Ветродвигатель

 

Использование: ветроэнергетика, для создания гидроэнергетических стационарных и передвижных установок, в качестве движителя для морских и сухопутных транспортных средств, в том числе спортивных, в производстве игрушек. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит два ротора с параллельными вертикальными осями, размещенные в поворотном каркасе, при этом каждый ротор выполнен в виде цилиндра с дисками по торцам, диаметр которых больше диаметра цилиндра, снабжен гибкими лопастями, закрепленными без зазора задними кромками на наружной поверхности цилиндра под острыми углами к ней, вертикально и симметрично относительно оси ротора, а верхними и нижними кромками закрепленными по дуге к соответствующим, выступающим за диаметр цилиндра, поверхностям дисков, имеющим форму колец, при этом ширина колец составляет 0,1 - 0,2 диаметра цилиндра, ширина лопастей 0,3 - 0,5 диаметра, а роторы установлены друг от друга на минимальном расстоянии, обеспечивающим возможность их вращения в противоположных направлениях, и заключены между двумя горизонтально расположенными плоскими платформами, являющимися составной частью неподвижного каркаса, служащим для установки поворотного каркаса. 1 н. п. ф-лы, 3 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к гидроэнергетике и может быть использовано для создания гидроэнергетических стационарных и передвижных установок, в качестве двигателя для морских и сухопутных транспортных средств, в том числе спортивных, в производстве игрушек и т. п.

Известен ветродвигатель (прототип), содержащий размещенные в каркасе с возможностью вращения два ротора с параллельными вертикальными осями, выполненными в виде лопастей специальной формы, при этом роторы и каркас при взаимодействии устройства с ветром вращаются в одну сторону (заявка Великобритании N 2241747, 1991).

Недостатками данного устройства являются: малая эффективность работы лопастей, связанная с малым разностным сопротивлением, сложность конструкции ротора лопасти, ассиметрия ротора относительно его оси вращения, что требует особого внимания к прочности конструкции.

Целью изобретения является устранения указанных недостатков, а именно упрощение конструкции, повышение коэффициента использования энергии ветра лопастями роторов, осуществление автоматической ориентации ветродвигателя на потребление максимальной мощности потока и на минимальное аэродинамическое сопротивление ему, расширения области применения путем формирования вращающимися роторами двух противоположно закрученных вихрей, взаимодействующих с набегающим потоком.

Поставленная цель достигается тем, что: в ветродвигателе, содержащем два ротора с параллельными вертикальными осями, размещенные в повторном каркасе, каждый ротор выполнен в виде цилиндра с дисками по торцам, диаметр которых больше диаметра цилиндра, снабжен гибкими лопастями, закрепленными без зазора задними кромками на наружной поверхности цилиндра под острыми углами к ней вертикально и симметрично относительно оси ротора, а верхними и нижними кромками, закрепленными по дуге к соответствующим, выступающим за диаметр цилиндра, поверхностям дисков, имеющим форму колец, при этом ширина колец составляет 0,1 0,2 диаметра цилиндра, ширина лопастей 0,3 0,5 диаметра, а роторы установлены друг от друга на минимальном расстоянии, обеспечивающем возможность их вращения в противоположных направлениях, и заключены между двумя горизонтально расположенными плоскими платформами, являющимися составной частью неподвижного каркаса, служащим для установки повторного каркаса; роторы выполнены в виде полых, надувных, герметичных цилиндров из непроницаемого, прочного, эластичного материала; лопасти выполнены из мягкого, непроницаемого, прочного материала типа парашютного шелка, пленки, специальной ткани и т. п.

ветродвигатель имеет закрепленные на поворотном каркасе вертикальные стенки, образующие кожух обтекаемой, каплеобразной формы, спереди открытый набегающему на роторы потоку, а сзади имеющий суженную, удлиненную часть, при этом роторы размещены в полости так, что расстояние между их осями вращения составляет 1,75 2,25 диаметра цилиндра.

На фиг. 1 изображен ветродвигатель с установкой роторов на минимальном расстоянии друг от друга; на фиг. 2 и 3 схемы взаимодействия этого ветродвигателя с набегающим потоком; на фиг. 4 кожух в полости которого размещены роторы; на фиг. 5 схема взаимодействия ветродвигателя с кожухом с набегающим потоком.

На горизонтальных неподвижных платформах 1 (фиг. 1) на опорных подшипниках 11 с помощью валиков 5 закреплен повторный каркас 2, в котором установлены цилиндрические роторы 3. На нижнем валике 5 повторного каркаса 2 установлен на подшипниках с возможностью вращения шкив 10, на который передается вращение с роторов 3 с помощью гибкой передачи 9. Кроме того, на поворотном каркасе 2 может жестко крепиться кожух 12, имеющий с боков обтекаемую форму и удлиненную хвостовую часть (фиг. 4).

Каждый из роторов имеет герметичный корпус 3 из непроницаемого, прочного, эластичного материала, выполненного в виде цилиндра, ограниченного сверху и снизу дисками, имеющими диаметры несколько больше диаметров цилиндра. Вдоль корпуса на внешней цилиндрической поверхности симметрично относительно оси вращения под острым углом к поверхности закреплены гибкие лопасти 4, выполненные из мягкой, непроницаемой, прочной ткани или пленки. Верхние и нижние концы лопастей 4 закреплены на выступающих за боковую поверхность цилиндра поверхностях дисков 6 по дуге, имеющей острый угол с боковой поверхностью цилиндра (25 30^oC), а задняя кромка лопасти закреплена без зазора на наружной поверхности цилиндра с помощью клея или иным способом, при этом лопасть в целом закреплена так, что передняя незакрепленная кромка лопасти свободно провисает, касаясь боковой поверхности цилиндра. По центру дисков 6 установлены валики 8, которые смонтированы в подшипниках 7 поворотного каркаса 2, при этом валики 8, установленные на нижних основаниях роторов, выходят за рамку поворотного каркаса и имеют на концах шкивы, благодаря которым вращение с роторов 3 передается через гибкую передачу 9 на шкив 10, с которого оно далее передается на вал электрогенератора или иного потребителя. Кроме того, нижние валики 8 могут быть выполнены полыми, имеющими ниппеля для создания и поддерживания внутри цилиндров давления, обеспечивающего роторам необходимую жесткость.

Поворотный каркас 2, выполненный в виде жесткой прямоугольной рамки или иной конструкции, устанавливается с помощью валиков 5 на опорных подшипниках 11, смонтированных на горизонтальных неподвижных платформах 1, благодаря чему он может свободно поворачиваться в ту или иную сторону под действием набегающего потока. Кроме того, на поворотном каркасе может жестко крепиться кожух 12 (фиг. 4), имеющий с боков обтекаемую форму, спереди слегка вогнутые внутрь закрылки, направляющие набегающий поток на лопасти роторов 3, а сзади удлиненную хвостовую часть, выполняющую роль флюгера, ориентируя ветродвигатель навстречу набегающему потоку.

Если ветродвигатель не имеет кожуха (фиг. 1), то роторы 3 устанавливаются на поворотной раме 2 на минимальном расстоянии друг от друга, обеспечивающем возможность их вращения в противоположных направлениях, а при его наличии (фиг. 4) роторы устанавливаются так, что расстояние между их осями вращения составляет 1,75 2,25 диаметра цилиндра.

Ветродвигатель работает следующим образом. Под действием набегающего потока на лопасти 4 роторов 3, последние начинают вращаться, каждый вокруг собственной оси вращения в противоположных направлениях (фиг. 2, 5). Это вращение через валики со шкивами 8 и гибкие передачи 9 передается на шкив 10. Гибкие передачи смонтированы таким образом, что роторы 3 вращают шкив 10 в одну сторону. В целом механизм передачи вращения с роторов на шкив 10 позволяет поворотному каркасу 2 вместе с вращающимися роторами 3 свободно поворачиваться в любую сторону, не препятствуя при этом передаче вращения с роторов на шкив 10. Вращение со шкива 10 передается на вал электрогенератора, возможно через редуктор.

Характер взаимодействия набегающего потока с вращающимися роторами поясняется фиг. 2, 3 и 5. На фиг. 2 изображены линии тока обтекания набегающим потоком роторов, когда направление потока перпендикулярно плоскости поворотного каркаса и роторы установлены на минимальном расстоянии руг от друга. В этом случае линии тока концентрируются вблизи цилиндрической поверхности роторов с внешней их стороны, практически не проникая в область между роторами (такая конфигурация линий тока известна в гидродинамике как "овал Кельвина"), что приводит к тому, что скорость потока, воздействующего на лопасти в рабочем состоянии, увеличивается как минимум в два раза в сравнении со скоростью основного потока (ветра). Отметим, что лопасти находятся в рабочем состоянии в те моменты времени, когда направление их движения совпадает с направлением скорости набегающего на них потока. Находящиеся в рабочем состоянии лопасти надуваются потоком подобно парусу, оказывая ему максимально возможное сопротивление, в то время как "нерабочие" лопасти прижимаются к цилиндрической поверхности, плотно облегая ее и не оказывая при этом практически никакого сопротивления потоку. Т. к. работа лопастей ротора пропорциональна разности коэффициентов сопротивления потоку рабочих и нерабочих лопастей (разностному сопротивлению) и квадрату скорости потока воздействующего на рабочие лопасти, то с учетом вышеизложенного обеспечивается высокий коэффициент использования энергии ветра лопастями роторов. Наличие в качестве оснований цилиндров дисков, имеющих несколько большие чем цилиндры диаметры, приводит к дополнительной концентрации линий тока и повышению давления со стороны потока на рабочие лопасти, что способствует увеличению эффективности работы лопастей.

Если набегающий поток направлен под углом к плоскости поворотного каркаса отличного от 90^o (фиг. 3), то взаимодействие вращающихся в разных направлениях роторов с потоком приводит к появлению пары сил, действующих на роторы, обусловленных эффектом Магнуса, связанный с ними вращающий момент поворачивает каркас до тех пор, пока плоскость каркаса не установится перпендикулярно потоку, ориентируя таким образом ветродвигатель на максимальное потребление мощности и на минимальное сопротивление потоку.

Если ветродвигатель снабжен кожухом, то (фиг. 5) линии тока концентрируются в области между роторами, т. е. скорость потока, воздействующего в данном случае на рабочие лопасти, может в несколько раз превосходить скорость основного потока (ветра), в то время как нерабочие лопасти не будут испытывать никакого воздействия со стороны потока благодаря кожуху, при этом потребление мощности потока будет максимальным при условии, если расстояние между осями вращающихся роторов составляет 1,75 2,25 диаметра цилиндра. Ориентация ветродвигателя навстречу потоку осуществляется за счет удлиненной хвостовой части кожуха, действующей подобно флюгеру.

Горизонтальные платформы 1 (фиг. 1) способствуют образованию вихрей вращающимися роторами, т. к. в данном случае они являются границами, на которых эти вихри имеют начало и конец. В свою очередь вихри усиливают концентрацию линий тока, т. е. скорость потока, воздействующего на рабочие лопасти, и таким образом увеличивают эффективность работы ветродвигателя.

Формула изобретения

1. Ветродвигатель, содержащий два ротора с параллельными вертикальными осями, размещенных в поворотном каркасе, отличающийся тем, что он снабжен двумя горизонтальными плоскими платформами, образующими часть неподвижного каркаса, между которыми расположен поворотной каркас, а каждый ротор выполнен в виде цилиндра с дисками по торцам, диаметр которых больше диаметра цилиндра, снабжен гибкими лопастями, закрепленными без зазора задними кромками на наружной поверхности цилиндра под острыми углами к нему вертикально оси ротора, а верхними и нижними кромками прикрепленными по дуге к соответствующим выступающим за диаметр цилиндра поверхностям дисков, имеющим форму колец, при этом ширина колец составляет 0,1 0,2 диаметра цилиндра, ширина лопастей 0,3 0,5 диаметра цилиндра, а роторы установлены друг от друга на расстоянии, обеспечивающем возможность их вращения в противоположных направлениях.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что роторы выполнены в виде полых надувных герметичных цилиндров из непроницаемого прочного эластичного материала.

3. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что лопасти выполнены из мягкого непроницаемого прочного материала типа парашютного шелка, пленки.

4. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит закрепленные на поворотном каркасе вертикальные стенки, образующие кожух, открытый спереди набегающему потоку и имеющий с боков обтекаемую форму, а сзади суженную удлиненную часть, при этом расстояние между осями вращения роторов, расположенных в полости кожуха, составляет 1,75 2,25 диаметра цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5