ПРЕЦЕССИРУЮЩИЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ВАЛА
PRECESSING VERTICAL SHAFT WINDMILL

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для превращения энергии ветра, искусственно созданных потоков воздуха или газов, которые имеют вертикальную составляющую по отношению к поверхности земли, а также гравитационной энергии в механическую энергию. Решение может быть применено в ветроэнергетических установках.
Известна ветроустановка с роторами Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде цилиндров с торцевыми дисками, приводы для вращения цилиндров и электрогенератор, причем приводы выполнены в виде роторов типа Савониуса, которые установлены на осях вращения цилиндров и жестко связаны с ними (см. патент на изобретение РФ №2189494, МПК F03D 1/00).
Наиболее близким к заявляемому решению является ветродвигатель с двумя степенями свободы, содержащий горизонтальный рабочий вал, жестко соединенный под углом 90° с валом ротора, на котором свободно вращается вингротор (ротор Савониуса), снабженный с торцов концевыми шайбами. Движение рабочего вала осуществляется за счет аэродинамической силы Магнуса, действующей на ротор (Б.Н.Кондрашов, В.Г.Медокс, Е.Б.Бычкунова "О некоторых аэродинамических демонстрациях в курсе общей физики"; Б.Н.Кондрашов, И.Ю.Антонов "Роторный ветродвигатель с двумя пересекающимися осями вращения (исследовательская модель обучения)", Межвузовский научный сборник. Вопросы прикладной физики, СГУ, Вып.5, 1999, с.23-26).
Недостатком известных ветродвигателей с двумя пересекающимися осями является чрезвычайно низкое значение аэродинамического качества самовращающихся роторов (в том числе и роторов Савониуса) по сравнению с лопастными ветродвигателями, что не позволяет им конкурировать с традиционными лопастными ветродвигателями, имеющими высокое аэродинамическое качество.
Задачей изобретения является разработка прецессирующего ветродвигателя с вертикально расположенным рабочим валом, имеющего три степени свободы.
Технический результат заключается в повышении эффективности ветродвигателя за счет использования гироскопических сил прецессии при одновременном использовании аэродинамических сил и сил тяжести, действующих на рабочее колесо.
Поставленная задача достигается тем, что в ветродвигатель, содержащий рабочее колесо, представляющее собой систему из свободно вращающихся роторов, расположенных на валу, который соединен с рабочим валом, согласно решению рабочий вал расположен вертикально, а ветродвигатель содержит элемент для обеспечения третьей степени свободы, скрепленный с валом каждого ротора и с рабочим валом и обеспечивающий возможность поворачивать ось вала ротора относительно оси рабочего вала, в плоскости, проходящей через ось рабочего вала.
Элемент выполнен упругим в виде рессоры, жестко скрепленной с рабочим валом и валом ротора, имеющей ограничитель перемещения рессоры, вдоль плоскости, проходящей через ось рабочего вала, и исключает поворот вокруг оси рабочего вала.
Элемент выполнен в виде коромысла, выполненного с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной оси рабочего вала и оси роторов, при этом коромысло опирается на ограничитель перемещений в виде скобы, жестко соединенной с подпружиненной втулкой со шлицевым или шпоночным соединением, расположенной на рабочем валу.
В ветродвигатель введен механизм регулировки внешней силы, содержащий внутренний шлицевой вал, расположенный внутри рабочего вала, выполненного пустотелым, шарнирное соединение шлицевого вала с коромыслами роторов, с силовым кольцом и механизмом обратной связи, при этом механизм обратной связи выполнен в виде сосуда с жидкостью и груза-поплавка, соединенного с шлицевым валом посредством шарнирного механизма. Шлицевой вал вращается вместе с рабочим валом и может перемещаться внутри рабочего вала вдоль его оси. Перемещение шлицевого вала ограничено сквозными пазами рабочего вала.
Вал ротора жестко скреплен с ротором, ветродвигатель содержит закрепленную на коромысле П-образную раму жесткости, снабженную подшипниками для обеспечения возможности совместного вращения вала ротора и ротора.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид ветродвигателя (сбоку), на фиг.2 - ветродвигатель с дополнительной (третьей) осью и рамами жесткости, на фиг.3 - ветродвигатель с регулятором внешней силы, на фиг.4 - разрез силовой втулки с силовым кольцом, на фиг.5 - сечение силового кольца в плоскости А-А, где
1) самовращающийся ротор, например вингротор Савониуса;
2) вал ротора;
3) рабочий вал;
4) элемент для обеспечения третьей степени свободы;
5) опорный элемент рабочего вала (подпятник);
6) тяговая труба;
7) подшипники;
8) ограничитель поворота упругого элемента, рессора;
9) коромысло;
10) тормозной механизм;
11) бобышка;
12) дополнительная ось;
13) рама жесткости;
14) втулка со шлицевым или шпоночным соединением;
15) пружина;
16) стопорное кольцо;
17) шарнирный механизм с вилкой зацепления;
18) груз-поплавок;
19) сосуд с жидкостью;
20) выпускной кран;
21) шлицевой вал;
22) шарнир;
23) силовое кольцо;
24) шлицы;
25) пальцы силового кольца;
26) втулка силового кольца.
Устройство содержит рабочее колесо, которое может состоять из одного или нескольких роторов 1 с концевыми аэродинамическими шайбами, радиально расположенных по отношению к рабочему валу 3, свободно вращающихся на валу ротора 2, соединенного с рабочим валом 3 посредством элемента для обеспечения третьей степени свободы (например, рессоры или коромысла) 4. С рабочим валом 3 жестко соединен ограничитель поворота элемента 8, ограничивающий перемещение элемента 4 в направлении оси рабочего вала 3 от 90° между осями рабочего вала 3 и осью валов роторов 2 до 2-5° в сторону нижнего конца рабочего вала 3 и полностью ограничивающий осевое (вокруг оси рабочего вала 3) перемещение элемента 4, а вместе с ним и вала роторов 2. Рабочий вал 3 вращается в подшипниках 7, опираясь на опорный элемент рабочего вала (подпятник) 5. Рабочий вал 3, с которого можно снимать полезную мощность, снабжен тормозным механизмом 10, расположенным в нижней части рабочего вала 3.
Таким образом, роторы представляют собой систему с тремя степенями свободы (вращение вокруг собственной оси роторов 2, вращение вокруг рабочего вала 3 и поворот вдоль оси рабочего вала 3 на ограниченный угол).
Поскольку на ротор всегда действует равнодействующая силы тяжести и силы лобового давления, то если первая больше второй, вращающийся ротор будет прецессировать вокруг оси рабочего вала 3. Кроме того, на вращающийся ротор действует аэродинамическая сила (сила Магнуса), действующая в том же направлении, что и прецессия.
Ветродвигатель работает следующим образом: поток газа (воздуха), движущийся снизу вверх в трубе 6, раскручивает роторы Савониуса 1, при этом рабочий вал 3 заторможен тормозным механизмом 10. Валы роторов 2 под действием силы тяжести за счет элементов 4 отклонены на небольшой угол (1-2°) вниз от горизонтального положения. При достижении роторами 1 заданной скорости вращения рабочий вал 3 растормаживается тормозным механизмом 10.
Под действием силы Магнуса и гироскопической силы, возникающей при действии на ротор, как раскрученный маховик, равнодействующая сил тяжести и сил лобового давления направлена вниз, в результате чего начинается вращение - прецессия роторов 1 вокруг рабочего вала 3. Силы Магнуса и прецессии направлены в одну сторону и дополняют друг друга. При увеличении нагрузки на рабочий вал 3 увеличивается угол между валом роторов 2 и рабочим валом 3, величина которого ограничена ограничителем 8. При дальнейшем увеличении нагрузки давление от роторов 1 через элемент 4 и ограничитель 8 передается на рабочий вал 3 и опорный элемент рабочего вала 5.
В варианте выполнения ветродвигателя, представленном на фиг.2, введена дополнительная ось 12, расположенная в бобышке 11, перпендикулярная оси вала роторов 2 и оси рабочего вала 3, вокруг которой в направлении оси рабочего вала 3 поворачивается элемент для обеспечения третьей степени свободы, выполненный в виде коромысла 9. Коромысло 9 жестко связано с валом роторов 2 и опирается на ограничитель 8 поворота коромысла. Коромысло жестко связано с подпружиненной втулкой со шлицевым или шпоночным соединением 14, осевое движение которой вдоль оси рабочего вала 3 ограничивается и регулируется стопорным кольцом 16. Дополнительная ось 12 обеспечивает третью степень свободы ротору 1. Ветродвигатель содержит закрепленную на коромысле П-образную раму жесткости 13, снабженную подшипниками 7 для обеспечения возможности совместного вращения вала ротора 2 и ротора 1, при этом вал ротора 2 жестко скреплен с ротором 1.
На фиг.3 ветродвигатель снабжен механизмом изменения внешней силы, действующей на ротор 1. Механизм состоит из шлицевого вала 21, который может перемещаться внутри пустотелого рабочего вала 3 вдоль пазов, прорезанных в рабочем вале 3. Внутренний шлицевой вал 21 может вращаться заодно с рабочим валом 3. В верхней части шлицевого вала 21 шлицы 24 через шарниры 22 соединены с коромыслом 9. В нижнем конце шлицевого вала 21 расположена втулка силового кольца 26 с силовым кольцом 23. Шарнирный механизм с вилкой зацепления 17 через пальцы силового кольца 25 связан с грузом-поплавком 18, расположенным в сосуде с жидкостью 19, имеющем выпускной кран 20.
Следует отметить, что при использовании одного ротора устройство содержит противовес. При наличии трех и более роторов дополнительные оси могут располагаться одна над другой, так чтобы все оси пересекались в одной точке. При наличии механизма внешней силы, имеющего обратную связь, компенсирующую возможные колебания ротора вдоль оси рабочего вала, допустимо смещение дополнительных осей по отношению к оси рабочего вала в радиальном направлении.
Предложенный ветродвигатель, в отличие от известных решений, имеет три степени свободы ротора, что определяет его особенности: одновременное использование и аэродинамической силы - силы Магнуса, и гироскопической силы - прецессии, благодаря вертикальному расположению рабочего вала. Ветродвигатель данной конструкции является тихоходным (малооборотным) с большим крутящим моментом. Причем число оборотов рабочего вала практически не зависит от числа роторов. При увеличении числа роторов увеличивается только крутящий момент.
Горизонтальное расположение вала роторов позволяет избежать колебаний роторов, входящих в рабочее колесо в направлении оси рабочего вала, вызванных гироскопическими силами.