КАРУСЕЛЬНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
ROTOR-TYPE WINDMILL

Изобретение относится к ветротехнике, в частности к ветродвигателям с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра.
Известный карусельный ветродвигатель /см. Авторское свидетельство СССР № 992799, М.Кл. 3 F03d 3/00, публ. 1983 г., Бюл. №4/ имеет колесо со ступицей и закрепленными на ней махами, к концам которых шарнирно прикреплены подпружиненные профилированные лопасти. Недостаток ветроколеса этой установки заключается в том, что мощность, передаваемая на ступицу при вращении, развивается только при прохождении лопасти по одну сторону от оси вращения ступицы в направлении ветра, и поэтому ветроустановка имеет сравнительно низкий КПД.
В Авторском свидетельстве СССР № 1622609, М.Кл. 5 F03d 9/00, публ. 1991 г., Бюл. № 3 описан ветродвигатель, имеющий рабочие колеса нижнего и верхнего ярусов, включающие закрепленные на вертикальном валу держатели с упорами и размещенные между держателями лопасти, каждая из которых выполнена составной из аэродинамических профилей. Колеса вращаются в разные стороны, выполняя при этом функции роторного генератора. Этот ветродвигатель также имеет невысокий КПД, т.к. мощность ветрового потока передается через лопасти только с одной стороны оси вращения.
Ротор ветродвигателя, защищенный Авторским свидетельством СССР № 992800, М.Кл. 3 F03d 3/00, публ. 1983 г., Бюл. № 4, содержит установленные в опорах вертикальный вал, на концах которого прикреплены два стержневых каркаса, связанные между собой набором вертикальных стержней, и плоские лопасти, шарнирно закрепленные одной из своих сторон на стержнях, причем ротор снабжен кольцами, размещенными между торцевыми поверхностями лопастей по два стержня на каждом радиусе, причем стержни с шарнирно закрепленными лопастями укреплены на наружных кольцах, а разность радиусов каждого наружного и внутреннего кольца меньше ширины лопасти.
В описанной конструкции ротора ветродвигателя только половина лопастей взаимодействует с ветровым потоком, поэтому ветродвигатель с таким ротором имеет сравнительно низкий КПД.
Карусельный ветродвигатель, описанный в Авторском свидетельстве СССР № 846777, М.Кл. 3 F03d 3/00, публ. 1981 г., Бюл. № 26, содержит неподвижную ось, лопасти, установленные с возможностью независимого поворота на махах, храповые механизмы по числу лопастей, храповое колесо каждого из которых закреплено на оси и снабжено охватывающим кольцом, имеющим рычаг, соединенный при помощи тяги с лопастью. Недостаток этого ветродвигателя - низкая надежность и большая металлоемкость из-за наличия храповых механизмов и тяг.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является ветроколесо, защищенное Авторским свидетельством № 1483081, F03d 3/02, Бюл. № 20, которое содержит неподвижную ось, лопасти, установленные с возможностью независимого поворота на махах на 360 градусов, один флюгер и механизм, жестко связывающий все лопасти и обеспечивающий четкое положение лопасти от направления ветра и поворота рабочего колеса - обеспечивают максимальный КПД ветродвигателя. Недостаток этого ветродвигателя - сложная конструкция, ненадежная в работе, и незащищенные элементы конструкции от воздействия окружающей среды.
Цель изобретения - повышение мощности ветроколеса за счет увеличения площади лопастей, полного использования ветрового потока, снижение пульсаций вращательного момента, повышение надежности, упрощение конструкции, снижение металлоемкости.
Указанная цель достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем установленное на вертикальном валу рабочее колесо, выполненное в виде размещенных между верхним и нижним ободами поворотных лопастей, закрепленных на кронштейнах, связанных с валом, сочлененным с электрогенератором, и механизм управления лопастью, каждая лопасть снабжена механизмом управления лопастью в виде флюгера и поворотного устройства, установленных на вертикальном валу соосно с лопастью, поворотное устройство состоит из дифференциала, один вал которого жестко связан с осью флюгера, второй вал жестко связан с ободом рабочего колеса, а корпус дифференциала жестко связан с осью поворотной лопасти.
Механизм управления лопастью состоит из дифференциала или планетарного редуктора с передаточным числом, равным двум.
Изобретение поясняется чертежами. На Фиг.1 изображено заявляемое карусельное ветроколесо, вид сверху, на Фиг.2, вид сбоку.
На Фиг.1-2 элементы конструкции пронумерованы следующем образом:
1. Вертикальный вал рабочего колеса
2. Нижний обод крепления парусов
3. Верхний обод крепления парусов
4. Обод крепления флюгеров
5. Поворотные паруса
6. Кронштейн крепления вала парусов
7. Флюгера
8. Ось флюгера
9. Поворотный механизм парусов
10. Вал парусов
11. Подшипники
12. Опорные колеса карусельного ветроколеса
13. Кольцевое железнодорожное полотно
14. Центральный подшипник крепления колес
15. Генератор
16. Редуктор
Работу заявленного карусельного ветроколеса рассмотрим при последовательном положении одного автономного узла с лопастью на кронштейне 6 к воздушному потоку при повороте карусельного ветроколеса от 0 градусов до 360 градусов.
При положении кронштейна в верхней точке, 0 градусов - лопасть находится под углом 45 градусов к воздушному потоку. Вращающий момент направлен по часовой стрелке. При положении кронштейна 90 градусов лопасть находится перпендикулярно воздушному потоку и работает как парус на сопротивление воздушному потоку. При положении кронштейна 180 градусов вращения ветроколеса лопасть занимает положение 135 градусов и начинает двигаться навстречу воздушному потоку, создавая вращающий момент по часовой стрелки за счет подъемной силы лопасти. При положении кронштейна 270 градусов лопасть занимает положение 180 градусов. Лопасть находится параллельно воздушному потоку, идет навстречу ему и не совершает работы. При увеличении угла вращения ветроколеса больше 270 градусов угол поворота лопасти становится больше 180 градусов, лопасть движется навстречу воздушному потоку под острым углом, работает на подъемной силе с вращающим моментом по часовой стрелке. При положении кронштейна 360 градусов лопасть совершает половину оборота вокруг своей оси и становится к воздушному потоку обратной стороной под углом 45 градусов.
При соответствующей установке автономных узлов с лопастями карусельное ветроколесо может равноценно быть как правого, так и левого вращения, что важно для решения различных конструктивных вопросов построения ветродвигателя.
Количество автономных узлов с лопастями по периметру карусельного ветроколеса может быть неограниченно большим. Мощность ветродвигателя пропорциональна их количеству.
В сравнении с прототипом заявленный карусельный ветродвигатель при тех же габаритах и площади лопастей имеет такую же мощность и КПД, но меньшую металлоемкость и большую надежность, и долговечность в работе. Это обусловлено отсутствием открытой цепной передачи и звездочек. Механизм автономного поворотного узла работает в закрытом, герметичном корпусе с постоянным присутствием смазки.
Мощность прототипа имеет значительные ограничения. Мощность заявленного карусельного ветродвигателя не имеет ограничений и зависит только от диаметра и высоты ветроколеса, количества автономных узлов с лопастями и площади лопастей.
Ветродвигатель работает следующим образом.
Под действием воздушного потока на автономные узлы лопастей, находящихся на ветроколесе максимально удаленно от оси его вращения, создается вращающий момент ветроколеса, который передается через редуктор электрогенератору.
Механизм управления лопастью осуществляет контроль двух переменных функций - информация поворота флюгера и поворота ветроколеса и выдает результирующую информацию по установке лопасти под самым оптимальным углом к направлению ветра. Каждый автономный узел реагирует на свое направление ветра и угловое расположение на карусельном колесе.
При скорости ветра, превышающей допустимую, лопасть разворачивается, уменьшая свою площадь специальным устройством, добавочно установленным на лопасти, а снятие нагрузки с генератора ВЭУ позволяет сровнять скорость ветра и лопасти и не допустить перегрузки ВЭУ.