Ветродвигатель

(51)5 Е 03 О 7/06 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) Авторское свидетельство СССР М. 1017814, кл, Е 03 О 3/00, 1983.Авторское свидетельство СССР М. 1451330, кл. Е 03 О 7/06, 1989, (54) ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ(57) Использование: в ветроэнергетике, в частности в ветродвигателях с вертикальной осью вращения. Сущность: под действием потока флюгер поворачивается и его наИзобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветряным двигателям с вертикальным расположением вала ротора, и может быть использовано как в стационарных сухопутных условиях, так и на морских судах.Цель изобретения - снижение материалоемкости, повышение эффективности использования ветровой энергии и. надежности ветродвигателя,На фиг,1 показан ветродвигатель, общий вид; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг,З - лопасть ветродвигателя; на фиг. 4- сечения Б-Б и В-В; на фиг,5 - разрез А - А на фиг.2; на фиг.б - флюгерный узел; на фиг:7 - установка ветродвигателя на водном транспортном средстве; на фиг.8 - расположение токосьемников; на фиг.9 - лопасть, продольный разрез; на фиг.10 - рамка с аэродинамическим дисбалансом; на фиг.11 - рамка с флюгером в рабочем положении; на фиг,12 - рамка с аэродинамическим дисбалансомЖ 1799431 АЗ правление совпадает с направлением ветра, Один элемент лопасти попадает в сектор, его закреплено устройство, воздействующее н а чувст вител ь н ый зле. мент, Сигнал от датчика углового положения поступает на фиксатор, электромагнит втягивает сердечник и рамка освобождается. Из-за аэродинамического и/или весового дисбаланса рамка поворачивается в держателе на своей оси и устанавливается по ветру. Из-за появляющегося аэродинамического сопротивления лопасти и вал начинают вращаться, 3 з,п.ф-лы, 12 ил. Ветродвигатель (фиг,1,2) содержит корпус 1 с вертикальным валом отбора мощности 2, закрепленные на этом валу по меньшей мере три лопасти 3, состоящие из держателей 4 и рамок 5 с парусами 6, Вал отбора мощности 2 установлен в корпусе 1 на опорном 7 и упорном 8 подшипниках, Вал 2 связан с устройством отбора мощности, например, электрогенератором 9 или каким-либо механическим устройством. Рамка 5 (фиг,З) выполнена в виде жесткого каркаса, состоящего из горизонтальных стержней 10 и вертикальных стоек 11. На этом каркасе закреплен парус 6. Благодаря тому, что рамка 5 шарнирно установлена в держателе 4 на оси, совпадающей с осью симметрии рамки 5, последняя является аэродинамически сбалансированной в своем рабочем положении, т.е. при движении лопасти 3 по ветру, когда рамка 5 принудительно удерживается в плоскости держателя 4 посредством фиксатора 12.Для обеспечения аэродинамического дисбаланса в нерабочем положении рамки1797431 Составитель Э.ОльховскийРедактор С,Кулакова Техред М.Моргентал Корректор С.Ли Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Г а,10 каз 791 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/510 15 40 из лопастей 3 и выполнен например, в виде 45 50 5, т.е, когда она расфиксирована и свободно вращается на своей оси при движении лопасти 3 против ветра, вертикальные стойки 11 (фиг.4) выполнены с каплеобразным профилем в поперечном сечении, причем утолщение профиля обращено наружу рамки 5, Другим вариантом обеспечения аэродинамического дисбаланса является установка в плоскости рамки 5 наудлиненных горизонтальных стержнях 10 параллельно стойкам 11 флюгеров или свободных полотнищ, создающих флюгерный эффект,Для обеспечения весового дисбаланса рамки 5 горизонтальные стержни 10 выполняются полымии частично заполненными жидкостью (на чертеже не показана), свободно перетекающей внутри стержня под действием центробежных сил, Возможны также и другие конструктивные варианты выполнения рамки 5 с аэродинамицеским и весовым дисбалансом.Система управления положением рамок 5 включает в себя фиксаторы 12, представляющие собой электромагнитные исполнительные механизмы, закрепленные на держателях с возможностью взаимодействия с каркасом рамки 5. На фиг. 5 изображен один из вариантов выполнения фиксатора 12 в виде управляемого электромагнита 13 с подпружиненным сердечником 14 и накладки 15 с отверстием 16 для прохода сердечника 14, размещенной . нэ горизонтальном стержне 10, Возмокно также выполнение фиксатора 12, например, в виде электромагнита, взаимодействующего непосредственно с накладкой из магнитопроводящего материала, закрепленной на стержне 10 (на чертеже этот вариант не показан). Система управления положением рамок содержит также флюгер 17 (фиг.б) и датчик углового положения лопастей относительно направления ветра. Чувствительный элемент этого датчика расположен на каждой токосъемников 18, Устройство, воздействующее на цувствительный элемент, расположено на флюгере 17 и выполнено, .например; в виде токопроводящего сектора или сегмента 19, связанного с источником тока (на чертеже не показан) и охватывающим сектор с углом -15 - +165 относительно плоскости аэродйнамического гребня флюгера 17, Датчик углового положения лопастей может быть также выполнен, например, оптическим со светодиодом в качестве чувствительного элемента и источником излучения, установленным на флюгере 17, индукционным, ультразвуковым и т.д. В зависимости от типа датчика система уп 20 25 30 35 равления может включать в себя схему преобразования сигнала с датчика в управляющее воздействие на фиксаторы, В варианте выполнения, показанном на фиг.б, фиксаторы 12 напрямую связаны через токосъемники 18 и сегмент 19 с источником тока, При всех вариантах выполнения датчика сектор воздействия на чувствительный элемент должен находиться в указанном диапазоне -15 - +165 относительно плоскости аэродинамического гребня флюгера, т.е, направления ветра, т.к. это и есть зона срабатывания датчика и, соответственно, фиксаторов 12,Зона срабатывания фиксаторов 12 смещена на 15 относительно направления ветра для компенсации возможных колебаний рамок при порывах ветра и изменениях направления. Смещение зоны захвата рамки более чем на 165 может привести к проскакиванию рамки (незахвату) и ее холостому ходу в рабочей зоне, Уменьшение зоны захвата менее 165 увеличивает аэродинамическое сопротивление рамок на холостом ходу в случае преждевременного захвата и снижению КПД ветродвигателя, Увеличение угла расфиксирования рамок более чем на -15 приводит к увеличению амплитуды колебания рамки на холостом ходу, а уменьшение - к возможной работе рамки в зафиксированном положении в зоне холостого хода и связанными с этим повышение аэродинамического сопротивления и возможным переколебанием.На фиг.7 показан вариант установки четырехлопастного ветродвигателя на водном транспортном средстве, В этом случае лопасти устанавливаются одна над другой поярусно традиционно для парусных судов. Вал отбора мощности 2 установлен коаксиально с мацтой на подшипниках. Крестообразные реи закреплены на валу отбора мощности 2 посредством подшипников, Вся конструкция мачты жестко связана с корпусом судна посредством вант, закрепленных также на консолях рей,Электродвигатель работает следующим образом.Под действием набегающего ветрового потока флюгер 17 разворачивается таким образом, что плоскость его аэродинамического гребня совпадает с направлением ветра, При этом по меньшей мере один чувствительный элемент 18 хотя бы одной из лопастей 3 (при трехлопастном выполнении ветродвигателя) попадает в сектор, где закреплено устройство 19, воздействующее на цувствительный элемент 18. Сигнал от датчика углового положения (т.е. его чувствительного элемента) поступает на фиксатор 12, Электромагнит 13 втягивает5 10 15 20 25 30 35 сердечник 14, который выходит из отверстия 16 в накладке 15 и рамка 5 расфиксируется. Благодаря аэродинамическому и/или весовому дисбалансу эта рамка 5 поворачивается в держателе 4 нэ своей оси и устанавливается по ветру, т,е. ее плоскость совпадает с направлением ветра; вследствие чего ее аэродинамическое сопротивление становится минимальным. Поскольку в это же время остальные рамки 5 находятся в зафиксированном состоянии, т.е. их плоскости совпадают с плоскостями держателей 4, то их аэродинамическое сопротивление значительно больше, и лопасти 3, а с ними и вал 2 начинают вращаться, По мере поворота, лопастей 3 чувствительный элемент 18 следующей лопасти входит в сектор воздействия устройства 19 и рамки 5 этой лопасти расфиксируется и устанавливается по ветру, а чувствительный элемент 18 предыдущей лопасти выходит из сектора воздействия устройства 19 и рамка 5 этой лопасти захватывается фиксатором, Таким образом происходит поочередная фиксация рамок 5 в рабочем положении, при движении лопастей 3 по ветру. и передача вращательного момента на вал 2, Соответственно при движении лопастей 3 против ветра, рамки 5 освобождаются фиксаторами 12, устанавливаются по ветру и потери мощности на этих рамках минимальны,Б зависимости от типа фиксаторов 12, используемых в ветродвигателе, датчик углового положения лопастей может.не подавать ток на фиксаторы 12, как это описано выше, а наоборот обесточивать их. При этом режим работы ветродвигателя не изменится.В случае необходимости, например, при шквальном или штормовом ветре, все рамки 5 могут быть расфиксированы путем обесточивания (или подачи тока) на все фиксаторы 12, и таким образом резко снимается ветровая нагрузка, частота оборотов и изгибающие моменты на валу 2. Предлагаемый ветродвигатель может быть использован так в наземном варианте, при установке его на грунт, так и в морском варианте, при установке его на водное транспортное средство. В этом случае заявляемый ветродвигатель с успехом заменяет обычное парусное вооружение судна, Ветродвигатель на судне может использоваться в двух режимах, Первый режим аналогичен описанному выше. когда энер.гия с вала отбора мощности через редуктор передается на гребнойвинт. Второй режим осуществляется при движении судна в фордевинд. 8 этом режиме вал отбора мощности 2 стопорится таким образом, чтобы две диаметрально расположенные группы лопастей 3 с зафиксированными рамками 5 были установлены перпендикулярно направлению ветра, а две другие. группы лопастей 3 с расфиксированными рамками 5 располагаются по ветру, Ветродвигатель придает судну ход как обычное парусное сооружение.По сравнению с прототипом предлагаемый ветродвигатель имеет меньшую металлоемкость, т.к. в нем отсутствует механизм принудительного поворота рамок, Кроме того. в заявляемом ветродвигателе рамки 5, находящиеся в нерабочем положении, самоустанавливаются по ветру на всем протяжении нерабочего хода, т,е, на половине дуги окружности. что невозможно вдвигателе-прототипе и, следовательно, повышается коэффициент использования ветровой энергии, И, наконец, в заявляемом устройстве имеется возможность привести в случае необходимости, например при штормовом ветре, все рамки 5 в нерабочее положение, что повышает надежность двигателя,Ориентировочные расчеты показывают, что четырехлопастной ветродвигатель с размерами рамки бхб и.скорости ветра 5 м/с развивает мощность 830 кВт.Трехмачтовое парусное судно водоизмещением 4500 т с площадью рамок 120 мф на одной мачте при ветре 10 узлов в бейдевинд развивает мощность на одной мачте 2840 кВт, на трех мачтах 8525 кВт, что позволит судну иметь ход с учетом КПД не менее 10 узлов,Формула изобретения 1. Ветродвигатель, содержащий корпус с вертикальным валом отбора мощности, прикрепленные к последнему лопасти, выполненные в виде радиальных державок и рамок с горизонтальными стержнями и вертикальными стойками, шарнирно связанных с держэвками и установленных с возможностью поворота каждой рамки относительно оси вращения в державках, паруса, закрепленные на рамках, и систему управления положением рамок, включающую флюгер, источника тока и размещенные на державках фиксаторы рамок с электромагнитными приводами, подключенными к источнику тока, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения надежности и эффективности использования энергии ветра, рамки выполнены с возможностью установки в державках с аэродинамическим и/или весовым дисбалансом относительно оси вращения каждой рамки, а система управления положением рамок снабжена датчиком углового положе 1797431ния лопастей относительно направления ветра с чувствительным элементом, установленным на лопастях, установленным на флюгере устройством, связанным с чувствительным элементом и охватывающим сектор с углом -15+165. относительноОплоскости флюгера,2. Ветродвигатель по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что поперечное сечение каждой стойки имеет кэплевидный профиль,3. Ветродвигатель по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что каждая лопасть снабжена парой флюгерных элементов, установленных на стержнях рамки параллельно ее 5 стойкам и снаружи последних,4, Ветродвигатель по п,1, о т л и ч э ющ и й с я тем, что стержни рамок выполнены полыми и частично заполнены жидко стью,