Ветродвигатель

 

СОЮЗ СОВЕ 1 СКИХ

COl!ÈÀ!1ÈÑTÈ×ÅÑÊÈÕ

PF СПУБ!1ИК (5!)с F 03 D 7/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ (21) 4874188/06 (22) 20.08.90 (46) 28.02,93. Бюл. ¹ 8 (76) Э.В,Ольховский (56) Авторское свидетельство СССР

N 1017814, кл. F 03 DЗ/00,,1983.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1451330. кл. F 03 D 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.3 — лопасть ветродвигателя; на фиг. 4сечения 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 токосъемников; 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 дисбалансом, „„. Ж „„1799431 А3 правление совпадает с направлением ветра. Один элемент лопасти попадает в сектор, его закреплено устройство, воздействующее на чувствительный элемент. 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 ме ханическим устройством.

Рамка 5 (фиг.3) выполнена s 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 рамки

1797431

15

40 из лопастей 3 и выполнен например, в виде 45

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 на удлиненных горизонтальных стержнях 10 параллельно стойкам

11 флюгеров или свободных полотнищ, создающих флюгерный эффект, Для обеспечения весового дисбаланса рамки 5 горизонтальные стержни 10 выполняются полыми и 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 аэродинамическим 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. 5изображен 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 . на горизонтальном стержне 10. Возмо>кно 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.6) и датчик углового положения лопастей относительно направления ветра. Чувствительный элемент этого датчика расположен на каждой токосъемников 18, Устройство, воздействующее на чувствительный 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 уп20

35 равления может включать в себя схему преобразования сигнала с датчика в управляющее воздействие на фиксаторы. В варианте выполнения, показанном на фиг.6, 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 мачтой 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 чувствительный элемент 18. Сигнал от датчика углового поло>кения (т.e. его чувствительного элемента) поступает на фиксатор 12. Электромагнит 13 втягивает

1797431

20

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 на 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 гребной винт. Второй режим осуществляется при движении судна в фордевинд. 8 этом режиме вал отбора мощности 2 стопорится таким образом, чтобы две диаметрально расположенные группы попастей 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 в двигателе-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 м 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 державками и установленных с возможностью поворота каждой рамки относительно оси вращения B 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 à юшийся 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 положе1797431 ния 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. относительно

0 плоскости флюгера, 2. Ветродвигатель по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что поперечное сечение каждой стойки имеет каплевидный профиль, 3. Ветродвигатель по п.1, о т л и ч а юшийся 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 юшийся тем, что стержни рамок выполнены полыми и частично заполнены жидко10 стью, 1797431 сваг. 5

1797431

1797431

1797431

1797431 r:ти б б

1797431

Составитель Э.Ольховский

Редактор С,Кулакова Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор С.Лисина

Заказ 791 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101