005, Бюл. №31).Если вал вращения роторного ветродвигателя вместе с фермой представить в горизонтальном исполнении, то основные конструктивные элементы роторного ветродвигателя с вертикальным валом вращения, такие как конструктивно измененная ферма, в виде станицы с опорными площадками и корпусами с подшипниками, ротором с валом, закрепленным концами в подшипниках, будут соответствовать роторному ветродвигателю с вертикальным валом вращения.
Недостатком роторного ветродвигателя с вертикальным валом вращения, взятого за прототип в горизонтальном положении вала вращения является: ограниченность использования приземного ветрового потока ро его поперечному сечению; отсутствие направителя приземного воздушного потока на лопасти.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка роторного ветродвигателя с горизонтальным валом вращения и регулируемым направителем воздушного потока, позволяющим увеличить используемую площадь поперечного сечения приземного воздушного потока за счет установки направителя воздушного потока, направляющего его на вогнутую поверхность рабочих лопастей, а также обеспечить конструктивную возможность соединения аналогичных роторных ветродвигателей с горизонтальным валом вращения между собой посредством эластичных соединений для образования установки многороторного типа, что даст увеличение используемой энергии приземного воздушного потока.
Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к повышению мощности ветродвигателя, а также, возможности соединять несколько аналогичных роторных ветродвигателей соответствующими концами своих валов посредством эластичной муфты с образованием из них ряда, расположенного поперек приземного воздушного потока для преобразования его кинетической энергии в механическую энергию вращающегося вала, которая может быть использована для привода рабочих механизмов.
Технический результат достигается с помощью роторного ветродвигателя, содержащего ротор, рабочими органами которого являются рабочие лопасти, выполненные в виде части полого цилиндра, закрепленные на валу, опирающемуся на подшипники, установленные в подшипниковых корпусах, укрепленных на стойках опорной рамы, при этом на одном конце вала за стойкой установлен приводной шкив, а второй конец вала за другой стойкой является свободным, при этом вал установлен горизонтально, а на валу между стойкой и ротором с каждой его стороны дополнительно установлены подшипники в подшипниковых корпусах и направляющие пластины, снабженные отверстиями для прохождения вала, при этом к пластинам прикреплены подшипниковые корпуса и лучи, имеющими длину больше, чем радиус поверхности вращения рабочих лопастей ротора, причем направляющие пластины воздушного потока на рабочие лопасти закреплены наклонно между соответствующими лучами, расположенными по обе стороны ротора, вне его радиуса поверхности вращения и образующие в совокупности с лучами регулируемый направитель воздушного потока с возможностью поворота его вокруг вала ротора и фиксации в необходимых положениях с помощью фиксаторов, укрепленных на стойках опорной рамы, при этом на свободном конце горизонтального вала дополнительно установлена эластичная муфта, с возможностью подсоединения к нему соответствующего конца вала другого аналогичного роторного ветродвигателя.
В роторе, лучи выполнены в виде металлических стержней.
Таким образом, роторные ветродвигатели, установленные поперек воздушного потока, и имеющие горизонтальную ось вращения называют барабанными. Они устанавливаются в ветровых коридорах, в которых ветер периодически меняет свое направление на 180° и работают, используя кинетическую энергию ветра в приземном пространстве, которая бывает значительной за счет увеличенной скорости воздушного потока в ветровом коридоре. Перед барабанными ветродвигателями устанавливаются направители для направления воздушного потока на его рабочие лопасти!
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 дан роторный ветродвигатель с указанием размещения позиций узлов и деталей на горизонтальном валу и опорной раме, общий вид.
На фиг. 2, тоже, вид роторного ветродвигателя со стороны приводного шкива, находящегося на горизонтальном валу, на котором обозначены позиции' узлов и деталей, зафиксированное положение регулируемого направителя, когда приземный воздушный поток направлен на роторный ветродвигатель слева, а также обозначена гипотетическая схема взаимодействия приземного воздушного потока с рабочими лопастями ротора и направите л ем.
На фиг. 3, тоже, вид роторного ветродвигателя со стороны приводного шкива, находящегося на горизонтальном валу с обозначением позиций и деталей, зафиксированным положением регулируемого направителя, когда приземный воздушный поток направлен на роторный ветродвигатель справа, а также обозначена гипотетическая схема взаимодействия приземного воздушного потока с лопастями ротора и направителем.
Осуществление изобретения
Роторный ветродвигатель состоит: из вала 1, установленного горизонтально, рабочими органами которого являются закрепленные на нем рабочие лопасти 2, конструктивно представляющими собой в совокупности ротор 3, при этом вал 1, установленный горизонтально, расположен в подшипниках 4, закрепленных в подшипниковых корпусах 5, которые закреплены на стойках 6 опорной рамы 7, при этом между стойками 6 и рабочими лопастями 2 с каждой стороны ротора 3 на горизонтальном валу 1 дополнительно установлены подшипники 8 в подшипниковых корпусах 9, а также направляющие пластины 10 с отверстиями для прохождения вала 1, к которым крепятся подшипниковые корпуса 9 и лучи 11, например, в виде металлических стержней, которые по своей длине больше, чем радиус 12, поверхности вращения рабочих лопастей 2, при этом между соответствующими лучами 11, находящимися по обе стороны ротора 3 на длине больше радиуса 12 укреплены наклонно направляющие пластины 13 направляющие воздушный поток на рабочие лопасти 2 и образующие в совокупности регулируемый направитель 14 воздушного потока с возможностью поворота его вокруг горизонтального вала 1 и фиксации в нужном положении с помощью фиксаторов 15, укрепленных настойках 6 опорной рамы 7, причем на одном конце горизонтального вала 1 установлена эластичная муфта 16, позволяющая подсоединять к нему соответствующий конец горизонтального вала ротора другого аналогичного роторного ветродвигателя. На другом конце вала 1 установлен приводной шкив 17, соединенный ременной передачей 18 со шкивом 19 рабочего механизма 20. Ротор 3 вращается за счет давления на поверхности рабочих лопастей 2 воздушного потока складывающегося из пяти частей 21, 22, 23, 24 и 25.
Роторный ветродвигатель, выполненный с регулируемым направителем приземного воздушного потока работает следующим образом:
Роторный ветродвигатель, выполненный с регулируемым направителем, рабочими органами которого являются рабочие лопасти 2, выполненные в виде части полого цилиндра, закрепленные на горизонтальном валу 1, установленный поперек приземного воздушного потока, работает за счет разности давлений, воздействующих на выпуклую и вогнутую поверхности рабочих лопастей 2. При наличии регулируемого направителя 14 воздушного потока происходит увеличение используемой площади поперечного сечения приземного воздушного потока 21 и направление его на вогнутую поверхность рабочей лопасти 2 следующим образом. При воздействии воздушного потока 21 на ветродвигатель слева (см. фиг. 2) происходит одновременное воздействие его части 22 на вогнутую поверхность рабочей лопасти 2, создающий вращающий момент на валу 1. Это воздействие усиливается за счет другой части 23 воздушного потока 21, сходящей с наклонной пластины 13, а также частью 24 воздушного потока 21, сбегающего с выпуклой поверхности последующей рабочей лопасти 2. Часть 25 воздушного потока 21, захватываемая второй наклонной пластиной 13, сбегает с нее, нейтрализуя разряжение, образующееся за вращающейся последующей рабочей лопастью 2, и далее, обтекая выпуклую поверхность третьей рабочей лопасти 2, образует на ней подъемную силу, увеличивающую крутящий момент на горизонтальном валу 1. Чтобы обеспечить наиболее эффективное использование кинетической энергии воздушного потока 21, регулируемый направитель14 фиксируется фиксатором 15 в положении, обеспечивающем наибольшее количество оборотов горизонтального вала 1. При воздействии ветрового потока 21 на роторный ветродвигатель слева, третья пластина 13 остается бездействующей. При воздействии воздушного потока 21 на роторный ветродвигатель справа (см. фиг. 3) регулируемый направитель воздушного потока 14 переводится в положение, обеспечивающее наибольшее количество оборотов горизонтального вала 1, и фиксируется фиксатором 15 в этом положении. При необходимости увеличения потребляемой мощности энергопотребителем к концу горизонтального вала 1 посредством эластичной муфты 16 может быть подсоединен горизонтальный вал аналогичного ветродвигателя или нескольких ветродвигателей, перекрывающих приземный воздушный поток, для преобразования его кинетической энергии в механическую энергию вращающегося вала.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- увеличение используемой площади поперечного сечения приземного воздушного потока за счет установки направителя воздушного потока, направляющего его на вогнутую поверхность рабочих лопастей;
- регулирование воздушного потока с помощью направителя воздушного потока;
- обеспечение конструктивной возможности соединения аналогичных роторных ветродвигателей с горизонтальным валом вращения между собой посредством эластичных соединений, в виде муфты, для образования установки многороторного типа, что даст увеличение используемой энергии приземного воздушного потока.