Ветродвигатель
WIND MOTOR

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к ветродвигателям, и может быть использовано для строительства ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения и набегающим воздушным потоком, в основном для выработки электрической энергии.
Известен ветродвигатель, содержащий горизонтальный вал, закрепленное на нем многолопастное колесо (Ветроэнергетика. М.: Энергоиздат, 1982, с. 26, рис. 1, 3, a-4). Недостатком данного ветроколеса является то, что в нем практически не используется сила ветра центральной зоны.
Технической сущностью настоящего изобретения является значительное уменьшение диаметров ветродвигателей и повышение эффективности работы многолопастных ветроколес за счет лучшего использования силы ветра в центральной, средней и периферийной зонах.
Настоящая техническая сущность достигается тем, что ветродвигатель, содержащий горизонтальный вал, закрепленное на нем неподвижное многолопастное ветроколесо с внутренней и наружной обечайками, между которыми расположены основные лопасти первого уровня. При этом диаметр наружной обечайки в метрах равен количеству основных лопастей, а на его валу дополнительно находится подвижное ветроколесо, аналогичное неподвижному с лопастями, расположенными между лопастями неподвижного ветроколеса; ступицы обоих ветроколес имеют взаимные полумуфты сцепления кулачкового типа, обеспечивая поворот подвижного ветроколеса при высоких скоростях ветра для экранирования лопастей неподвижного ветроколеса; дополнительно содержит пружины растяжения и пневматические амортизаторы для снижения вибрации подвижного ветроколеса при переходе в зону экранирования лопастей неподвижного ветроколеса, а на наружной обечайке неподвижного ветроколеса равномерно расположены лопасти второго уровня в количестве, равном длине наружной обечайки в метрах.
Приведенные конструктивные изменения многолопастного ветродвигателя с набегающим воздушным потоком по сравнению с существующими позволяют при прочих равных условиях значительно уменьшить диаметр ветроколеса в расчете на установленную мощность ВЭУ.
На фиг. 1 дан вид на ветродвигатель спереди при малых скоростях ветра (тороидальный направитель условно не показан).
На фиг. 2 показан разрез по А-А (лопасти подвижного ветроколеса экранируют лопасти неподвижного ветроколеса).
На фиг. 3 и 4 даны развертки части наружных обечаек неподвижного и подвижного ветроколес при малых скоростях ветра и скоростях ветра, экранирующих лопасти неподвижного ветроколеса лопастями подвижного ветроколеса (наружные обечайки ветроколес условно приняты прозрачными).
Ветродвигатель (фиг. 1, 2) состоит из двух одинаковых по размерам многолопастных ветроколес: неподвижного, насаженного на горизонтальный вал 2, и подвижного расположенного на валу 2 перед неподвижным и закрепленного болтом 11 и шайбой 9. Ступицы 3 с внутренними обечайками 4 обоих ветроколес (фиг. 2) имеют взаимные полумуфты сцепления кулачкового типа, обеспечивающие поворот подвижного ветроколеса из начального положения (фиг. 3) при малых скоростях ветра в конечное (фиг. 4) при высоких скоростях ветра на расчетный угол ϕ, экранируя лопасти неподвижного ветроколеса (фиг. 2) для снижения ветровой нагрузки на ветродвигатель.
Расчетный угол ϕ определяется делением угла 360° на число основных лопастей обоих ветроколес, то есть 360°/2n или 180°/n.
H
H
Диаметры D наружных обечаек 7 обоих ветроколес в метрах равны количеству основных лопастей 5 каждого ветроколеса, тогда длина наружных обечаек составит π•D. Это условие обеспечивает расстояние между смежными лопастями 5 по наружным обечайкам 7, равное числу π или 3,14 м. Поэтому, располагая лопасти 5 подвижного ветроколеса в начальном положении посередине между лопастями 5 неподвижного ветроколеса (фиг. 1) с помощью кулачковых полумуфт сцепления ступиц 3 ветроколес, увеличивается общее число основных лопастей 5 в два раза для работы ветродвигателя при малых скоростях ветра. Такое начальное положение лопастей 5 ветродвигателя фиксируется пружинами 13 (Фиг. 1), а пневматические амортизаторы 14 с шарнирами 15 снижают вибрацию ветроколес при работе и порывах ветра (Фиг. 3, 4).
Устройство работает следующим образом. Набегающий воздушный поток к ветродвигателю условно разделяется на три зоны воздействия по отношению к оси вращения ветроколес: центральную, среднюю и периферийную. Воздушный поток центральной зоны с помощью тороидального направителя 12 и конусного направителя 6 подвижного ветроколеса смещается в среднюю зону на основные лопасти 5 первого уровня обоих ветроколес при малых скоростях ветра (2…3 м/с), обеспечивая запуск ветродвигателя в работу.
В диапазоне средних скоростей ветра ветродвигатель работает с удвоенным количеством лопастей обоих ветроколес. При дальнейшем повышении скорости ветра происходит постепенный переход подвижного ветроколеса в направлении экранирования лопастей 5 неподвижного ветроколеса. В этот период пружины растяжения 13 (фиг. 1) и пневматические амортизаторы 14 (фиг. 3, 4), реагируя на изменение скорости ветра, стабилизируют взаимное положение и вибрацию обоих ветроколес.
При высоких скоростях ветра подвижное ветроколесо, преодолев силу растяжения пружин 13 (фиг. 1) и повернувшись на угол ϕ, переходит в зону полного экранирования лопастей 5 неподвижного ветроколеса, значительно снижая ветровую нагрузку на ветродвигатель (фиг. 2, 4).
Воздушный поток периферийной зоны, эффективно воздействуя на лопасти 8 второго уровня с ребрами жесткости 10 неподвижного ветроколеса, дополнительно обеспечивает повышенный крутящий момент и мощность ветродвигателя.