Ветряной двигатель

Изобретение относится к экологически чистым энергетическим установкам и может быть использовано в ветряных двигателях с осью вращения ротора, совпадающей с направлением ветра. Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии ветра и создании ветряного двигателя с уменьшенными усилиями на опоре. Ветряной двигатель содержит поворотный корпус, на котором установлено лопастное колесо, оснащенное лопастями с фиксированным углом установки. Ветряной двигатель оснащен закрепленным на поворотном корпусе регулируемым входным направляющим аппаратом, включающим в себя поворотные направляющие лопатки и установленный за каждой из них дефлектор, соединенный с направляющей лопаткой устройством синхронного поворота, а колесо оснащено дефлекторами, установленными за каждой из лопастей колеса, и устройствами поворота дефлекторов, при этом ветряной двигатель оснащен механизмом поворота направляющих лопаток и устройством синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к экологически чистым энергетическим установкам и может быть использовано в ветряных двигателях с осью вращения ротора, совпадающей с направлением ветра.

Известен ветряной двигатель, содержащий поворотный корпус, на котором установлено лопастное колесо с осью вращения, параллельной направлению ветра, оснащенное лопастями с переменным углом установки лопасти (см. патент США №5213470, F 03 D 11/04, F 03 D 1/00, 25.05.1993). Оснащение лопастного колеса поворотными лопастями приводит к существенному усложнению конструкции, но дает возможность более эффективно использовать скорость ветра и регулировать мощность ветряного двигателя в соответствии с потреблением. В ветряных двигателях данного типа на поддерживающую опору действуют большие поперечные усилия, чтобы скомпенсировать вращающий момент лопастного колеса. Данному ветряному двигателю требуется достаточно мощное устройство для поворота лопастей. В установках данного типа максимальный КПД не превышает 50%.

Известен также ветряной двигатель, содержащий поворотный корпус, на котором установлены бироторные лопастные колеса с осью вращения, параллельной направлению ветра, оснащенные лопастями с фиксированным углом установки. Каждый ротор вращает свой вал и мощность, поступающая с обоих валов, суммируется на выходном вале, который подключается к силовому агрегату (см. патент США №4080100, F 03 D 1/02, 21.03.1978).Данная конструкция является наиболее эффективной из существующих с точки зрения эффективного использования энергии ветра и уменьшения нагрузок на опору. Однако наличие роторов, вращающихся в противоположных направлениях, требует введения в конструкцию дополнительного механизма суммирования мощности с двух валов.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является ветряной двигатель, содержащий поворотный корпус, на котором установлено лопастное колесо с осью вращения, параллельной направлению ветра, оснащенное лопастями с фиксированным углом установки (см. патент США №6246126 B1, F 03 D 1/00, 12.06.2001). Ветряные двигатели с фиксированным углом установки лопасти имеют наиболее простую конструкцию, что упрощает технологию изготовления и снижает стоимость ветряного двигателя. Однако данная конструкция ветряного двигателя имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра и практически неуправляема по генерируемой мощности.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании ветряного двигателя с повышенной эффективностью использования энергии ветра, для управления которым не требуется применения мощных приводов. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание ветряного двигателя с уменьшенными усилиями на опоре.

Поставленные технические задачи решаются тем, что ветряной двигатель, содержащий поворотный корпус, на котором установлено лопастное колесо с осью вращения, параллельной направлению ветра, оснащенное лопастями с фиксированным углом установки, согласно изобретению оснащен закрепленным на поворотном корпусе регулируемым входным направляющим аппаратом, включающим в себя поворотные направляющие лопатки и установленный за каждой из них дефлектор, соединенный с направляющей лопаткой устройством синхронного поворота, а колесо оснащено дефлекторами, установленными за каждой из лопастей колеса, и устройствами поворота дефлекторов, при этом ветряной двигатель оснащен механизмом поворота направляющих лопаток и устройством синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса.

При этом механизм поворота направляющих лопаток оснащен подвижно установленным в корпусе ветряного двигателя силовым кольцом, приводом перемещения силового кольца и кулисными механизмами, соединяющими силовое кольцо с валами направляющих лопаток.

Кроме того, устройство синхронного поворота дефлектора и направляющей лопатки представляет собой шарнирный четырехзвенник, включающий в себя ведущий поворотный рычаг, присоединенный к направляющей лопатке, ведомый рычаг, закрепленный на корпусе ветряного двигателя, и двуплечий рычаг, соединяющий концы ведущего и ведомого рычагов, при этом ведомый рычаг присоединен к средней части двуплечего рычага, первый конец двуплечего рычага присоединен к ведущему рычагу, а на его втором конце закреплен дефлектор.

При этом ведущий поворотный рычаг представляет собой концевую шайбу, закрепленную на торце направляющей лопатки.

Кроме того, каждое устройство поворота дефлектора лопастного колеса оснащено валиком с закрепленными на нем двумя качалками, на первой качалке закреплен дефлектор лопастного колеса, а вторая качалка связана с устройством синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса.

При этом устройство синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса включает в себя синхронизирующее кольцо, установленное на лопастном колесе с возможностью осевого перемещения, кулисные механизмы, связывающие синхронизирующее кольцо со вторыми плечами двуплечих качалок на лопастном колесе, и закрепленные на силовом кольце опоры, оснащенные опорными роликами с канавкой на их внешней поверхности, взаимодействующей с синхронизирующим кольцом.

Кроме того, ветряной двигатель оснащен дополнительным приводом, установленным симметрично относительно основного привода.

Сущность предложенного технического решения заключается в закрутке воздушного потока (сообщение ему окружной скорости) перед поступлением его на лопастное колесо, что приводит к увеличению мощности, снимаемой с лопастного колеса, и соответственно, повышает эффективность использования энергии ветра. Для создания закрутки воздушного потока ветряной двигатель оснащается закрепленным на поворотном корпусе регулируемым входным направляющим аппаратом, включающим в себя поворотные направляющие лопатки и установленный за каждой из них дефлектор, соединенный с направляющей лопаткой устройством синхронного поворота. Дефлектор позволяет регулировать окружную скорость воздушного потока перед входом в лопастное колесо, чтобы оптимизировать энергетические характеристики ветряного двигателя. Оснащение лопастного колеса дефлекторами, установленными за каждой из лопастей колеса, и устройствами поворота дефлекторов позволяет наиболее эффективно использовать энергию закрученного потока при фиксированном угле установки лопастей. Оснащение ветряного двигателя механизмом поворота направляющих лопаток и устройством синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса обеспечивает согласование углов поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса, что обеспечивает наиболее эффективное использование энергии ветра. Наличие в ветряном двигателе направляющих лопаток и согласование угла поворота направляющих лопаток с углом поворота дефлекторов лопастного колеса дает возможность скомпенсировать крутящий момент лопастного колеса с противоположным по направлению крутящим моментом на направляющем аппарате, что снижает нагрузки на опору ветряного двигателя или на любой другой узел подвески корпуса ветряного двигателя.

Оснащение механизма поворота направляющих лопаток подвижно установленным в корпусе ветряного двигателя силовым кольцом, приводом перемещения силового кольца и кулисными механизмами, соединяющими силовое кольцо с валами направляющих лопаток, позволяет одновременно от одного привода поворачивать в оптимальное положение все направляющие лопатки и соединенные с ними дефлекторы.

Предложенная конструкция устройства синхронного поворота дефлектора и направляющей лопатки, которая представляет собой шарнирный четырехзвенник, включающий в себя ведущий поворотный рычаг, присоединенный к направляющей лопатке, ведомый рычаг, закрепленный на корпусе ветряного двигателя, и двуплечий рычаг, соединяющий концы ведущего и ведомого рычагов, при этом ведомый рычаг присоединен к средней части двуплечего рычага, первый конец двуплечего рычага присоединен к ведущему рычагу, а на его втором конце закреплен дефлектор, обеспечивает наиболее эффективный поворот набегающего воздушного потока за счет согласованного перемещения относительно друг друга и набегающего воздушного потока направляющей лопатки и дефлектора.

Выполнение ведущего поворотного рычага в виде концевой шайбы, закрепленной на торце направляющей лопатки, позволяет одновременно с синхронизацией поворота направляющей лопатки и дефлектора уменьшить перетекание потока через торцевую кромку лопатки, что повышает эффективность использования энергии ветра.

Оснащение каждого устройства поворота дефлектора лопастного колеса валиком с закрепленными на нем двумя качалками - на первой качалке закреплен дефлектор лопастного колеса, а вторая качалка связана с устройством синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса обеспечивает согласованный поворот дефлекторов лопастного колеса с работой направляющего аппарата.

Предложенная конструкция устройства синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса, которая включает в себя синхронизирующее кольцо, установленное на лопастном колесе с возможностью осевого перемещения, кулисные механизмы, связывающие синхронизирующее кольцо со вторыми плечами двуплечих качалок на лопастном колесе, и закрепленные на силовом кольце опоры, оснащенные опорными роликами с канавкой на их внешней поверхности, взаимодействующей с синхронизирующим кольцом, упрощает согласование поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса ветряного двигателя за счет продольного перемещения одной детали - синхронизирующего кольца.

Оснащение ветряного двигателя дополнительным приводом, установленным симметрично относительно основного привода, позволяет уменьшить перекосы силового кольца при его продольном перемещении.

На фиг.1 показана ветроустановка, использующая предлагаемый ветряной двигатель; на фиг.2 - общий вид ветряного двигателя в соответствии с заявленным изобретением; на фиг.3 и 4 - взаимное расположение направляющего аппарата и лопастного колеса при убранных и отклоненных дефлекторах; на фиг.5 - место А на фиг.3; на фиг.6 - разрез Б-Б на фиг.3; на фиг.7 - разрез В-В на фиг.4; на фиг.8 - разрез Г-Г на фиг.4.

Ветроустановка, использующая предлагаемый ветряной двигатель, содержит вертикальную опору 1, на которой закреплен поворотный корпус 2 ветряного двигателя, имеющий лопастное колесо 3 с осью вращения, параллельной направлению ветра. Корпус 2 имеет невращающийся передний кожух 4 с головным обтекателем и вращающийся вместе с лопастным колесом задний обтекатель 5. На кожухе 4 закреплен регулируемый входной направляющий аппарат 6. Лопастное колесо 3 закреплено на валу 7 и приводит во вращение электрогенератор 8, установленный внутри кожуха 4.

Входной направляющий аппарат имеет поворотные направляющие лопатки 9 и установленный за каждой направляющей лопаткой дефлектор 10, соединенный с направляющей лопаткой устройством синхронного поворота.

Ветряной двигатель оснащен механизмом поворота направляющих лопаток, включающим в себя подвижно установленное в кожухе 4 корпуса ветряного двигателя силовое кольцо 11, два симметрично установленных привода 12 перемещения силового кольца и тангенсные кулисные механизмы, соединяющие силовое кольцо с валами направляющих лопаток. Каждый тангенсный кулисный механизм включает в себя одноплечую качалку 13 с овальным отверстием 14 на конце, закрепленную на валу 15 направляющей лопатки 9, и присоединенный к качалке 13 ползун 16, закрепленный на силовом кольце 11.

Устройство синхронного поворота дефлектора 10 и направляющей лопатки 9 представляет собой шарнирный четырехзвенник, включающий в себя ведущий поворотный рычаг - концевую шайбу 17, закрепленную на торце направляющей лопатки 9, ведомый рычаг 18, закрепленный на кожухе 4 корпуса ветряного двигателя, и двуплечий рычаг 19, соединяющий концы ведущего и ведомого рычагов. Рычаг 18 присоединен к средней части двуплечего рычага 19, первый конец двуплечего рычага присоединен к концевой шайбе 17, а на его втором конце закреплен дефлектор 10.

Лопастное колесо 3 оснащено лопастями 20 с фиксированным углом установки, дефлекторами 21, установленными за каждой из лопастей 20, и устройствами поворота дефлектора 21 лопастного колеса. Каждое устройство поворота дефлектора 21 лопастного колеса оснащено валиком 22 с закрепленными на нем двумя качалками 23 и 24. На первой качалке 23 закреплен дефлектор 21 лопастного колеса, а вторая качалка 24 связана с устройством синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса.

Устройство синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса включает в себя синхронизирующее кольцо 25, установленное на лопастном колесе с возможностью осевого перемещения, тангенсные кулисные механизмы, связывающие синхронизирующее кольцо со вторыми плечами двуплечих качалок на лопастном колесе, и закрепленные на силовом кольце 11 опоры 26. Тангенсные кулисные механизмы устройства синхронизации выполнены аналогично тангенсным кулисным механизмам для поворота направляющих лопаток. Опоры 26 оснащены опорными роликами 27 с канавкой на их внешней поверхности, взаимодействующей с синхронизирующим кольцом 25.

При работе ветроустановки корпус 2 поворачивается на мачте 1 так, что ось вращения лопастного колеса 3 располагается параллельно направлению ветра. С помощью привода 12 перемещают силовое кольцо 11 из исходного положения, показанного на фиг.3, когда дефлекторы находятся в убранном положении, в положение, показанное на фиг.4, при котором поворот направляющих лопаток 9 и дефлекторов 10 и 21 обеспечивает наиболее эффективное использование энергии ветра. При перемещении силового кольца 11 через ползуны 16 поворачиваются качалки 13 и направляющие лопатки 9. Одновременно с поворотом направляющих лопаток 9 шарнирный четырехзвенник перемещает дефлектор 10 в рабочее положение. Одновременно с перемещением ползунов 16 перемещаются ролики 27 и перемещают синхронизирующее кольцо 25. Перемещение синхронизирующего кольца 25 через тангенсные кулисные механизмы передается на качалку 24 устройства поворота дефлектора 21 лопастного колеса и дефлектор 21 перемещается в рабочее положение. Поток воздуха поступает во входной направляющий аппарат 6 и закручивается направляющими лопатками 9 и дефлекторами 10. Закрученный воздушный поток поступает в лопастное колесо 3 и обтекает лопасти 20 и отклоненный дефлектор 21, приводя лопастное колесо 3 во вращение. Лопастное колесо приводит во вращение генератор 8, вырабатывающий электроэнергию для потребителя. Вместо генератора 8 может использоваться любой силовой агрегат (гидравлический насос, компрессор и т.п.).

Предлагаемый ветряной двигатель может быть изготовлен на машиностроительном предприятии с использованием известных материалов и технологий. При реализации изобретения могут использоваться различные конструктивные исполнения отдельных агрегатов, отличающиеся от описанных в данной заявке и приведенных на рисунках, иллюстрирующих изобретение, без отхода от духа и рамок настоящего изобретения, определяемых объемом притязаний, изложенных в формуле изобретения.

1. Ветряной двигатель, содержащий поворотный корпус, на котором установлено лопастное колесо с осью вращения, параллельной направлению ветра, оснащенное лопастями с фиксированным углом установки, отличающийся тем, что он оснащен закрепленным на поворотном корпусе регулируемым входным направляющим аппаратом, включающим в себя поворотные направляющие лопатки и установленный за каждой из них дефлектор, соединенный с направляющей лопаткой устройством синхронного поворота, а колесо оснащено дефлекторами, установленными за каждой из лопастей колеса, и устройствами поворота дефлекторов, при этом ветряной двигатель оснащен механизмом поворота направляющих лопаток и устройством синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса.

2. Ветряной двигатель по п.1, отличающийся тем, что механизм поворота направляющих лопаток оснащен подвижно установленным в корпусе ветряного двигателя силовым кольцом, приводом перемещения силового кольца и кулисными механизмами, соединяющими силовое кольцо с валами направляющих лопаток.

3. Ветряной двигатель по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что устройство синхронного поворота дефлектора и направляющей лопатки представляет собой шарнирный четырехзвенник, включающий в себя ведущий поворотный рычаг, присоединенный к направляющей лопатке, ведомый рычаг, закрепленный на корпусе ветряного двигателя, и двуплечий рычаг, соединяющий концы ведущего и ведомого рычагов, при этом ведомый рычаг присоединен к средней части двуплечего рычага, первый конец двуплечего рычага присоединен к ведущему рычагу, а на его втором конце закреплен дефлектор.

4. Ветряной двигатель по п.3, отличающийся тем, что ведущий поворотный рычаг представляет собой концевую шайбу, закрепленную на торце направляющей лопатки.

5. Ветряной двигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что каждое устройство поворота дефлектора лопастного колеса оснащено валиком с закрепленными на нем двумя качалками, на первой качалке закреплен дефлектор лопастного колеса, а вторая качалка связана с устройством синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса.

6. Ветряной двигатель по п.5, отличающийся тем, что устройство синхронизации поворота направляющих лопаток и дефлекторов лопастного колеса включает в себя синхронизирующее кольцо, установленное на лопастном колесе с возможностью осевого перемещения, кулисные механизмы, связывающие синхронизирующее кольцо со вторыми плечами двуплечих качалок на лопастном колесе, и закрепленные на силовом кольце опоры, оснащенные опорными роликами с канавкой на их внешней поверхности, взаимодействующей с синхронизирующим кольцом.

7. Ветряной двигатель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что оснащен дополнительным приводом, установленным симметрично относительно основного привода.