ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ЭКРАНОМ
VERTICAL-AXIAL WIND-POWERED ENGINE WITH SCREEN

Изобретение относится к ветроэнергетике и позволяет регулировать скорость вращения ротора ветродвигателя, а также защитить его от наледи и налипания снега.
Известен вертикально-осевой ветродвигатель с экраном (Р.А. Янсон, Ветроустановки, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007, стр.16), или ветродвигатель с экраном, приведенный в ссылке http://vetrvaky.ru/raschet-lopastey-dlya-vetryakov/, который можно выбрать в качестве прототипа. Ветродвигатель содержит вертикально установленный ротор, снабженный экраном.
Недостатки приведенной конструкции заключаются в том, что экран не снабжен механизмом принудительного вращения, необходимым для полного или частичного перекрытия лопастей ротора при больших скоростях ветра, что может разогнать ротор ветродвигателя до недопустимых окружных скоростей и привести к поломке, а также нет устройства, направляющего ветродвигатель на ветер (хвостовика). Ротор не зачищен от обледенения и налипания снега, что может привести к дебалансировке ротора. Экран не меняет парусность ветродвигателя.
Техническая задача, решаемая при помощи предлагаемого изобретения, заключается в стабилизации скорости вращения ротора ветродвигателя, стабилизации положения экрана относительно направления ветрового потока и частичной или полной защите ротора ветродвигателя от воздействия ветрового потока, скорость которого превышает оптимальное значение скорости, на которое рассчитана данная конструкция; защите ротора от наледи, налипании снега, что приводит к дебалансировке ротора и его поломке. А также в увеличении энергии, вырабатываемой ветродвигателем.
Техническое решение достигнуто за счет применения механизма поворота экрана, позволяющего принудительно повернуть его вокруг своей оси и полностью или частично перекрыть ротор ветродвигателя от потока ветра и других атмосферных воздействий. Наличие механизма поворота экрана позволяет вращать экран в двух режимах: независимо от положения хвостовика и заодно с ним. Кроме того, экран снабжен конфузором с компенсатором и диффузором, способствующим увеличению скорости ветрового потока, вращающего ротор ветродвигателя. Компенсатор предназначен для дополнительной стабилизации положения экрана и хвостовика относительно направления ветрового потока и компенсирует момент силы, дезориентирующий положение экрана относительно направления ветра. Экран снабжен подшипниками и имеет возможность вращаться вокруг вала ротора. Кроме того, ветродвигатель снабжен механизмом складывания мачты, крестовиной, и хвостовиком, механически (через шестерни) соединенным с экраном. Хвостовик установлен на подшипниках на валу ротора.
Конструкция вертикализатора приведена на чертежах.
На Фиг.1, 2 и 3 приведен вид ветродвигателя спереди, сзади и сбоку.
Ветродвигатель включает мачту 1, механизм складывания мачты 2, редуктор 3, передающий вращение от шкива 4 через ременную передачу 5 на шкив 6 генератора 7 (или гидронасоса), установленного на кронштейне, и рамы 8 для присоединения нижних расчаливающих тросов 9, необходимых для закрепления мачты в вертикальном положении. В полости мачты 1 размещен вал 10 ветродвигателя, передающий вращение редуктору 3. На валу 10 установлены четырехлопастные роторы 11 и 12, лопасти которых смещены друг относительно друга на 45 градусов. Роторы с внешней стороны охватывает экран 13, имеющий возможность независимо от ротора вращаться вокруг вала 10. Экран снабжен конфузором 14 для поступающего потока воздуха и диффузором 15 для оттока потока воздуха. Край конфузора снабжен компенсатором 16, отогнутым наружу. Диффузор и конфузор предназначены для увеличения скорости ветрового потока, поступающего в полость экрана 13. Компенсатор 16 служит для создания вектора силы, направленного в сторону, противоположную вектору силы, создаваемому ветровым потоком при обтекании экрана с внешней стороны, и равную ей по величине. То есть ветровой поток, попадающий на поверхность компенсатора 16, создает противовес силе ветра, обтекающего экран со стороны, противоположной компенсатору и вращающего его. Таким образом, создается противодействующая крутящая сила, не позволяющая экрану дезориентировать свое положение по отношению к направлению ветрового потока. Над экраном на валу 10 установлена крестовина 17 для соединения верхних расчаливающих тросов 18. Снизу под экраном 13 на валу 10 размещен хвостовик 19, имеющий возможность вращаться вокруг вала ротора и снабженный механизмом поворота экрана. Механизм поворота экрана включает ведомую шестерню 20, соединенную с экраном и ведущую шестерню 21, находящуюся в зацеплении с шестерней 20 и установленную на валу реверсивного электродвигателя 22, закрепленного на хвостовике. Механизм поворота экрана позволяет вращать экран независимо от положения хвостовика, который всегда ориентирован вдоль направления ветра и устанавливает плоскость конфузора экрана 13 перпендикулярно направлению ветрового потока. Механизм складывания мачты 2 снабжен двумя пальцами 23 и служит для укладки ветродвигателя в горизонтальное положение при проведении ремонтно-профилактических работ. При этом достаточно извлечь один из них и уложить мачту, вращая вокруг второго, предварительно освободив расчаливающие тросы. Редуктор 3 снабжен фланцем 24 и служит для передачи под углом 90 градусов вращения вала 10 к генератору 7. В качестве редуктора может быть применен, например, задний мост автомобиля. 25 - крепление ведомой шестерни 20 к экрану.
Ветродвигатель работает следующим образом:
Поток ветра через конфузор поступает в полость экрана 13, увеличивает свою скорость и вращает роторы 11 и 12, посаженные на вал 10. При этом вращается вал 10 ротора и через редуктор 3 посредством шкива 4, ременной передачи 5 и шкива 6 передает вращение генератору 7. Вместо электрогенератора может быть установлен гидронасос. Выработанная генератором электроэнергия используется по назначению. Соединенный с экраном хвостовик с поворотным механизмом постоянно ориентирует плоскость конфузора 14 перпендикулярно ветровому потоку. При превышении скорости ветра номинального значения, рассчитанного на данную конструкцию ветродвигателя, для уменьшения скорости вращения или предотвращении выхода из строя элементов и узлов ротора, экран 13 принудительно приводится во вращение. При этом экран частично или полностью перекрывает ротор от потока ветра. Для поворота экрана вокруг вала 10 предусмотрен механизм поворота. При увеличении скорости ветра сверх номинального значения срабатывает датчик измерения скорости ветра (на чертеже не показан) и включает реверсивный электродвигатель 22, установленный на хвостовике. Вращение вала электродвигателя через ведущую 21 и ведомую 20 шестерню передается экрану, и поворачивает его против часовой стрелки на определенный угол, тем самым уменьшая поток воздуха, поступающий в полость экрана. Хвостовик при этом всегда остается направленным вдоль потока ветра. При уменьшении скорости ветра экран автоматически возвращается в исходное положение. При изменении направления ветра экран вращается совместно с хвостовиком. Экран самостоятельно провернуться вокруг вала 10 не может, так как передаточное число между шестернями 20 и 21 велико (большая разница в диаметрах). Экран, ротор, хвостовик и крестовина снабжены самостоятельными подшипниковыми узлами.