РОТОРНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к ветроэлектроэнергетике, в частности к конструкциям ветроэлектрических установок с неподвижными ветронаправляющими средствами, оси вращения роторов которых вертикальны, и может быть использована для привода генераторов электростанций.
Известен ветродвигатель, содержащий вертикальную ось вращения с закрепленными на ней в два яруса шестью лопастями, каждая из которых выполнена в виде ущемленного с одной стороны конуса, в котором одна от пирамиды грань с выступающим краем крепится к оси. Между собой лопасти в каждом ярусе крепятся шестью прямоугольными направляющими щитами. (Патент РФ №2455523, кл. F03D 3/00, 2012 (аналог)).
Известен ветряной двигатель с вертикальной осью вращения, содержащий, по меньшей мере, две лопасти, соединенные своими соответствующими нижними концами с вращающимся опорным подшипником мачты, при этом каждая из упомянутых лопастей также соединена своим верхним концом с вращающимся опорным подшипником мачты при помощи жесткого рычага, опирающегося на мачту и соединенного с вращающимся опорным подшипником. (Патент РФ №2382233, кл. F03D 3/00, 2010 (аналог)).
Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является роторный ветродвигатель, содержащий вал ротора и профилированные лопасти, закрепленные между верхней крышкой и основанием, имеющими форму круга, при этом лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и осью, выполнены изогнутыми по вертикали, установлены с встречным наклоном к потоку ветра и снабжены закрепленными на их внутренней стороне, по меньшей мере, тремя вихреобразующими козырьками, имеющими профиль винтообразно изогнутого полуцилиндра, выполненного с возможностью направления потока через зазор между лопастью и осью. Лопасти могут быть выполнены вогнутыми или изогнутыми винтообразно. (Патент РФ №2328620, МПК 7 F03D 3/00, 2008 (прототип)).
Недостатком известного решения является возможность появления бессистемного завихрения потока воздуха внутри устройства, что в свою очередь может привести к эффекту «запирания» воздушной массы внутри устройства, а в результате и к торможению вращения.
При создании полезной модели решалась задача повысить эффективность работы роторного ветродвигателя.
Технический результат - создание направленного вверх воздушного потока с контролируемой степенью его завихрения.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в роторном ветродвигателе, содержащем вал ротора и установленные между верхней крышкой и днищем профилированные лопасти ротора, согласно полезной модели роторный ветродвигатель дополнительно снабжен статором с направляющими лопатками, на днище внутри статора и коаксиально ему жестко закреплен воздухонаправляющий элемент со сквозным каналом для прохода вала ротора, при этом каждая из лопастей ротора выполнена в виде треугольника и жестко соединена с валом ротора с обеспечением возможности вращения между направляющими лопатками статора и образующей его воздухонаправляющего элемента.
При этом согласно полезной модели статор выполнен в виде жесткой пространственной конструкции, состоящей из расположенных друг над другом крышки и днища с центральным отверстием для прохода ротора с изогнутыми лопастями ветровой турбины, при этом крышка и днище статора соединены друг с другом рядом равномерно расположенных вдоль периметра днища изогнутых направляющих лопаток, каждая из которых жестко прикреплена к крышке и к днищу и выступает за пределы днища.
При этом согласно полезной модели днище статора выполнено в виде круга с центрально расположенным отверстием для выхода вала ротора, а крышка статора имеет форму кольца, диаметр отверстия которого больше внешнего диаметра ротора с лопастями.
При этом согласно полезной модели воздухонаправляющий элемент выполнен в виде усеченного конуса.
При этом согласно полезной модели на крышке статора жестко закреплена съемная накладка с установленным на ней подшипником для обеспечения возможности вращения ротора.
При этом согласно полезной модели ротор выполнен в виде пространственной конструкции, состоящей из изогнутых лопастей, прикрепленных к валу ротора посредством кольца для крепления верхней вершины каждой из треугольных лопастей ротора и посредством кольца для крепления средней вершины каждой из треугольных лопастей ротора, при этом кольцо для крепления верхней вершины каждой из треугольных лопастей ротора жестко прикреплено к валу коаксиально статору в верхней части ротора посредством спиц, причем один конец каждой из спиц жестко закреплен на валу ротора, а другой жестко закреплен на кольце для крепления верхней вершины каждой из треугольных лопастей ротора, а кольцо для крепления средней вершины каждой из треугольных лопастей ротора жестко закреплено на валу в средней части ротора непосредственно над верхней торцевой поверхностью воздухонаправляющего элемента статора.
При это согласно полезной модели основание каждой из треугольных лопастей ротора ориентировано вдоль направляющих лопаток статора, а нижняя из сторон каждой из треугольных лопастей ориентирована вдоль наружной поверхности воздухонаправляющего элемента, при этом верхняя и средняя вершин каждой из треугольных лопастей жестко прикреплены к валу ротора.
При этом согласно полезной модели треугольные лопасти ротора установлены с зазором между направляющими лопатками статора и его воздухонаправляющим элементом, и выполнены винтообразными по вертикали.
При этом согласно полезной модели вал ротора выполнен полым.
При этом согласно полезной модели ротор дополнительно снабжен жестко закрепленным на кольце для крепления средних вершин лопастей ротора малым воздухонаправляющим элементом, выполненным в виде охватывающего ротор пустотелого конуса, жестко соединенного с ротором, при этом образующая конуса выполнена, как продолжение образующей воздухонаправляющего элемента статора.
При этом согласно полезной модели роторный ветродвигатель дополнительно снабжен установленным над статором и жестко прикрепленным к нему воздуховодом, имеющим кольцеобразное поперечное сечение, уменьшающееся от статора кверху и заканчивающееся трубой на его узком конце.
При этом согласно полезной модели воздуховод выполнен в виде перевернутой воронки.
При этом согласно полезной модели воздуховод имеет кольцеобразный навес в виде усеченного конуса, жестко прикрепленный к нему со стороны статора.
Отличительной особенностью заявленного роторном ветродвигателе является то, что он дополнительно снабжен статором с направляющими лопатками, при этом на днище внутри и коаксиально статору жестко закреплен воздухонаправляющий элемент со сквозным каналом для прохода вала ротора, при этом каждая из лопастей ротора выполнена в виде треугольника и жестко установлена на валу ротора с обеспечением возможности вращения между направляющими лопатками и воздухонаправляющим элементом статора. Кроме того, отличительной особенностью является выполнение ротора в виде пространственной конструкции, состоящей из изогнутых лопастей, каждая из которых жестко закреплена на валу ротора, при этом в верхней части ротора посредством спиц, один конец каждой из которых жестко прикреплен к валу ротора, жестко, коаксиально статору установлено кольцо для крепления верхней вершины каждой из треугольных лопастей ротора, в средней части вала ротора непосредственно над верхней торцевой поверхностью воздухонаправляющего элемента статора жестко закреплено на валу ротора кольцо для крепления средней вершины каждой из лопастей ротора.
Все вышеперечисленные особенности конструкции позволяют сформировать изгибы лопастей ротора способными воспринимать различные углы атаки входящих потоков и контролируемо закручивать их, что значительно улучшает аэродинамические характеристики конструкции, а также позволяет создавать направленный вверх воздушный поток с контролируемой степенью его завихрения и ускорять его движение.
Полезная модель поясняется описанием конкретного примера ее выполнения и прилагаемыми чертежами, где на:
фиг.1 изображен общий вид роторного ветродвигателя;
фиг.2 - сечение А-А фиг.1 (взаимное расположение элементов статора и ротора);
фиг.3 - разрез Б-Б фиг.1 (взаимное расположение лопастей ротора и лопаток статора);
фиг.4 - сечение В-В фиг.1 (расположение элементов ротора, вид сверху).
Роторный ветродвигатель содержит, как это показано в нашем примере, статор 1 с изогнутыми направляющими лопатками 2 и установленный внутри статора 1 ротор 3 с изогнутыми лопастями 4, вал 5 которого механически, например, посредством муфты стандартной конструкции, связан с валом электрогенератора (на чертеже не показан) (фиг.1).
Статор 1 может быть выполнен в виде жестко закрепленной, например, на основании 7 пространственной конструкции, состоящей из расположенных друг над другом крышки 8 и днища 9 с центральным отверстием 10 для прохода вала 5 ротора 3 с его изогнутыми лопастями 4 (фиг.2).
Крышка 8 статора 2 может быть изготовлена, например, из листового металла в виде плоского кольца (фиг.2), внутренний диаметр которого больше наружного диаметра ротора 3 с закрепленными на нем изогнутыми лопастями 4.
Днище 9 статора 2, которое также может служить основанием 7, может быть изготовлено, например, из листового металла в виде круга, в котором, как уже сказано выше выполнено центрально расположенное отверстие 10 (фиг.2).
Крышка 8 и днище 9 статора жестко связаны, например, посредством сварки, друг с другом рядом изогнутых направляющих лопаток 2, равномерно расположенных вдоль периметра 12 днища 9, при этом каждая из направляющих лопаток 2 жестко прикреплена к крышке 8 и к днищу 9 и выступает за пределы днища 9 (фиг.2).
Направляющие лопатки 2 статора 1 могут быть выполнены из металлического листа толщиной, например, 2 мм, при этом следует иметь в виду, что толщина листа зависит от размеров ветродвигателя.
Поперечное сечение направляющих лопаток 2 статора 1 может иметь дугообразный профиль, что дает возможность сказать, что направляющие лопатки 2 выполнены радиально изогнутыми (фиг.3).
Направляющие лопатки 2 могут быть изогнуты таким образом, что промежуток между двумя соседними лопатками 2 образует плавно сужающийся в сторону ротора аэродинамический канал (конфузор). Этим достигается увеличение динамического давления и скорости потока воздуха, что в свою очередь позволяет увеличить общий КПД ветродвигателя. В то же время изогнутая направляющая лопатка 2 имеет большую жесткость, нежели прямая, что позволяет уменьшить толщину металла, из которого она изготовлена, и в целом снизить общую массу установки. Для придания дополнительной жесткости лопаткам 2 на кромке может быть выполнен отгиб.
На днище 9 внутри статора 1 жестко закреплен, например, сваркой, коаксиально установленный воздухонаправляющий элемент 14 со сквозным каналом 15 для прохода вала 5 ротора 3.
Воздухонаправляющий элемент 14 может быть выполнен пустотелым, например, из листового металла, в виде усеченного конуса, при этом образующая 16 усеченного конуса может быть по высоте, например, прямолинейной, параболической и т.п.
Сквозной канал 15 может быть выполнен в виде вваренного в воздухонаправляющий элемент 14 отрезка трубы, например, металлической.
На крышку 8 статора 1 сверху установлена съемная накладка 17, жестко закрепленная на крышке 8, например, посредством ряда резьбовых элементов крепления типа болт-гайка. Съемная накладка 17 выполнена в виде кольца с жестко закрепленными, например, сваркой, диагонально размещенными спицами 18, на которых жестко, например, сваркой, закреплена коаксиально статору 1 верхняя втулка 19 с верхним подшипниковым узлом 20 для обеспечения возможности вращения ротора 3.
Каждая из спиц 18 может быть выполнена, например, в виде отрезка металлического прутка или отрезка любого подходящего для этих целей профиля.
Нижняя втулка 21 с нижним подшипниковым узлом 22 для обеспечения возможности вращения ротора 3 жестко, например, сваркой, закреплена в днище 9 статора 1.
Ротор 3 выполнен в виде пространственной конструкции, состоящей из изогнутых лопастей 4, каждая из которых жестко закреплена на валу 5 ротора 3.
Каждая из лопастей 4 ротора 3 выполнена в виде треугольника и жестко соединена с валом 5 ротора 3 с обеспечением возможности вращения между направляющими лопатками 2 статора 1 и образующей 16 его воздухонаправляющего элемента 14.
В верхней части ротора 3 под крышкой 8 статора 1 размещено кольцо 26 для крепления верхней вершины 27 каждой из треугольных лопастей 4 ротора 3, жестко прикрепленное к валу 5 коаксиально статору 1 в верхней части ротора 3 посредством спиц 25, причем один конец каждой из спиц 25 жестко закреплен на валу 5 ротора 3, а другой жестко закреплен на кольце 26 для крепления верхней вершины каждой из треугольных лопастей 4 ротора 3 (фиг.4).
В средней части вала 5 ротора 3 непосредственно над верхней торцевой поверхностью 28 воздухонаправляющего элемента 14 жестко, например, сваркой, закреплено на валу 5 кольцо 29 для крепления средней вершины 30 каждой из треугольных лопастей 4 ротора 3.
Следует отметить, что основание 31 каждой из треугольных лопастей 4 ротора 3 ориентировано вдоль направляющих лопаток 2 статора 1, а боковая нижняя сторона 32 каждой из треугольных лопастей ориентирована вдоль образующей 16, т.е. вдоль наружной поверхности воздухонаправляющего элемента 14, при этом, как это показано выше, верхняя 27 и средняя 30 вершины каждой из треугольных лопастей 4 жестко прикреплены к валу 5 ротора 3, а треугольные лопасти 4 ротора 3 размещены с зазором между направляющими лопатками 2 статора 1 и его воздухонаправляющим элементом 14 для обеспечения возможности свободного вращения ротора 3 вместе с его лопастями 4 внутри статора 1.
Кроме того, следует отметить, что высота основания 31 каждой из треугольных лопастей 4 в развертке, т.е. при изготовлении, больше расстояния между днищем 9 и крышкой 8 статора 1, а при монтаже каждая из треугольных лопастей 4 устанавливается изогнутой и закрепляется на кольце 26 для крепления верхней вершины 27 и на кольце 29 для крепления средней вершины 30, что дает возможность сказать, что треугольные лопасти 4 выполнены винтообразными по вертикали, что позволяет сформировать изгибы лопастей 4 способными воспринимать различные углы атаки входящих потоков, что значительно улучшает их аэродинамические характеристики.
Вал 5 ротора 3 установлен с обеспечением возможности вращения в стандартных подшипниковых узлах верхнем 20 и 22, соответственно закрепленных на съемной накладке 17 и в днище 9 12, при этом вал 5 ротора 3 насквозь проходит сквозной канал 15 воздухонаправляющего элемента 14 статора 1.
Типы подшипников подшипниковых узлов 20 и 22 подбираются, исходя из размеров и массы роторного ветродвигателя.
На кольце 29 жестко, например, посредством сварки, закреплен малый воздухонаправляющий элемент 34, выполненный, например, в виде охватывающего ротор 3 и жестко соединенного с ним пустотелого конуса, при этом его образующая 35 является продолжением образующей 16 воздухонаправляющего элемента 14.
Вал 5 ротора 3 выполнен полым, например, в виде отрезка трубы, что позволяет проводить сквозь вал 5 провода от генератора (на чертеже не показано) в случае размещения последнего между двумя роторными ветродвигателями.
Роторный ветродвигатель дополнительно снабжен установленным над статором 1 и жестко прикрепленным к нему воздуховодом 36, имеющим кольцеобразное поперечное сечение, уменьшающееся от статора 1 кверху и заканчивающееся трубой 37 на его узком конце (фиг.1).
Как это показано в нашем примере, воздуховод 36 выполнен в виде перевернутой воронки, т.е. торец большого диаметра размещен непосредственно над статором 1 роторного ветродвигателя, и может быть изготовлен, например, штамповкой, например, металлическим из листового проката.
К торцу большого диаметра воздуховода 36, т.е. со стороны статора 1, жестко прикреплен, например, сваркой, кольцеобразный навес 38 в виде усеченного конуса, который также может быть изготовлен из металлического листового проката.
Для обеспечения жесткости конструкции воздуховода 36 с внутренней его стороны вдоль торца может быть жестко закреплен, например, сваркой, обод, являющийся несущим элементом воздуховода 36, при этом обод может быть изготовлен, например, в виде кольца из стального уголка направленного вершиной к оси вращения.
К ободу могут быть приварены кронштейны, выполненные в виде косых стоек из того же материала, что и обод, для обеспечения возможности установки воздуховода 36 над статором 1 роторного ветродвигателя.
Воздуховод 36 может быть закреплен над статором 1 посредством кронштейнов традиционной конструкции, например, посредством резьбовых элементов крепления, например, болт-гайка, на выступающих за пределы крышки (на чертеже не показаны).
Устройство работают следующим образом.
Роторный ветродвигатель монтируют на месте его использования: на изготовленное основание (на чертеже не показано) устанавливают собранный в заводских условиях статор 1, затем в статоре 1 устанавливают собранный в заводских условиях ротор 3, а сверху закрепляют на статоре воздуховод 36 с трубой 37 и кольцеобразным навесом 38.
Воздушный поток, захватывается изогнутыми направляющими лопатками 2 статора 1, которые направляют его на изогнутые лопасти 4 ротора 3, создавая усилие для раскручивания ротора 3.
Далее направляемый совокупностью вогнутой поверхности лопасти 4 ротора 3 и образующей 16 воздухонаправляющего элемента 14 статора 1 воздушный поток попадает на широкую часть лопасти 4 ротора 3, создавая на ней давление, приводящее, с одной стороны, к вращению ротора 3, а с другой стороны, создавая направленный вверх контролируемо закрученный воздушный поток поднимается по вращающейся образующей 35 малого воздухонаправляющего элемента 34 ротора 3 и затем выталкивается за пределы внутреннего пространства установки воздуховодом 36, ускоряя движение воздушного потока через трубу 37.
Кольцеобразный навес 38 помогает улавливать низовые воздушные потоки и защищает от верхних порывов ветра, способных создавать нежелательные воздушные завихрения над широкой частью лопасти 4 внутри установки, мешающие прохождению воздуха по намеченной траектории.
Таким образом, использование заявленной конструкции роторного ветродвигателя позволяет формировать входящие потоки и контролируемо закручивать их, что позволяет создавать направленный вверх воздушный поток с контролируемой степенью его завихрения и ускорять его движение.