ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
WIND TURBINE

Предлагаемое изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройствам, преобразующим энергию потока воздуха во вращательное движение, передаваемое на электрогенератор, насос или другой вращающийся механизм.
Известна ветроустановка [1] (аналог), содержащая, расположенный на фундаменте вертикальный вал с траверсами, с установленными на них лопастями со звездочками и цепной передачей, с возможностью поворота лопастей в соответствующее положение относительно направления ветра.
Известен также преобразователь энергии потока воздуха [2] (аналог), содержащий диски большого диаметра, лопасти, центральную ось (вал), планетарный шестеренчатый механизм, цепные передачи для принудительного поворота лопастей в соответствие с положением ротора относительно направления ветра.
К недостаткам упомянутых устройств относятся усложнение конструкции, сниженный КПД из-за большого числа цепных и шестеренчатых передач, необходимости принудительно корректировать положение лопастей при изменении вектора скорости ветра.
Наиболее близким по совокупности признаков (прототипом) является техническое устройство [3], содержащее ротор, установленный с возможностью вращения относительно вертикальной оси, поворотные лопасти, закрепленные на роторе ассиметрично относительно их осей вращения.
Несмотря на кажущуюся простоту, устройство имеет существенные недостатки, которые создадут серьезные препятствия в практической реализации. При переходе гибких лопастей ротора с наветренной стороны на подветренную они под действием ветра практически мгновенно поворачиваются вокруг своих осей из одного крайнего положения в другое, которое ограничивается гибким тросом, закрепленным на лопасти и на выступе ротора. При этом выгнутость гибкой лопасти в динамическом режиме меняется на противоположную, что сопровождается резким хлопком и быстрым выходом из строя лопастей, гибких тросов, их креплений к лопасти и выступу на роторе. Эти факторы, а также изменение степени натяжения гибких тросов во время вращения ротора, приводят к понижению надежности, долговечности, повышению уровня вибрации и шума, снижению эффективности работы при незначительных скоростях ветрового потока.
В основу изобретения поставлена задача упрощения конструкции, повышение коэффициента полезного действия.
Это достигается с помощью того, что на нижних концах сбегающих участков поворотных жестких лопастей установлены дополнительные вертикальные оси со свободно вращающимися роликами, обкатывающими ограничительные дугообразные опоры, жестко установленные на нижнем основании поворотного корпуса, выполненного в виде тонкостенного цилиндра, частично охватывающего ротор, с прямоугольными симметричными входным и выходным отверстиями на цилиндрической поверхности, при этом радиус одной дугообразной опоры меньше радиуса ротора, а радиус другой дугообразной опоры больше радиуса ротора, со стороны входного отверстия жестко установлен конфузор, со стороны выходного отверстия к корпусу жестко присоединен флюгер, а к нижнему основанию корпуса коаксиально оси ротора жестко присоединена труба, опирающаяся с возможностью вращения на станину ветродвигателя.
Конструкция упрощена за счет уменьшения количества деталей ветродвигателя, отсутствия шестеренчатых механизмов, цепных передач, тросовых соединений и т. п. для принудительного поворота лопастей. Повышение кпд осуществлено за счет того, что в любой момент времени, при любом направлении ветра все лопасти ветроколеса (кроме одного) участвуют в создании вращающего момента и преобразовании энергии ветрового потока в механическую энергию. Установка конфузора, увеличивая скорость входящего воздушного потока в ротор, обеспечивает эффективную работу установки при малых скоростях ветра. Повышению кпд также способствует тот факт, что развороты лопастей и повороты подвижного корпуса ветроколеса осуществляется за счет энергии ветрового потока.
Техническая сущность устройства поясняется на фиг. 1, 2, 3, 4. Ротор 1 (фиг. 1), жестко закрепленный на валу 2, имеет возможность вертикально вращаться, опираясь на опорно-упорный подшипник 15, установленный в опоре 12. На роторе в вертикальных осях 4 (фиг. 1, 2, 4) ассиметрично установлены свободно вращающиеся поворотные жесткие лопасти 3. На концах сбегающих участков поворотных лопастей в нижней части установлены дополнительные вертикальные оси 5 (фиг. 1, 2) со свободно вращающимися роликами 6, которые имеют возможность обкатывать ограничительные дугообразные опоры 7, 8 (фиг. 1, 4), обеспечивающие необходимое положение лопасти при вращении ротора и определенном направлении ветра. Опора 7 в виде изогнутой планки меньшего радиуса, а опора 8 большего радиуса, чем радиус ротора жестко установлены на нижнем основании поворотного корпуса 9 (фиг. 1, 3), частично охватывающим ротор. Корпус выполнен в виде тонкостенного цилиндра с прямоугольными симметричными входным и выходным отверстиями на цилиндрической поверхности. Со стороны входного отверстия корпуса, жестко соединенного с конфузором 10 (фиг. 1), установлена опора 7, а со стороны выходного отверстия - опора 8. Конфузор, увеличивая скорость входящего воздушного потока в ротор во столько раз, во сколько входная площадь конфузора больше площади входного отверстия корпуса, обеспечивает эффективную работу установки при пониженных скоростях ветрового потока. К корпусу со стороны выходного отверстия также жестко присоединен флюгер 11 (фиг. 1), а к нижнему основанию корпуса коаксиально оси ротора жестко присоединена труба 12 (фиг. 1, 3), опирающаяся с возможностью вращения на опорный подшипник 13 (фиг. 1) станины 14 (фиг. 1) ветродвигателя.
Работа ветродвигателя поясняется на фиг. 4, на которой показаны позиции одной из поворотных лопастей при повороте ротора на 360° при указанном направлении ветра. Лопасть 3 в поз. а, б автоматически с помощью ветра устанавливается в неактивное флюгерное положение и не оказывает сопротивления вращению ротора по часовой стрелке.
В поз. в лопасть накатывается своим роликом на ограничительную дугообразную опору 7, закрепленную на подвижном корпусе установки, тем самым поворачиваясь на небольшой угол относительно ветра и создавая определенный вращающий момент.
В поз. г, д, е лопасть устанавливается в активное положение, создающее вращающий момент, что обеспечивается выбором соответствующего радиуса ограничительной дугообразной опоры.
В поз. ж ролик лопасти скатывается с ограничительной опоры 7 и лопасть за счет флюгерного эффекта устанавливается последовательно в поз. з, и.
В поз. к ролик накатывается на ограничительную опору 8, тем самым устанавливая лопасть в необходимое положение, соответствующее подветренной стороны ротора.
В поз. л, м, н лопасть занимает активное положение и развивает положительный вращающий момент.
В поз. о ролик скатывается с ограничительной опоры 8 и лопасть под действием флюгерного эффекта возвращается в поз. а.
При изменении направления ветра флюгер 11 поворачивает корпус конфузором против направления ветра и вместе с корпусом поворачиваются ограничительные дугообразные опоры 7, 8, вызывая необходимое положение соответствующих лопастей для обеспечения максимального вращающего момента при соответствующей скорости ветра и минимального сопротивления лопастей в неактивном режиме.
Достоинствами предлагаемого ветродвигателя являются упрощенная конструкция, повышенный коэффициент полезного действия.
Литература
1. Ветроустановка, изобретение, патент Российской Федерации Жупахина А.Д. RU 2030777 от 01. 11.1990 г.
2. Преобразователь энергии потока воздуха, изобретение, патент Российской Федерации Темникова А.В. RU 2219369 от 25.12.2000 г.
3. Ветродвигатель (ветряк), изобретение, патент Российской Федерации Чебоксарова В.В. RU 2075636 от 17. 02.2010 г.