ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ВАЛОМ ВРАЩЕНИЯ

Полезная модель относится к ветродвигателям, в частности к ветродвигателям роторного типа с вертикальным валом вращения и может быть использована для создания новых преобразователей энергии ветра в электрическую энергию.
Известен ветродвигатель с вертикальной осью вращения (патент на изобретение RU 2104408, F03D 3/00, опубл. 10.02.1998). Ветродвигатель с вертикальной осью вращения, содержащий вал, ветровую турбину с горизонтальными траверсами и вертикальными лопастями аэродинамического профиля, связанную с валом, и по числу траверс дополнительные лопасти в виде вертикально поставленных криволинейно изогнутых поверхностей расположены непосредственно на траверсе. При этом на дополнительных лопастях жестко укреплены горизонтальные связывающие их пластины, нижняя из которых жестко соединена с траверсами. Лопасти изогнуты по дуге окружности и их вертикальные края расположены в плоскости, проходящей через ось траверс, причем угол между хордой каждой вертикальной лопасти аэродинамического профиля ветровой турбины и касательной к траектории ее вращения равен 1…4°. Установка дополнительных лопастей и их жесткая связь с ветровой турбиной приводит к увеличению металлоемкости и понижению надежности работы данной конструкции. Недостатком его является сложность конструкции и вызванная этим пониженная надежность.
Известна ветроэнергетическая установка (патент на полезную модель РФ 145694, F03D 3/06, опубл. 27.09.2014). Ветроэнергетическая установка содержит ветроколесо с вертикальной осью вращения, снабженное не менее чем двумя ветровоспринимающими элементами, скрепленными с радиальными траверсами, закрепленными на вертикальной оси вращения перпендикулярно ей, ветроколесо установлено с возможностью взаимодействия с накопителем механической энергии, снабжена также механизмом односторонне направленного вращательного действия, например храповиками, закрепленными на оси или соосно с ней, с возможностью свободного вращения, упругими элементами, например пружинами скручивания, торсионными рессорами или магнитной или пневматической системой, связывающими храповики с осью, гибкими сцепками с концевыми шарнирами, связывающими ветровоспринимающие элементы с храповиками. Установка сложна в изготовлении.
Известен роторный двигатель с вертикальным валом вращения (патент RU 2263815, F03D 3/00, опубл. 10.11.2005). Роторный ветродвигатель с вертикальным валом вращения, содержащий ротор, у которого рабочими органами являются лопасти, выполненные в виде части полой сферы или части полого цилиндра, закрепленные на вертикальном валу, на концах которого установлены верхний и нижний подшипники, находящиеся соответственно в верхнем и нижнем подшипниковых корпусах, снабжен опорной фермой, состоящей как минимум из трех опор, соединенных между собой в один жесткий конструктивный узел верхними и нижними перекладинами, к которым прикреплены соответственно верхняя и нижняя опорные площадки с отверстиями в центре, а к опорным площадкам соосно с отверстиями прикреплены подшипниковые корпуса верхнего и нижнего подшипников таким образом, что ротор верхним и нижним концами вала с размещенными на них верхним и нижним подшипниками устанавливают в подшипниковых корпусах и размещают внутри опорной фермы между опорными площадками с возможностью его вращения. Недостатком его является большая масса конструкции, трудоемкость в изготовлении, сложность монтажа и демонтажа, низкая работоспособность. Крепление рабочих лопастей на вертикальном валу приводит к быстрому выходу из работы всей системы. Взят за прототип.
Задачей технического решения является создание более эффективной и упрощенной конструкции, повышение работоспособности и сохранение энергии установки за счет снижения вибрации всей конструкции при использовании вертикального вала вращения за счет увеличения размеров его по высоте и диаметру, используя одну жесткую неподвижную мачту-опору, соответствующее крепление и оборудование.
Поставленная задача решается тем, что в известном ветродвигателе, содержащем вертикальный вал вращения, связанный с рабочими лопастями системой подшипников, снабженным опорной фермой, но в отличие от прототипа опорная ферма выполнена из одной опоры в виде сплошного ствола трубчатого сечения с основанием на его концах, внутри опоры установлен вертикальный вал, верхний конец которого размещен в цилиндре с возможностью его вращения, при этом вертикальный вал вращения верхним своим концом связан с рабочими лопастями посредством опорного вала и траверс, установленных перпендикулярно оси вертикального вала вращения, причем верхняя траверса размещена на опорном валу, а нижняя траверса установлена в нижнем подшипниковом корпусе на нижнем основании ствола, соединенных муфтой и инерционным механизмом с образованием приводного вала для исполнительного механизма, при этом крышка жестко закреплена в центре верхней траверсы, а каждая рабочая лопасть жестко скреплена с торцом верхней и нижней траверс и размещена на равном расстоянии от вертикального вала с возможностью поворота в вертикальной плоскости.
Ствол опоры-мачты (далее опора) выполнен из одной опоры в виде сплошного ствола трубчатого сечения, т.е. цельным по всей длине, либо сварным; на стволе и внутри его предусмотрены выступы и крепления для установки соответствующего оборудования: корпусов подшипников, лопастей и т.д. Опора трубчатого сечения удобна в эксплуатации, т.к. все технологические устройства: подшипники, муфта, цилиндр, вал и т.д. - размещены внутри, закрыты от атмосферного воздействия. Концы опоры-мачты снабжены опорными основаниями - площадками с отверстиями в центре (далее основание). Основание ствола может быть выполнено цельносварным со стволом мачты и может иметь любую конфигурацию: круг, прямоугольник, овал и т.д.
Вертикальный вал размещен внутри неподвижной опоры между верхним и нижним основаниями с возможностью его вращения. На верхнем опорном основании внутри опоры, в соответствующем подшипниковом креплении, установлено два подшипника, а на нижнем - один подшипник. Установка двух подшипников на верхнем опорном основании и одного на нижнем необходима для уменьшения вибрации и увеличения жесткости в конструкции ветряной установки.
Опорный вал установлен на верхнем основании внутри опоры на вертикальном валу с возможностью вращения при помощи верхних двух подшипниковых узлов и передачи вращающего момента на вертикальный вал.
Вокруг вертикального вала в верхней его части предусмотрена установка цилиндра, размещенного внутри верхних подшипников внутри неподвижной опоры.
Размещение цилиндра, который может быть выполнен любой формы, необходимо для исключения колебательных нагрузок на вертикальный вал и обеспечения равномерности распределения нагрузок на траверсы, для уменьшения ветровых нагрузок.
Внешние концы траверс жестко прикреплены к вогнутой - внутренней части рабочей лопасти. При этом каждая рабочая лопасть жестко прикреплена к торцам двух горизонтальным траверс: верхнему и нижнему - для исключения опасности возникновения при ветровых нагрузках резонансных колебаний, для создания жесткости в лопастях. Верхняя траверса через опорный вал связана с вертикальным валом вращения. Нижняя траверса установлена в нижнем подшипниковом корпусе на нижнем основании мачты. Траверсы установлены на опорном валу перпендикулярно оси вертикального вала вращения для исключения опасности возникновения нагрузок резонансных колебаний и выполнены в виде металлической балки или трубчатой балки, выдерживающих вес рабочих лопастей и нагрузки ветра.
Целесообразно, чтобы вертикальный вал был снабжен не менее тремя рабочими лопастями, т.к. четное количество лопастей вызывает вибрацию. Рабочие лопасти размещены диаметрально противоположно друг к другу вокруг оси вращения вертикального вала и установлены на равном расстоянии от вертикального вала с возможностью поворота в вертикальной плоскости; причем они жестко соединены между собой вверху и внизу траверсами. При этом внутренние поверхности каждой рабочей лопасти жестко закреплены на торцах горизонтальной верхней и нижней траверс.
Рабочие лопасти могут быть выполнены в форме: прямоугольной, выпукло-вогнутой, изогнуто-винтообразной, дугообразной, спирально изогнутой по вертикали и по дуге - по горизонтали, т.е. имеют переменное сечение. При этом изогнутая винтообразная форма рабочих лопастей всегда обращена к поступающему потоку воздуха независимо от направления его движения. За счет этого создается смерчеподобный поток воздуха, что уменьшает лобовое сопротивление, а также резко повышает эффективность работы двигателя при любых скоростях ветрового потока независимо от рельефа местности. Благодаря переменному сечению и дугообразному профилю рабочих лопастей увеличивается их аэродинамический эффект. Полезной поверхностью является внутренняя поверхность лопастей. Форма лопасти выбрана таковой, что происходит минимальное сопротивление при движении данных лопастей. Элементы конструкции каркаса каждой рабочей лопасти в случае использования легко-прочного материала выполнены из хорошо обтекаемого форму поперечного сечения данной лопасти.
Крышка относительно вала вращения установлена сверху и зафиксирована при помощи креплений для предохранения элементов от атмосферного воздействия.
Предусмотрено установление основания - фундамента мачты, которое воспринимает и выдерживает нагрузку, складывающуюся из веса мачты и оборудования.
Целесообразно установление под нижним основанием крыши, которая защищает исполнительные механизмы от атмосферного воздействия.
Непостоянство силы ветра требует надежного сохранения энергии на периоды затишья. Исполнительные механизмы - это редуктор, электрогенератор и специальные механизмы, которые преобразуют и передают крутящий момент; аккумуляторная батарея и механизмы, необходимые для преобразования полученного постоянного тока в переменный ток. Муфта необходима для передачи крутящего момента от вала двигателя к валу передачи.
Энергия ветра потоком вращает рабочие лопасти, крутящий момент начинает передаваться на вал, с которого вращение затем передается другим потребителям энергии, т.е. происходит превращение механической энергии в электрическую энергию.
На фиг. 1 схематично изображен общий вид ветродвигателя с вертикальным валом вращения.
На фиг. 2 схематично изображены виды лопастей: а) прямые - прямоугольные лопасти; б), в), г) - разновидности лопастей: выпукло-вогнутые, дугообразные, спиралевидные, дугообразные, изогнутые по вертикали.
Ветродвигатель содержит неподвижную опору 1 с верхним 2 и нижним 3 основаниями. Внутри опоры 1 вдоль ее продольной оси на верхнем основании 2 в цилиндре 4 установлен вертикальный вал 5. Два подшипника 6 размещены на верхнем основании 2 внутри опоры 1. Подшипник 7 размещен на нижнем основании 3 опоры 1, который жестко соединен с ней нижним креплением.
К вращающемуся валу 5 с помощью радиальных траверс 8 и 9 присоединена каждая рабочая лопасть 10. На верхний конец вертикального вала 5 установлен опорный вал 11. Сверху на ветродвигатель установлена крышка 12. Внизу нижнего основания 3 установлена крыша 13. Исполнительные и специальные механизмы, муфта, двигатель и другие механизмы на чертеже не показаны.
Ветродвигатель работает следующим образом.
Рабочие лопасти 10, соединенные с верхними 8 и нижними 9 траверсами, под воздействием ветра начинают движение, т.е. вращаться вокруг опоры 1; приводят в движение опорный вал 11, который приводит во вращение ось вала 5, последний передает крутящий момент посредством маховика на двигатель. Вал 5 вращается в цилиндре 4, опираясь на два верхних 6 и один нижний 7 подшипники, таким образом, что отсутствует вибрация, изгиб или перекос вращающегося вала и всей конструкции, что приводит к увеличению работоспособности, сохранению энергии и повышению надежности ветродвигателя. Начинает работать редуктор, который вырабатывает электрический ток.
Заявленный ветродвигатель с вертикальным валом вращения апробирован в природных условиях г. Томска в 2016 г. Выполнен расчет двух видов лопастей: прямых и по спирали. Выработка энергии такого ветродвигателя с вертикальным валом вращения при скорости ветра 3 м/с (стартовав скорость 1 м/с) составляет 5,24 кВт (прямые лопасти) и 6,9 кВт (спиральные лопасти). При температуре воздуха 25°С мощность ветродвигателя составляет 6,207 кВт, а при температуре воздуха -25°С мощность составляет 7,458 кВт; что свидетельствует о надежном сохранении энергии в различное время года и на периоды затишья.
Применение заявленного ветродвигателя с вертикальным валом вращения обеспечивает возможность начала вращения вала при слабых ветрах, благодаря чему повышается надежность работы. Монтажные работы упрощены, уменьшено количество крепежных элементов; повышена безопасность обслуживания и работоспособность.