ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к ветроэнергетике и может быть использована для преобразования энергии ветра в электрическую.
Известен ветродвигатель с вертикальной центральной осью и рабочими колесами с лопастями с горизонтальными осями [Патент СССР №9101, опубл. 30.04.29].
Известен горизонтальный ветряной двигатель с принудительно поворачиваемыми бесконечной цепью лопастями с целью надлежащей установки их по отношению к ветру [А.С. СССР №1173059, опубл. 15.08.85]
В качестве прототипа принят ветродвигатель [АС СССР 2070659, опубл. 20.12.96] с вертикальной осью и вертикальными принудительно вращающимися лопастями, управляемыми роторным механизмом с центральной управляемой шестерней, комплектом шестерен-сателлитов и ведомыми шестернями с количеством зубьев в два раза большим количества зубьев на центральной управляющей шестерне. При этом поворотом на ветер ветродвигателя управляет флюгер, жестко связанный с центральной управляющей шестерней. Поворот ветродвигателя заключается в изменении фазовой ориентации лопастей, а флюгер является средством управления фазовой ориентации.
Известно, что мощность, которую может развить ветродвигатель любого типа при определенной скорости ветра зависит от степени торможения воздушного потока, т.е. отношения скорости воздушного потока в плоскости ветродвигателя к скорости ветра. При полном торможении мощность равна нулю, а давление на лопасти максимально; при отсутствии торможения скорость вращения ветродвигателя -максимальна, а мощность равна нулю из-за отсутствия полезного момента на средстве снятия мощности.
Задачей полезной модели является обеспечение максимальной мощности на средстве снятия мощности ветродвигателя для любой скорости ветра.
Поставленная задача решается изменением конструкции. Ветродвигатель содержит вращающуюся опору, на которой закреплен каркас, включающий центральный трубчатый элемент. На каркасе закреплены лопасти с возможностью поворота каждой лопасти вокруг собственной оси и ведомыми шестернями. На осях лопастей; оси вращения лопастей равноудалены друг от друга и от оси ветродвигателя;
внутри трубчатого элемента соосно ему расположен управляющий вал, на котором укреплена управляющая шестерня с количеством зубьев в два раза меньше, чем количество зубьев ведомых шестерен. Между управляющей и ведомьми шестернями расположены сателлитные шестерни. На вращающейся опоре установлено средство для снятия мощности. При этом ветродвигатель снабжен средством управления его фазовой ориентации. От прототипа ветродвигатель отличается тем, что средство управления фазовой ориентации включает в себя регулирующую лопасть, жестко связанную с управляющим валом и ориентированную в вертикальной радиальной плоскости. Средство управления фазовой ориентации ветродвигателя включает в себя также средство определения ориентации ветродвигателя, обеспечивающий формирование сигналов на регулирование нагрузки на валу ротора.
Средство определения ориентации включает в себя два контакта, жестко связанные с регулирующей лопастью, и флюгер, расположенный между контактами с обеспечением возможности взаимодействия с одним или другим контактом. При этом один из контактов предназначен для формирования сигнала управления средством изменения нагрузки на валу ротора на увеличение, второй контакт предназначен для формирования сигнала на уменьшение нагрузки.
Средство определения ориентации включает в себя также средство определения угла направления ветра, средство определения угла ориентации вала управляющей шестерни, а также средство сравнения угла направления ветра и угла ориентации вала управляющей шестерни, выполненное с возможностью получения сигналов от упомянутых выше средств определения углов и обеспечения возможности формирования сигналов управления средством, обеспечивающим изменение нагрузки на валу ротора.
Более подробно сущность полезной модели поясняется приведенным ниже примером реализации и иллюстрируется фигурами, на которых представлено: Фиг.1 - кинематическая схема ветродвигателя. Фиг.2 - взаимное расположение подвижных частей ветродвигателя при оптимальной ориентации относительно направления ветра, Фиг.3 - расположение лопастей в положении максимальной парусности. Фиг.4 -расположение лопастей, не создающее вращающего момента (отсутствие управляющей лопасти). Фиг.5 - оптимальная ориентация ветродвигателя, Фиг.6 - изменение ориентации ветродвигателя при значительном увеличении силы ветра. Фиг.7 - положение ветродвигателя при торможении средством снятия мощности. Фиг.8 -формирование управляющего сигнала при уменьшении силы ветра и неизменном
направлении, Фиг.9 - формирование управляющего сигнала при увеличении силы ветра и неизменном его направлении. Фиг.10 - формирование управляющих сигналов при изменении направления ветра.
Кинематическая схема построена по принципу роторного механизма. Основу ветродвигателя, составляют: вращающаяся опора 1, каркас 2, включающий в себя центральный трубчатый элемент 3, рабочие вертикально ориентированные лопасти 4а, 4б с возможностью поворота каждой лопасти вокруг собственной вертикальной оси, ведомые шестерни 5 на осях лопастей, регулирующая лопасть 6, средства определения ориентации ветродвигателя 7-9 относительно направления ветра. Количество лопастей может быть любое, оси вращения лопастей равноудалены друг от друга и от оси ветродвигателя. Рабочие лопасти ориентированы таким образом, что каждые две лопасти (при четном количестве лопастей), находящиеся диаметрально противоположно, перпендикулярны друг относительно друга. Внутри центрального трубчатого элемента 3, расположен управляющий вал 10, на котором укреплена управляющая шестерня 11 с количеством зубьев в два раза меньше, чем количество зубьев ведомых шестерен 5. Между управляющей и ведомыми шестернями расположены сателлитные шестерни 12, меняющие направление вращения рабочих лопастей 4. Регулирующая лопасть 6 может быть закреплена на рычаге 13, жестко связанным с управляющим валом 10. Регулирующая лопасть 6 перпендикулярна тангенциально ориентированной рабочей лопасти 4б.
На вращающейся опоре 1 ветродвигателя расположено средство снятия мощности М, выполненное в виде шестеренной, ременной или цепной передачи на вал электрогенератора (на Фигурах не показано).
Принцип действия конструкции объясняется на Фиг.3 - Фиг.10. Стрелками показано направление движения воздушного потока.
На Фиг.3 - Фиг.7 показаны варианты положения ветродвигателя в зависимости от скорости и направления ветра. На Фиг.3 показана фазовая ориентация ветродвигателя, обеспечивающая максимальную парусность рабочих лопастей, двигающихся в направлении «по ветру» и минимальное сопротивление лопастей, двигающихся «против ветра», т.е. ориентация, обеспечивающая максимальный момент на средстве снятия мощности. При вращении механизма положение каждой рабочей лопасти 4 (ее угловая фаза) жестко связано с положением управляющей шестерни 11, что позволяет поворотом центральной шестерни легко менять взаимное фазовое расположение всех лопастей одновременно, не зависимо от положения и скорости
вращения ротора. При отсутствии регулирующей лопасти 6, а также при большом тормозящем моменте на средстве снятия мощности, ветродвигатель неизбежно перейдет в равновесное положение относительно ветра, показанное на Фиг.4, и остановится. Момент на средстве снятия мощности при такой ориентации равен нулю. Очевидно, что такое фазовое положение лопастей ветродвигателя относительно направления будет автоматически устанавливаться при любом изменении направления воздушного потока.
На Фиг.5. показано фазовое расположение регулирующей лопасти в условии максимальной парусности ветродвигателя. Регулирующая лопасть площадью не менее 1/5 площади рабочей лопасти, ориентированная перпендикулярно тангенциальной рабочей лопасти и перпендикулярно направлению ветра, создает на управляющей шестерне «реакцию опоры», позволяющую создавать положительный вращающий момент на средстве снятия мощности и удерживать его в положении максимальной парусности.
На Фиг.5. показаны две основные силы, определяющие ориентацию ветродвигателя, указанной выше конструкции, относительно направления ветра. Fрег - сила сопротивления ветру регулирующей лопасти. Эта сила создает опорный момент на управляющей шестерне. Рген. - сила сопротивления ветру рабочей лопасти. Сумма сил лопастей образуют рабочий момент М на средстве снятия мощности.
Скорость вращения ветродвигателя при постоянной силе ветра зависит от нагрузки на средстве снятия мощности.
В оптимальном режиме регулирующая лопасть удерживает ветродвигатель "по ветру" и позволяет снимать максимальную мощность для данной скорости ветра (Фиг.5).
Так как сила давления ветра на лопасть прямо пропорциональна квадрату относительной скорости, регулирующая лопасть более чувствительна к изменениям скорости ветра, чем лопасть, находящаяся в положении максимальной парусности и двигающаяся «по ветру».
При увеличении скорости ветра регулирующая лопасть изменяет фазовое положение лопастей навстречу направления вращения ротора Фиг.б по часовой стрелке таким образом, что эффективная парусность ветродвигателя уменьшается. Ветродвигатель занимает такое положение, при котором на средстве снятия мощности сохраняется "снимаемый вращающий момент". В то же время, увеличенная скорость ветра позволяет снимать большую мощность. Если увеличить нагрузку (момент М на
средстве снятия мощности) посредством регулировки тока возбуждения или подключением дополнительной электрической нагрузки, то можно повернуть ветродвигатель против часовой стрелки в положение максимальной парусности, позволяющей снять большую мощность.
При уменьшении скорости ветра регулирующая лопасть не сможет удерживать ветродвигатель в оптимальном положении и он неизбежно будет разворачиваться в направлении вращения (против часовой стрелки), также уменьшая свою эффективную парусность и, если нагрузка на средстве снятия мощности останется прежней, неизбежно займет положение, показанное на Фиг.7 и остановится. Уменьшением нагрузки (отключением электрических потребителей или уменьшением тока возбуждения) можно сохранить оптимальное аэродинамическое положение ветродвигателя и снимать мощность в соответствии с силой ветра.
На Фиг.8-10 показан принцип управления ветродвигателем с использованием средства определения ориентации ветродвигателя относительно направления ветра.
Изменением нагрузки на средстве снятия мощности можно не только снимать максимальную мощность для определенной скорости ветра, но и разворачивать ветродвигатель. Для того, чтобы ветродвигатель разворачивался в соответствии с направлением ветра, на нем установлено средство определения ориентации относительно направления ветра в простейшем случае состоящее из поворачивающегося от ветра флюгера 9 расположенного между датчиками-контактами 7 и 8, жестко связанными с управляющей шестерней 10 (регулирующей лопастью) и контролирующими смещение флюгера относительно определенной оптимальной ориентации. При смещении флюгера от равновесного положения в ту или другую сторону датчики выдают сигналы "нагрузку увеличить" или "нагрузку уменьшить" (в зависимости от направления поворота), как показано на Фиг.10; или при неизменном положении флюгера перемещающиеся датчики также выдают те же сигналы (Фиг 8-9).
На Фиг.2 изображены ветродвигатель и средство определения ориентации в равновесном положении. Ветродвигатель работает в оптимальном положении для данной силы ветра, т.е. создает на средстве снятия мощности максимальную мощность.
Если скорость ветра уменьшилась при неизменном направлении (Фиг.8), флюгер своего положения не изменил, но так как давление на регулирующую лопасть уменьшилось, весь ветродвигатель вместе с датчиками разворачивается против часовой стрелки и средство определения ориентации выдает сигнал "нагрузку уменьшить". При
уменьшении нагрузки на средстве снятия мощности ротора ветродвигатель возвращается в оптимальную ориентацию.
Если скорость ветра увеличилась (Фиг.9), регулирующая лопасть разворачивает ветродвигатель вместе с датчиками по часовой стрелке и средство определения ориентации выдает сигнал "нагрузку увеличить". Увеличением нагрузки на средстве снятия мощности ветродвигатель приводится в оптимальную ориентацию.
Если при неизменной скорости ветер изменит свое направление, в соответствии с ветром поворачивается флюгер, замкнет соответствующий контакт, и средство определения ориентации выдаст тот или другой сигнал (Фиг.10), в соответствии с которым изменяется нагрузка на средстве снятия мощности, и регулирующая лопасть поворачивает ветродвигатель, устанавливая оптимальную ориентацию по направлению.
Как это видно из описания при работе устройства обеспечивается максимальная мощности на средстве снятия мощности ветродвигателя при любой скорости ветра и его ориентации.