КАРУСЕЛЬНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
ROTARY WINDMILL

Изобретение относится к ветротехнике, в частности к ветродвигателям с осью вращения, перпендикулярно направлению ветра.
Изобретение позволяет производить строительство для небольших ферм, поселков, дачных участков в отдельных районах, а также центров зимнего спорта, например, в горах, и признано повысить теплоэнергетический суверенитет пользователей.
Известна ветряная установка, содержащая двух - или трехмодульный ветродвигатель. Ротор каждого модуля такой установки предусматривает собой вертикальный вал с рабочими лопастями в виде изогнутых листов прямоугольной формы, вращающихся в горизонтальной плоскости (ГШ, №25545, F03D 3/06 от 10.10.2002).
Известен также трехмодульный ветродвигатель с вертикальным силовым валом, содержащий 8 частности, два конструктивно одинаковых ротора между торцевыми дисками в виде упоров и двух криволинейных пластин, снабженных грузами, установленных с возможностью поворота на диаметрально противоположных пружинистых шарнирах, причем шарниры пластин одного ротора расположены взаимно перпендикулярно шарнирам другого ротора (Авторское свидетельство SU №1694977, F03D 3/02 от 3.11.1991).
Эффективность использования ветра в ветроэнергетических установках отмеченного использования недостаточно высокая.
Известны конструкции аналогичного назначения, преобразующие энергию потока воздуха или воды во вращательное движение (Авторское свидетельство SU №1663226, F03D 3/06 от 15.07.1991; №1017814, F03D 3/00 от 05.05.1983).
Такого рода роторные и карусельные двигатели с вертикальной осью вращения имеют низкий коэффициент использования энергии потока газа или жидкости, поскольку приводятся во вращение только частью потока, движущего попутно, например, наветренным лопастям.
Известны также роторы Савониума и Кажинского, в которых энергия части потока, уже использованного при давлении на лопасть, отражается от нее и повторно оказывает давление на другую лопасть, что повышает коэффициент использования ветрогидропотока (Авторское свидетельство SU №1553778, F03D 7/07 от 30.03.1990; №1612109, F03D от 30.03.1990; №1612109, F03D 7/06 от 07.12.1990; Патент RU №2118703 F03D 3/00 от 10.09.1998).
Однако такого рода устройства неравномерно воспринимают давление потока с разных направлений, т.е. имеют нерабочие («мертвые») зоны, поэтому для обеспечения равномерности их вращения используют два и более аналогичных ротора, расположенных на общей оси, но лопасти их сдвинуты на определенный угол.
Известны также конструкции с подвижными лопастями, в которых лопасти, движущиеся навстречу потоку, поворачиваются для уменьшения их аэродинамического торможения (Патенты RU: №2057969, F03D 3/00, 7/00 от 29.03.1993; №2069795, F03D, 3/06 от 28.04.1994; А.с. SU №181414, F03D 3/06 от 15.05.1993). В такого рода устройствах участвует в передаче энергии потока только лопасть, идущая под поток, а остальные лопасти, перемещающиеся поперек или навстречу потока, только тормозят двигатель, что обуславливает также их низкий коэффициент использования энергии потока. Кроме того, сила тяжести ветродвигателя передается на подшипники и подпятник, в результате чего возникают большие силы трения, что снижает эффективность работы ветродвигателя при малых скоростях воздушного потока. Другим недостатком является то, что процесс поворота пластин осуществляется одновременно, а это обуславливает неравномерность вращения ветродвигателя, что требует дополнительных синхронизирующих (стабилизирующих) устройств, а также создает неблагоприятные условия для работы генераторов и других устройств. Кроме того, при вращении ветродвигателя пластины ориентируются по направлению воздушного потока, но при этом создаются аэродинамические сопротивления, оказываемые системой (решеткой) пластин.
Известны также карусельные и роторные ветродвигатели (Авторское свидетельство SU №992799, F03D 3/00 от 30.01.1993; патенты RU: №2380567, F03D 3/00 от 27.012010; №2426005, F03D 3/06, 11/04 от 10.08.2011). Все известные карусельные и роторные ветродвигатели имеют один общий недостаток: мощность ветрового потока передается через лопасти только с одной стороны оси вращения, в результате чего ветродвигатель имеет невысокий КПД.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа «Ротор Хвост дельфина», содержащий вал, соединенный с ободами - дисками, между которыми установлены по периферии на своих осях жесткие лопасти, вращающиеся на своих втулках и соединенные с пружинами противоположной крутки. Натяжение пружин осуществляется от специального механизма, содержащего систему шестеренок, цепей или других гибких связей, связанных со шкивами на осях лопастей (П.М, RU №346653, F03D 3/12, 5/00, 3/06, 1/00 от 10.12.2003).
Недостатком прототипа является сложность его реализации, необходимость иметь двойное (по количеству лопастей) число пружин разной крутки (левой и правой). Кроме того, исключена регулировка натяжения каждой отдельной пружины в процессе работы, т.к. их разбалансировка приведет к разным углам раскрытия лопастей (разным «углам атаки»), что снижает КПД устройства. Для того чтобы обеспечить равные условия для каждой лопасти, пружины разной крутки необходимо подбирать в пары и т.д.
Задачей предлагаемого технического решения является значительно упростить конструкцию устройства, повысить коэффициент использования энергии потока и облегчить его регулировку, а также более эффективного использования энергии воздушного потока.
Поставленная задача достигается тем, что карусельный ветродвигатель, содержащий вертикальный вал, радиальные лопасти, согласно изобретения, радиальные лопасти расположены в несколько ярусов и закреплены к барабану, выполненному в виде цилиндрического пространственного каркаса, состоящего из верхнего и нижнего оснований и промежуточных секций, соединенных между собой вертикальными стойками по внешней образующей барабана, лопасти имеют криволинейные формы с радиусами кривизны, равными радиусу барабана, и их свободные края отогнуты по направлению движения воздушного потока, на вертикальных стойках закреплены шарниры, являющиеся местом крепления радиальных лопастей к барабану, при этом нижнее основание состоит из спиц, направленных радиально и равномерно распределенных по окружности, внутренние концы которых закреплены к ступице подшипника, внешние - к ободу барабана, при этом внутренние концы спиц верхнего основания жестко закреплены к вертикальному валу, который установлен в неподвижном остове подвижно посредством подшипников, при этом в нижнем основании подшипник установлен между ступицей и неподвижным остовом, а в верхнем - между неподвижным остовом и вертикальным валом, при этом между спицами каждой секции закреплены гибкие оболочки с возможностью увеличения полезной площади улавливания воздушного потока.
На фиг. 1 представлен общий вид; на фиг. 2 - вид сверху; на фиг. 3 - лопасти; на фиг. 4 - элементы лопасти с направляющими.
Карусельный ветродвигатель содержит вертикальный вал 1 с радиальными лопастями 2, имеющими криволинейные формы с радиусами кривизны равными радиусу барабана и их свободные края, отогнуты по направлению движения воздушного потока, а вместе их крепления к барабану, который выполнен в виде цилиндрического пространственного каркаса, состоящего из верхнего 3 и нижнего 4 оснований и аналогичных промежуточных секций 5, выполненных по количеству рядов лопастей и соединенных между собой вертикальными стойками 6 по внешней образующей барабана, при этом нижнее основание состоит из спиц 7, направленных радиально и равномерно распределенных по окружности, внутренние концы которых закреплены к подшипникам ступиц 8, а внешние к ободу барабана 9, промежуточные секции конструктивно аналогично нижнему
основанию, и внутренние концы спиц закреплены к свободно плавающему кольцу 10, одетого на неподвижный остов 11, а верхнее основание конструктивно аналогично нижнему основанию, внутренние концы спиц 7 жестко закреплены к вертикальному валу 1, который может быть выполнен полым и расположен внутри неподвижного остова 11, причем вертикальный вал 1 установлен подвижно посредством опорного подшипника 12 (шарнирный подшипник), установленного в нижнем основании между ступицей и неподвижным остовом, а в верхнем между неподвижным остовом и валом, при этом между спицами каждой секции закреплены гибкие оболочки 13, с возможностью увеличения полезной площади улавливания воздушного потока, а место крепления лопастей к барабану выполнено в виде шарниров 14, закрепленных к стойкам барабана 6, при этом рычаги 15 одними концами жестко связаны с лопастями 2, а другими с осями роликов 16, которые установлены в коробчатой направляющей 17, закрепленной на неподвижном остове 11, причем в момент открытия лопастей ролики опираются о внутренние поверхности направляющих (фиг. 4 разрез А-А) с возможностью движения рычагов с лопастями и роликами до промежуточного момента (фиг. 4 разрез Б-Б), при котором ролики находятся между внешними и внутренними поверхностями направляющих 17, с возможностью перемещения на внешние поверхности направляющих (фиг. 4 разрез В-В), и затем на обод барабана.
Карусельный ветродвигатель работает следующим образом.
При воздействии воздушного потока на отогнутые края радиальных лопастей 2, которые в исходном положении прилегают к пространственному цилиндрическому каркасу, создает подъемную илу за счет чего радиальная лопасть 2, поворачивается вокруг шарниров 14, закрепленных на стойках барабана. При повороте лопасти 2 рычаг 15 с осью ролика 16, в момент открытия лопасти опирается о внутреннюю поверхность неподвижной коробчатой направляющей 17, заставляя лопасть плавно (без скачков) открываться до промежуточного момента, который определяется моментом силы от воздушного потока, действующего на вогнутую поверхность лопастей 2 и заставляющей повернуться лопасть вокруг шарнира 14, передовая силу давления с внутренней поверхности направляющей на внешнюю поверхность направляющей. При дальнейшем вращении ветродвигателя ролики перемещаются по внешней направляющей, заставляя поворачиваться лопасти по направляющей, а затем на обод до полного открытия лопастей. Направляющие закреплены к ободу (фиг.3 и 4) и расположены в каждой четверти, для того, чтобы ветродвигатель мог работать от воздушного потока с разных направлений. Радиальные лопасти 2 расположены в несколько ярусов, причем радиальные лопасти наклонены к оси вращения ветродвигателя для того, чтобы воспринимать восходящие потоки и тем самым снижать осевую нагрузку на опорные подшипники 8 и 12. Радиальные лопасти 2 опрокидываются последовательно, начиная с нижнего яруса к верхнему. Когда радиальные лопасти открыты, то воздушный поток также действует на гибкую оболочку, закрепленную между спицами 7 каждой секции. При вращении ветродвигателя открытые радиальные лопасти 2 закрываются под воздействием воздушного потока, прижимаются к цилиндрическому пространству каркасу, образуя с одной стороны гладкую цилиндрическую поверхность. В результате вышесказанного, ветродвигатель имеет цилиндрическую поверхность, которая не оказывает сопротивления вращению ветродвигателя. На фиг. 1 показана левая часть ветродвигателя и правая часть - система раскрытых лопастей, которая создает крутящий момент, образованный давлением воздушного потока на поверхности радиальных лопастей 2 и гибких оболочек 13. Крутящий момент от лопастей и оболочек передается на вертикальный вал 1 посредством верхнего основания.
За счет наклона радиальных лопастей к вертикальной оси позволяет улавливать восходящие воздушные потоки, в результате чего образуется подъемная сила, приподнимающая цилиндрический пространственный каркас, уменьшая силу тяжести его, в результате чего уменьшаются силы трения в подшипниках, что увеличивает эффективность работы ветродвигателя при малых скоростях воздушного потока и как следствие, увеличивается КПД ветродвигателя. Наличие нескольких ярусов радиальных лопастей, снабженных направляющими, позволяет равномерно вращаться вертикальному валу, что значительно уменьшает динамические нагрузки, возникающие в узлах ветродвигателя. В результате того, что криволинейные лопасти имеют радиус кривизны равный радиусу барабана и в закрытом положении образуют гладкую цилиндрическую поверхность, которая имеет малые аэродинамические сопротивления, а с другой стороны ветродвигателя система лопастей позволяет создать максимальный крутящий момент от давления воздушного потока действующего, на внутреннюю криволинейную поверхность лопасти и на гибкие оболочки. Тем самым мощность возрастает, значительно возрастает коэффициент полезного действия, уменьшается коэффициент трения в подшипниках, увеличивается равномерность вращения вертикального вала, имеет невысокую стоимость изготовления, прост в регулировании и следует ожидать широкое применение для привода электрических генераторов, насосов, рыболовства и т.п.в индивидуальных хозяйствах, а также - в регионах, лишенных централизованного энергоснабжения.