ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
WIND MOTOR

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии или выполнения механической работы. Также техническое решение может быть использовано в гидроэнергетике для преобразования энергии потока воды в электрическую энергию или механическую работу.
Известны различные конструкции ветродвигателей, содержащих вертикальный вал, закрепленный в подшипниках, и связанные с ним лопасти.
Известно техническое решение «Ветродвигатель», Россия, класс F03D 3/06, заявка №2001134328/06, публикация 2211947. Устройство содержит вертикальный вал, закрепленный в подшипниках, 2 прямоугольные лопасти, способные вращаться вокруг своих осей. Оси лопастей параллельны оси вала. Угловая скорость вращения лопастей в 2 раза меньше угловой скорости вращения вала, и в сторону, противоположную вращению вала. Каждая лопасть по бокам имеет 2 одинаковых закрылка. Закрылки способны ограниченно поворачиваться вокруг оси вращения лопасти, на угол предпочтительно +30 град., относительно плоскости лопасти под воздействием кинематически связанного с закрылками через шатуны эксцентрика, закрепленного на водиле соосно с осью вращения лопасти с эксцентриситетом, направленным вдоль водила.
Основными недостатками этого технического решения являются наличие большого числа шарнирных соединений, усложняющих конструкцию ветродвигателя и снижающих его надежность, а также наличие кинематической связи между закрылками через шатуны эксцентрика с лопастями.
Известно также техническое решение «Ветродвигатель», Россия, класс F03D 3/00, заявка №2001118961/06, публикация 2235901. Устройство содержит вертикальный вал, закрепленный в подшипниках, 2 прямоугольные лопасти, способные вращаться вокруг своих осей. Лопасти выполнены профилированными. Ось вращения каждой лопасти смещена от центра тяжести каждой лопасти и фокуса аэродинамического профиля в сторону его носка. Лопасти закреплены с возможностью свободно поворачиваться в пределах секторов, ограниченных механическими упорами.
Основными недостатками этого технического решения являются необходимость оснащения ветродвигателя аэродинамическими лопастями, наличие радиальных траверс, существенно усложняющих конструкцию ветродвигателя.
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению и соответственно выбранным в качестве прототипа является «Водоветроэнергетическая установка», RU, 2248462 С2, класс F03D 3/00, F03B 17/06, 20.03.2005 г. Устройство содержит вертикальный вал, закрепленный в подшипниках, и горизонтальные штанги с лопастями, жестко закрепленными на штангах перпендикулярно друг к другу. За счет установки ограничителей лопасти имеют возможность поворота на угол 90 градусов. При этом одна из лопастей занимает положение, параллельное потоку среды, другая - перпендикулярное.
Основными недостатками этого технического решения являются высокие динамические нагрузки, возникающие при движении лопастей параллельно направлению движения среды и при усилении ветра от слабого до штормового.
Целями настоящего изобретения являются снижение шума и вибрации при работе ветродвигателя и его материалоемкости.
Основные технические результаты, благодаря которым обеспечивается выполнение поставленных целей, - это исключение хлопков, ударов при рабочем ходе и перекладке лопастей, а также конструктивная защита конструкции ветродвигателя от перегрузок при усилении скорости ветра.
У ветродвигателя парные лопасти закреплены по обе стороны горизонтальной оси шарнирно под углом не менее 65 градусов относительно друг друга. Горизонтальная ось установлена перпендикулярно оси вертикального вала. В кинематической связи парных лопастей и горизонтальной оси установлены упругие элементы и ограничители взаимного поворота лопастей. При взаимодействии с ограничителями совместного и взаимного поворота лопастей и упругими элементами угол между горизонтальной плоскостью и лопастью, перемещающейся против ветра, составляет не менее 10 градусов, лопастью, двигающейся по ветру, и вертикальной плоскостью - не менее 15 градусов, угол совместного поворота лопастей - от 95 до 150 градусов Количество парных лопастей не ограничено и они повернуты друг относительно друга на один угол.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, приведенной чертеже.
На чертеже показан один из возможных вариантов ветродвигателя. Ветродвигатель оснащен четырьмя парами лопастей, каждая из которых развернута в горизонтальной плоскости относительно соседней на угол 30 градусов.
На чертеже позициями обозначены следующие элементы:
1 - вертикальный вал;
2 - горизонтальная ось;
3 - лопасти;
4 - подшипники;
5 - ограничитель совместного поворота лопастей;
6 - упругий элемент;
7 - ограничитель взаимного поворота лопастей;
А, Б, В, Г - уровни установки пар лопастей.
Вертикальный вал 1 ветродвигателя выполняют, как правило, трубчатого сечения.
В качестве подшипников 4 используют подшипники качения, которые устанавливают в углублении фундамента или на мачте, позволяющей увеличить высоту ветродвигателя, или на стенах здания или другой несущей конструкции. В последнем случае подшипники 4 устанавливают по концам вертикального вала 1.
Горизонтальные оси 2 закрепляют перпендикулярно оси вертикального вала 1. В качестве подшипников могут быть использованы подшипники качения или скольжения. Лопасти 3 закрепляют на горизонтальной оси 2 парами шарнирно и под углом не более 65 градусов относительно друг друга в плоскости, перпендикулярной его оси. Взаимное расположение лопастей обеспечивается введением в их кинематическую связь с горизонтальной осью 2 упругого элемента 6 и ограничителей взаимного поворота 7. Для обеспечения позиционирования лопастей в зависимости от направления ветра ветродвигатель оснащают ограничителями совместного поворота 5.
При взаимодействии лопастей с ограничителями 5 и 7 угол между горизонтальной плоскостью и лопастью, перемещающейся против ветра, оставляет не менее 10°, лопастью, двигающейся по ветру, и вертикальной плоскостью - не менее 15°, угол совместного поворота лопастей - 95-150°.
Количество парных лопастей не ограничено и они повернуты друг относительно друга на один угол.
В качестве материала лопастей может быть использован широкий круг материалов, включающий парусину, дакрон, стеклопластики, металл и др.
Работа ветродвигателя осуществляется в следующем порядке. При совпадении направления ветра с горизонтальной осью 2 плоскости обеих лопастей 3, оказываются параллельными потоку ветра и не испытывают его давления. Пара лопастей под действием силы тяжести занимает положение, при котором углы между лопастями и вертикалью становятся равными (см. уровень А и вид Д). При дальнейшем повороте вертикального вала 1 набегающим потоком ветра обе лопасти 4 одновременно, за счет одинаковой направленности действия потока ветра на каждую лопасть, разворачивает (для уровня А против часовой стрелки) и их положение фиксируется ограничителем совместного поворота 5. Лопасти занимают положение, приведенное на виде Е. При дальнейшем вращении вертикального вала 1 лопасти проходят последовательно положения, соответствующие уровням Г, В, Б, и возвращаются к исходному положению, показанному на уровне А. Далее описанный цикл вращения повторяется. При работе ветродвигателя обеспечивается наличие аэродинамической плоскости с одной стороны вертикального вала независимо от направления ветра. Взаимное расположение лопастей обеспечивается их взаимодействием с ограничителями 7. При усилении ветра упругий элемент деформируется, происходит поворот лопасти, перемещающейся с потоком ветра, и соответственно уменьшение площади аэродинамической плоскости и разгрузка конструкции ветродвигателя от перегрузок.