Регулируемый ветродвигатель
ADJUSTABLE WIND TURBINE

Изобретение относится к ветроустановкам. Регулируемый ветродвигатель для получения энергии с использованием ветрового напора может найти применение в фермерских хозяйствах для решения энергетических проблем.
Известны установки для получения энергии от ветровых потоков воздуха, например, (А да Роза "Возобновляемые источники энергии".  Физико-технические основы.  Учебное пособие пер. с англ. Долгопрудный. Изд. дом "Интеллект" М. Изд. дом МЭИ. 2010, 704с., рис 13.2, 13.3, стр. 627) или ветротурбины, использующие подъемную силу (там же, рис. 13.4, стр 628).  Недостатки таких устройств является низкий КПД и для получения больших мощностей делают ветротурбины значительных габаритов (90м и более в диаметре). В силу этого возникают дополнительные проблемы. Во-первых, масса ротора значительно возрастает и для приведения его во вращение требуется значительное начальная скорость ветра.  Во-вторых, большие линейные размеры лопастей создают ограничение числа оборотов исходя из прочностных характеристик материала лопастей.
Возникает и серьезные экологические проблемы - аэродинамический шум и массовая гибель птиц из-за столкновения с лопастями. Известно устройство («комбинированный ветродвигатель», патент на полезную модель №136100, бюл. №36 от 27.12.2013) в котором используется несколько принципов преобразования ветрового напора. На вертикальной оси установлен ротор Савониуса, выше него находится коническая лопастное колесо, далее установлен воздушный винт, а на самом верху ротора расположен аэродинамический пропеллер, имеющий возможность ориентирования своих лопастей при попутном и встречном направлении вращения относительно воздушного потока.  Недостатки этого устройства в низком коэффициенте полезного действия (КПД), т.к.  значительная часть воздушного потока пройдя через ротор Савониуса и обладая определенной кинетической энергии, не поворачивается вверх по оси ротора, а уходит из аппарата через лопасти с подветренной стороны.  Кроме того, верхний аэродинамический пропеллер, при большом числе оборотов ротора может разрушаться за счёт большого размаха плеч до лопастей.
Для увеличения КПД за счет более полного использования кинетической энергии воздушного потока разработано устройство ("Комбинированные регулируемый ветродвигатель" патент на полезную модель №181671, бюл. №21 от 26. 07. 2018г.) в котором для увеличения КПД используют заслонки для исключения потерь воздуха из ротора Савониуса с подветренной стороны.  Заслонки управляется системой гидроцилиндров и зубчато-шестеренчатой передачей от верхнего флюгера.  Данное устройство принято нами за прототип. Недостатки прототипа следующая. Механизм управления заслонками, включающий систему гидроцилиндров и зубчато-шестеренчатые передачи очень сложен и требуют значительных затрат энергии.  Во-вторых, общая масса ротора достаточно большая и для приведения её во вращение необходим стартовый импульс.  Для повышения КПД  ветроустановки и упрощения системы управления заслонками, предложен регулируемый ветродвигатель, содержащий на вертикальном валу ветроколесо в виде ротора Савониуса с расположенными по его окружности неподвижными конфузорными  соплами, коническое  лопастное  колесо над ротором Савониуса, аэродинамический пропеллер над ним и радиальная штанга с лопастями, при этом вертикальный вал с ветроколесом выполнен полым с неподвижной осью внутри, а вертикальный вал состоит из двух частей с разъёмом в виде торцевого храпового соединения, оборудованных ограничителем числа оборотов  в верхней части  вала расположена пустотелая раздвижная штанга с чашечными лопастями по концам штанги.
1
2
Ограничитель числа оборотов содержит диск с ограничителями, закреплённый на нижней части разъёмного вала и конус, закреплённый на верхней части разъемного вала, а между диском и конусом расположены шарики, при этом, пустотелая раздвижная штанга внутри имеет подвижные грузило с пружиной.  На нижней части разъемного вала между ротором Савониуса и коническим лопастным колесом расположены наклонные лопасти, а вокруг неподвижных конфузорных сопел расположен поворотный кожух в виде цилиндра с открытой боковой образующей на / боковой поверхности и имеющий вертикальный аэродинамический экран, расположенный диаметрально противоположно открытой боковой поверхности.
Предложенный регулируемый ветродвигатель представлен на фиг. 1-6.
Здесь: фиг.1 – общий вид устройства,
фиг.2 – поперечное сечение устройства,
фиг.3 – раздвижная штанга,
фиг.4 – ограничитель числа оборотов с аэродинамическим пропеллером,
фиг.5 – вид торцеврого храпового соединения,
фиг.6 – наклонные лопасти.
Предложенный регулируемый ветродвигатель представляет собой ветроустановку с вертикальной осью 13, укреплённый неподвижно на фундаменте 25. На оси установлен подвижный вал, состоящий из двух частей: нижней части вала 5 и верхний части вала 9, которые соединены зубцами храпового механизма верхней части вала 28 и зубцами храпового механизма нижней части вала 29.  На нижней части вала 5 установлен ротор Савониуса 1 с платформой 27, вращающийся на поворотных роликах 23 находящийся в обойме 30.
Над ротором Савониуса 1, на валу 5 установлены наклонные лопасти 22.  Выше лопастей 22 установлена перемычка 4, которая крепится к основному кожуху 19, а центре имеет узел качения. Над перемычкой располагается коническое лопастное колесо 18, а над ним находятся на валу 5 аэродинамические пропеллер 17.  Перед ротором Савониуса 1 на фундаменте 25 расположен силовой каркас 2 к которому крепятся конфузорные сопла 3.  К силовому каркасу 2 крепится основной кожух 19, закрывающий боковые поверхности конического лопастного колеса 18 и аэродинамического пропеллера 17.  Над пропеллером 17, на нижней части вала 5 находится основание ограничитель числа оборотов 6, a сам вал 5 оканчивается набором храповых зубьев 29.  Основание ограничителя числа оборотов 6 выполнена в виде диска с боковыми ограничителями по наружному диаметру.  Выше вала 5 начинается верхняя часть вала 6, на котором установлен верхний диск ограничителя 8.  Вал 6 имеет храповые зубцы 28, соответствующие зубцам 29.  Между основанием 6 и диском 8 образовано пространство, в котором находятся шарики ограничителя 7 причём диск 8 выполнен наклонным, чтобы пространство между основанием 6 и диском 8 было суживающимся с увеличением диаметра.
Эффект сужения междискового расстояния между элементами 6 и 8 может достигаться и выполнением наклонными или их вместе, иди только одного из них.  Выше диска ограничителя 8 на валу 9 расположена пустотелая штанга 15, внутри которой имеется выдвижной шток 11, на одном конце которого, внутри штанги 15 закреплен подвижный груз 12, а на другом конце - чашка 10.  Груз 12 внутри штанги 15 соединен с пружинной 16.  Выше штанги 15 на оси 13 имеется ограничитель 14.  Нижняя часть вала 5 имеет узел передачи мощности потребителем 24 в любом виде-шестерня, ременная или зубчатая передача. Вся нижняя часть устройства, включая ротор Савониуса 1, силовой каркас 2, конфузорные сопла 3 заключены в поворотный кожух 20, который опирается на ролики 26 и имеет аэродинамические экран 21.  Поворотный кожух 20 имеет окна на боковой поверхности цилиндра, составляющие 1/2 всей боковой поверхности и аэродинамический экран расположен диаметрально противоположно открытым окнам.
Регулируемый ветродвигатель работает следующим образом. Набегающий поток воздуха обдувает всю установку, и значительная часть его попадает в окна поворотного кожуха 20 затекая в конфузорные сопла 3 поток воздуха увеличивает свою скорость и начинает оказывать давление на лопасти ротора Савониуса 1.  Ротор Савониуса 1 начинает вращаться и вместе с ним начинает вращаться платформа ротора 27 на поворотах роликах 23, расположенных в обойме 30.  Вращение платформы 27 приводит во вращение нижнюю часть вала 5 и связанную с ним через зубцы храповое соединение 28 и 29 верхнюю часть вала 9.  Поток воздуха, прошедший через ротор Савониуса весь, устремляется вверх, так как подветренная сторона ротора закрыта задней частью (по отношению к направлению ветра) поворотного кожуха 20.  Поднимающийся поток воздуха получает дополнительную подкрутку на наклонных лопастях 22 и начинает воздействовать на лопасти конического лопастного колеса 18.
Форма конического лопастного колеса 18 создаёт конфузорность и обеспечивает увеличение скорости потока воздуха на выходе.  Поток воздуха с увеличенной скоростью протекает на аэродинамические пропеллер 17, который вращаясь добавляет мощности валу 5, а кроме того, создает подъемную силу, которая разгружает давление массы устройства через платформу 27 на ролики 23 и уменьшает потери на трение.  Отдав свою энергию пропеллеру 17 поток воздуха ударяется в основание ограничителя числа оборотов 6 и уходит в окружающую среду, а ударные воздействие на диск 6 способствует дополнительной разгрузки всего ротора на ролики 23. Одновременно с валом 5 начинает вращаться вал 9, соединенный с нижней частью вала 5 зубцами храпового соединения 28 и 29.  Начинают вращаться элементы 6 и 8 и находящиеся между ними шарики 7. При вращении возникающая центробежная сила начинает отбрасывать шарики 7 дальше от центра вращения.  Движение шариков 7 от центральной части к периферийной будет вызывать подъём верхнего диска 8 и всего верхнего вала 9.
До определенного числа оборотов ротора зубцы 28и 29 находится в зацеплении и валы 5 и 9 вращаются как единое целое. При значительных ветровых напорах, когда скорость вращения сепаратора достигает критических расчетных величин шарики 7 отходит от центра вращения на такое расстояние что верхний диск ограничителя 8 поднимается настолько, что зубцы 28 поднимаясь, выходит из зацепления с зубцами 29. Весь вал 9 поднимается вверх по оси и упирается своим верхним торцом в ограничитель 14 и происходит торможение, останавливается и раздвижная штанга 15. Остановка вращения раздвижной штанги 15 обусловлено тем, что она выполняет важную роль в самом начале процесса вращения ротора в роли стартера. Дело в том, что вклад вращения чашечек 10 на штоках 11 в общей баланс мощности ветроустановки незначителен, но за счёт большого вылета плеч рычага от оси вращения до чашечек 10 - это устройство очень чувствительна к малым скоростям воздушного потока. Все элементы: штанга, шток, подвижные груз, пружина-выполняются из лёгких материалов и обладают малой прочностью к большим нагрузкам и большим скоростям вращения.
В начале процесса работы даже слабое вращение штанги 15 приводит к движению подвижного груза 12, который за счет центробежных сил преодолевает силу пружины 16 и передвигается внутри штанги 15 на больший диаметр. При движении груза 12 выдвигается шток 11 с расположенными над ним чашкой 10 и за счёт увеличения плеча увеличивается момент вращения и вращение всего ротора возрастает.  До какого-то предельного значения числа оборотов, допускаемого прочностными характеристиками штанги 15, штока 11 и чашки 10 весь ротор вместе с нижней частью 5 и верхней частью 9 вращается как единое целое, и передает мощность через узел 24 потребителю. Достигнув предельного расчетного числа оборотов, верхняя часть электроустановки отключается. Условия отключения: H≥h, где H - высота подъема верхней части вала 9, обусловленная взаимодействием элементов 6, 7, 8, a h -  расстояние между верхним торцом упала 9 и ограничителем 14 состоянии покоя. При отключении верхней части ротора подвижный груз 12 внутри штанги 15 притягивается пружиной 16, втягивая шток 11 вместе с чашкой 10, плечо от чашки 10 до центра вращения становится меньше и штанга останавливается под действием тормозящего эффекта торца верхней части вала 9 об ограничитель 14.
При изменении направления ветра воздушный напор оказывает давление на аэродинамический экран 21 и весь поворотный кожух 20 поворачивается в узле поворота на роликах 26 и окна кожуха 20 опять ставятся с наветренной стороны, обеспечивая максимальный вход воздушного потока.
Таким образом, применяя в предлагаемом устройстве несколько схем использования кинетической энергии воздушного потока в роторе Савониуса, коническом лопастном колесе, аэродинамическом пропеллере, исключая потери воздуха в роторе Савониуса, можно значительно увеличить кпд ветроустановки, снизить порог чувствительности к минимальной скорости ветра и исключить поломки элементов конструкции при критических скоростях ветра.