ЦИКЛОИДНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
CYCLOIDAL WIND TURBINE

Изобретение относится к возобновляемой энергетике и может быть использовано при создании новых типов эффективных и многофункциональных ветродвигателей разной мощности.
Известен наиболее близкий аналог (прототип) - ветродвигатель и гидрогенератор (1); известны также ветроагрегат и гидроагрегат (2), стабилизатор оборотов ветродвигателей (3) и ветродвигатель с подвижными каретками и установленными на них поворотными сдвоенными лопастями (4), номера которых приведены в конце описания. Однако конструктивные и схемные решения прототипа не позволяют в полной мере реализовать свое функциональное назначение и менее пригодны для создания ряда модификаций перспективных энергоустановок разной мощности.
Целью изобретения является более эффективная работа лопастей в воздушном потоке, стабилизация оборотов (и вырабатываемой мощности) ветряного колеса при повышенных скоростях ветра и повышенная степень его противобуревой защиты, а также свободный доступ к основным энергетическим узлам.
Заявленный технический результат достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем опорную мачту, полые овальные трубы с установленными на их концах поворотными  вертикальными лопастями, планетарный редуктор с заторможенной центральной конической шестерней, генератор, реверсивный электропривод, флюгер с контактной группой переключателей для самоориентации лопастей на ветер, противобуревый эксцентриковый флажок с подвижной конусной втулкой и размыкатели кинематических связей лопастей, вертикальные поворотные лопасти выполнены одинарными со сбалансированным чередующимся размещением их сверху и снизу по внешней окружности ветряного колеса, а многополюсный генератор, редуктор отбора мощности, реверсивный электродвигатель и флюгер с контактной группой переключателей размещены внизу внутри несущего корпуса, установленного на вертикальных стойках, при этом в нижней части подвижной конусной втулки закреплены пружинящая скоба с толкателями и шток соленоида, электрически связанного с выносным дистанционным пультом экстренной или профилактической остановки ветряного колеса при любой рабочей скорости ветра.
Система самоориентации лопастей на ветер содержит сдвоенный кнопочный переключатель полярности и одинарный выключатель питания реверсивного флюгерного электродвигателя постоянного тока, которые кинематически связаны посредством толкателей с подвижной конусной втулкой и совместно с поворотным эксцентриковым флажком выполняют дополнительную функцию стабилизации оборотов ветряного колеса с возможностью его противоаварийной дублирующей остановки (во время бури или шторма) при неразвернувшихся лопастях по воздушному потоку.
В судовом исполнении несущий корпус ветродвигателя дополнительно содержит выходящий наружу горизонтальный вал отбора мощности ветряного колеса, связанный через дополнительные переходные кинематические звенья, разъемную муфту, мультипликатор и карданный вал с гребным винтом, а также с многополюсным зарядным генератором, трехфазным выпрямителем, буферным блоком аккумуляторных батарей и преобразователем напряжения. С гребным винтом также дополнительно связан через редуктор и подвижную сателлитную шестерню резервный реверсивный электродвигатель постоянного тока для возможности продолжения хода судна во время штиля или маневрирования в местах швартовки.
Отсутствие в симметричных плоскостях небыстроходных лопастей сложных аэродинамических профилей существенно упрощает технологию их изготовления и в целом значительно снижает стоимость таких энергоустановок.
Из научно-технической и патентной информации автору не известны источники, содержащие сведения об аналогичных технических решениях, имеющих сходные признаки с заявляемым решением.
Изобретение поясняется схематическими изображениями, где:
Фиг.1 - вид на ветродвигатель в рабочем положении.
Фиг.2 - вид сбоку на размещенные внутри несущего корпуса основные энергетические узлы.
Фиг.3 - вид сверху на эксцентриковый флажок (а) и вид сбоку на основные узлы модифицированного планетарного редуктора (в).
Фиг.4 - общая электрическая схема коммутации основных подвижных улов.
Фиг.5 - вид сбоку на подвижную конусную втулку с электрическими переключателями и соленоидом.
Фиг.6 - расположение (не показанных на фиг.1) центрирующих штанг и закрылков лопастей ветряного колеса.
Фиг.7 - вид сверху на положения рабочей плоскости эксцентрикового флажка при разных различных скоростях ветра (а); схематическое изображение зависимости вырабатываемой мощности от скорости ветра (в); вид сверху на изменение углов ориентации лопастей относительного набегающего воздушного потока в рабочем диапазоне скоростей ветра.
Фиг.8 - вид сбоку на дополнительные узлы ветродвигателя при размещении его на плавсредстве.
Фиг.9 - схема самопроизвольной ориентации плоскостей лопастей к буревому потоку ветра при замкнутых муфтах сателлитных валов планетарного редуктора.
Ветродвигатель содержит ветряное колесо с чередующимися по окружности вертикальными верхними и нижними поворотными лопастями 1 (с закрылками 1а), установленными осями в кожухах 2, соединенных между собой штангами 3, а также с кожухом планетарного редуктора 4 посредством полых овальных кронштейнов 5 с размещенными внутри них сателлитными валами 6. Штанги 3 дополнительно соединены с концами 7 осей лопастей 1 центрирующими стяжками 8. Ветряное колесо размещено в верхней части вертикального полого вала отбора мощности 9, соединенного через подшипники с опорной невращающейся полой мачтой 10, удерживаемой (при ее большой длине) с помощью растяжек 11, соединенных со скобами 12 несущего корпуса 13, установленного на вертикальных стойках 14 опорного основания 15. Внутри несущего корпуса 13 размещены: нижняя часть вертикального вала 9 с посаженной на нем конической шестерней 16, зацепленной с ведомой конической шестерней 17, соединенной горизонтальным валом через мультипликатор 18 с многополюсным генератором 19, электрически связанным с трехфазным выпрямителем напряжения 20.
Посаженная на подшипниках внутри вала 9 поворотная ось 21 в нижней части сочленена с цилиндрической шестерней 22, заторможенной через ведомую цилиндрическую шестерню 23 редуктором (предпочтительней - червячным) 24, соединенным с реверсивным флюгерным электродвигателем постоянного тока 25.
0
1
2
В неподвижном кожухе 26 размещена диэлектрическая стойка 27 с пружинящими контактами, соприкасающимися с изолированно посаженными на поворотной оси 21 токосъемными кольцами 28. Под кожухом 26 посажен кронштейн 29 с пружиной 30 и контактной группой 31, удерживающей совместно с ограничителями 32 и пружиной 30 флюгер 33 с противовесом 33а и толкателями 34, имеющий угол свободного поворота α. Съемный узел III электрически соединен с токосъемными кольцами 28 через разъем 35 и содержит сдвоенный кнопочный переключатель 36 (для стабилизации оборотов ветряного колеса на повышенных скоростях ветра, например, от 12 до 20 м/с), а также одинарный выключатель 37 питания реверсивного электродвигателя 25. При этом, в малогабаритных мобильных конструкциях ветряных двигателей или при использовании их в зонах с постоянно низкой ветровой нагрузкой съемный узел III может отсутствовать, а контакты к и к разъема 35 замыкаются постоянной перемычкой 38. Выносной дистанционный пульт II содержит сдвоенный кнопочный переключатель 39, одинарный тумблер 40 включения контактной группы 31 переключения полярности флюгерного реверсивного электродвигателя 25 и тумблер 41 включения соленоида 42 для дистанционного размыкания кинематических связей лопастей 1. На подвижной конусной втулке 45 закреплена пружинящая скоба 46 с толкателями 47, 48 и шток соленоида 42, катушка которого размещена вместе с корпусом узла III на втулке 49, удерживающей пружину 50.
Снаружи кожуха 4 в верхней секции заторможенной оси 21 размещен на цапфе 51 поворотный эксцентриковый флажок 52, удерживаемый в исходном вертикальном положении регулируемой пружиной 53 и ограничивающей скобой 54, размещенной на верхней концевой втулке 55. Закрепленная внутри кожуха 4 на оси 21 центральная коническая шестерня 56 планетарного редуктора зацеплена по окружности с ведомыми коническими шестернями 57 сателлитных валов 6, а подвижные втулки 43 в рабочем положении прижаты пружинами 58 к муфтам 44 с помощью регулирующих степень их сжатия втулок 59. Размыкатели кинематических связей 60 лопастей 1 размещены между нижней частью конической поверхности втулки 45 и кольцевыми бортами подвижных втулок 43. Верхняя и нижняя секции оси 21 для удобства монтажа соединены разъемной муфтой 61. Аккумулятор 63 размещен под электродвигателем 25.
В судовом исполнении в несущем корпусе 13 дополнительно установлен выходящий наружу сквозной горизонтальный вал 62, соединенный через переходный узел 64, 65 с вертикальным валом 66, на котором в нижней части посажена распределительная цилиндрическая шестерня 67, зацепленная с ведомыми цилиндрическими шестернями 68 и 69. Шестерня 68 через малый мультипликатор 70 и конические шестерни 71 и 72 соединена с многополюсным зарядным генератором 19', электрически связанным через трехфазный выпрямитель 73 с буферным блоком аккумуляторных батарей 74 и преобразователем напряжения 75, который снабжен протяженным (и гидроизолированным) выходным силовым кабелем 76 для электроснабжения внешних потребителей.
Вторая ведомая цилиндрическая шестерня 69 через дистанционно включаемую разъемную муфту 77 соединена двухсекционным вертикальным валом с конической шестерней 78, зацепленной с ведомой конической шестерней 79, передающей крутящий момент через горизонтальный вал 80 (с силовым мультипликатором 81 и цилиндрической шестерней 82) и карданный вал 83 на гребной винт 84.
Резервный реверсивный (например, серийный) электродвигатель постоянного тока 85 (включаемый при необходимости продолжения хода судна во время штиля или маневрирования в местах швартовки) соединен через редуктор 86 с подвижной сателлитной цилиндрической шестерней 87. Питание электродвигателя 85 осуществляется от аккумуляторных батарей 74 по силовому кабелю 88.
Ветродвигатель работает следующим образом.
Составные части ветродвигателя монтируются на ровной площадке (крыше здания или палубе судна) и крепятся к ней основанием 15 с помощью мощных болтовых соединений. Внешние составные части судовой модификации размещаются под верхней палубой и стыкуются с выходным концом вала 62. Флюгер 33 самостоятельно разворачивается по воздушному потоку и устанавливает рабочий режим работы ветрового колеса.
2
В диапазоне скоростей ветра от стартовой до начала стабилизации мощности (например, 12 м/с - фиг.7в, поз.1-2) каждая лопасть в точке А (фиг.7с, поз.1) развернута по воздушному потоку, а противоположная и все остальные лопасти ориентированы плоскостями на ее ось вращения, реализуя таким образом их циклоидное «качение» по условной вертикальной плоскости мn. В диапазоне e-с (фиг.7в, поз.2-3) избыточная и неиспользуемая мощность воздушного потока +ΔР с условной площадью авd компенсируется создаваемой частично разориентированными лопастями практически равной по величине и тормозящей ветровое колесо мощностью - ΔР с площадью efc, в результате чего в наиболее эффективном рабочем диапазоне 12-20 м/с (е-с, условная площадь S) скорость ветрового колеса и пропорциональная ей вырабатываемая мощность, при незначительных девиациях, остаются практически стабильными.
Конусная втулка 45 в этом диапазоне, преодолев начальное калиброванное натяжение пружины 53, перемещается в пределах величины h. При ослаблении ветра (от 20 до 12 м/с) все эти процессы происходят аналогичным образом в обратном порядке и являются в обоих случаях нелинейными, т.к. отбираемая мощность воздушного потока имеет кубическую зависимость от скорости ветра (например, при удвоении скорости ветра мощность ветродвигателя увеличивается в 8 раз).
Функциональной особенностью работы системы стабилизации отбираемой от воздушного потока мощности в указанном диапазоне является синхронизированная поочередная работа (размещенных на одной заторможенной оси 21) флюгера 33 и эксцентрикового флажка 52.
При достижении устанавливаемого заранее порога буревой скорости ветра (например, 25 м/с) флажок 52 начнет далее поворачиваться по потоку и дополнительно сдвигать вниз конусную втулку 45 на Δh (фиг.5), при этом толкателем 48 размыкаются контакты выключателя 37 и обесточивается реверсивный электродвигатель 25, а посредством более мощных толкателей 60 одновременно размыкаются кинематические связи лопастей и в свободном состоянии они с помощью закрылков разворачиваются по воздушному потоку.
Посредством дистанционного пульта II (фиг.4) осуществляется экстренная или профилактическая остановка ветряного колеса при любой рабочей скорости ветра - путем переключения одинарного тумблера 40 в показанное на схеме сплошной линией верхнее положение, а также последующим нажатием на кнопочный переключатель 39 и удержание его до полной остановки ветряного колеса. Для обратного приведения ветродвигателя в рабочее состояние тумблер 40 переключается в показанное на схеме пунктиром нижнее положение. Внешнее дистанционное размыкание кинематических связей лопастей при любой скорости ветра и на любое время осуществляется также с пульта II с помощью соленоида 42 путем включения тумблера 41.
B
Второй важной особенностью предлагаемой системы самоориентации лопастей является то, что если (например, по техническим причинам или в сильный мороз) не произошел разворот плоскостей лопастей по потоку при V>25 м/с, то продолжающаяся их разориентация (фиг.9, точка А') приведет к равновесию практически одинаковых, но разнонаправленных, крутящих моментов ветряного колеса и оно самопроизвольно остановится, при этом с наименьшим суммарным сопротивлением набегающему буревому потоку. Очевидно, что в регионах с преобладающими повышенными ветровыми потоками усиленная конструкция лопастей и ветродвигателя в целом позволяет достичь точки A' при более высоких скоростях ветра и значительно увеличить годовую выработку электроэнергии.
Источники информации
1. RU 2050466, кл. F03D 7/06.
2. RU 2052658, кл. F03D 3/02, 7/06.
3. RU 2076240, кл. F03D 7/04.
4. RU 2053409, кл. F03D 7/06, 5/02.