Ветродвигатель с роторными лопастями и тремя степенями свободы
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках для превращения энергии ветра в механическую энергию. Ветродвигатель содержит самовращающийся ротор и радиальную лопасть в виде цилиндра с концевыми шайбами, размещенные на валу, соединенном с рабочим валом при помощи бобышки. Ветродвигатель снабжен дополнительной осью, перпендикулярной осям ротора и рабочего вала и расположенной в точке пересечения вала с рабочим валом в бобышке, ротор и цилиндр расположены на одном валу, выполненном с возможностью свободного вращения в бобышке и поворота относительно рабочего вала, при этом ротор и цилиндр расположены с противоположных от бобышки сторон и жестко закреплены на валу. Ветродвигатель может быть снабжен рамой жесткости цилиндра и/или ротора, являющейся дополнительной точкой опоры для вала роторов, а также снабжен диффузором, закрепленным на раме жесткости и охватывающим самовращающийся ротор. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента использования ветра за счет использования наряду с аэродинамическими силами гироскопических сил прецессии, поскольку роторная система, входящая в состав рабочего колеса, имеет три степени свободы роторов относительно неподвижной точки, являющейся точкой пересечения трех осей: оси рабочего вала, оси вала роторов и вспомогательной оси. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для превращения энергии ветра в механическую энергию. Изобретение может быть применено в ветроэнергетических установках.
Известен ветродвигатель, содержащий опорную конструкцию с поворотным столом и устройством ориентации по направлению ветра, рабочее колесо с радиальными лопастями, выполненными в виде ротора Савониуса, соединенное с валом отбора мощности. Рабочее колесо выполнено в виде обтекаемой ступицы и коаксиального к ней обода, соединенных между собой равномерно расположенными по окружности радиальными спицами, коаксиально к осям которых выполнены с возможностью вращения в едином направлении вокруг осей спиц и перемещения вдоль осей указанных спиц, по направлению оси ступицы к ободу и обратно ярусные роторы Савониуса, парные лопасти яруса которых установлены с угловым смещением в 60° относительно парных лопастей смежного яруса в спиральном направлении, причем между торцами каждого яруса и на торцах каждого ротора выполнены перпендикулярно к оси вращения ротора разделительные диски, диаметр которых больше диаметра цилиндра, образованного вращением концов парных лопастей, на 5-8%, а ближние к обтекаемой ступице опоры роторов Савониуса соединены посредством кулис с двуплечими рычагами, опорные шарниры которых смонтированы на валу отбора мощности ветроколеса, причем на свободных, подпружиненных относительно вала отбора мощности концах двуплечих рычагов выполнены с возможностью регулировки величины центробежной силы грузы (см. патент на изобретение РФ № 2193687, МПК F03D 1/02).
Наиболее близкой к предлагаемому решению является ветроустановка с роторами Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде цилиндров с торцевыми дисками, приводы для вращения цилиндров и электрогенератор, причем приводы выполнены в виде роторов типа Савониуса, которые установлены на осях вращения цилиндров и жестко связаны с ними (см. патент на изобретение РФ № 2189494, МПК F03D 1/00).
Недостатком данного решения, как и других известных ветродвигателей с двумя пересекающимися осями, является чрезвычайно низкое значение аэродинамического качества самовращающихся роторов (в том числе и роторов Савониуса) по сравнению с лопастными ветродвигателями, что не позволяет им конкурировать с традиционными лопастными ветродвигателями, имеющими высокое аэродинамическое качество. Данная конструкция рабочего колеса, сочетающая роторы Магнуса, роторы Савониуса и генераторы, имеет значительную массу каждой лопасти, что приводит к появлению переменных гироскопических сил, действующих на узлы крепления рабочего колеса к рабочему валу, причем действие этих сил происходит в плоскости, проходящей через горизонтальный рабочий вал.
Задачей изобретения является повышение коэффициента использования ветра за счет использования наряду с аэродинамическими силами гироскопических сил прецессии. Для этого роторная система, входящая в состав рабочего колеса, имеет три степени свободы роторов относительно неподвижной точки, являющейся точкой пересечения трех осей: оси рабочего вала, оси вала роторов и вспомогательной оси.
Поставленная задача достигается тем, что в ветродвигатель, содержащий самовращающийся ротор и радиальную лопасть в виде цилиндра с концевыми шайбами, размещенные на валу, соединенном с рабочим валом при помощи бобышки, согласно изобретению введена дополнительная ось, перпендикулярная осям ротора и рабочего вала, расположенная в точке пересечения вала с рабочим валом в бобышке, ротор и цилиндр расположены на одном валу, выполненном с возможностью свободного вращения в бобышке и поворота относительно рабочего вала, при этом ротор и цилиндр расположены с противоположных от бобышки сторон и жестко закреплены на валу.
В него может быть введена закрепленная на коромысле рама жесткости цилиндра и/или ротора, являющаяся дополнительной точкой опоры для вала роторов.
Ветродвигатель может содержать диффузор, закрепленный на раме жесткости, охватывающий самовращающийся ротор.
Вал для размещения ротора и цилиндра соединен с рабочим валом шарнирным механизмом, включающим втулку со шлицевым или шпоночным соединением, имеющую возможность перемещаться вдоль оси рабочего вала, вращаясь вместе с ним.
На рабочем валу размещен механизм возврата ротора в исходное положение.
В ветродвигателе внутри бобышки между коромыслом и задней стенкой паза бобышки установлен упругий элемент типа резиновой шайбы.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид ветродвигателя (сбоку), на фиг.2 - бобышка в разрезе, на фиг.3 и фиг.4 - П-образные рамы жесткости, на фиг.5 - рама жесткости в виде фермы, на фиг.6 - рама жесткости с диффузором, на фиг.7 - вариант возвратного механизма, на фиг.8 - схема аэродинамических сил (сил Магнуса), действующих на ветродвигатель, на фиг.9 - схема гироскопических сил, действующих на ветродвигатель, где:
1 - самовращающийся ротор, например вингротор Савониуса или геликоидный ротор;
2 - радиальная лопасть в виде цилиндра (ротора Флетнера с концевыми шайбами);
3 - вал для размещения ротора и цилиндра;
4 - рабочий вал;
5 - бобышка;
6 - коромысло;
7 - дополнительная ось;
8 - рама жесткости (фиг.3-5);
9 - диффузор (фиг.6);
10 - шарнирный механизм;
11 - механизм возврата;
12 - тормоз;
13 - стопорное кольцо;
14 - втулка со шлицевым или шпоночным соединением;
15 - упругий элемент - шайба из упругого материала (фиг.7).
Устройство содержит рабочее колесо, которое состоит из двух роторов: ротора Савониуса 1, ротора Флетнера 2, жестко закрепленных на валу роторов 3 свободно вращающегося в подшипниках коромысла 6, которое соединяется с рабочим валом 4 через бобышку 5 посредством оси 7. Коромысло 6 может поворачиваться вокруг оси 7 внутри паза бобышки 5 и таким образом угол между рабочим валом 4 и валом роторов 3 может изменяться в пределах нескольких градусов. Бобышка 5 жестко связана с рабочим валом 4, который вращается в упорных подшипниках при вращении рабочего колеса. На валу вслед за бобышкой 5 расположен механизм возврата, он состоит из шлицевой или шпоночной втулки 14, которая может перемещаться в некоторых пределах вдоль рабочего вала 4, вращаясь вместе с ним, упругого элемента 15, например, пружины 11 и двух стопорных колец 13, которые ограничивают перемещение втулки и пружины вдоль рабочего вала 4. Шлицевая втулка соединена с рабочим колесом шарниром 10, который перемещает втулку 14 при изменении угла между валом роторов 3 и рабочим валом 4. Перемещение втулки 14 ограничено двумя стопорными кольцами 13, положение которых на рабочем валу 4 определяет величину упругой силы пружины. Вместо механизма возврата может быть установлен упругий элемент типа резиновой шайбы, внутри бобышки 5 между коромыслом 6 и задней стенкой паза бобышки 5, возвращающий коромысло в исходное положение после снятия внешней нагрузки.
На дальнем от бобышки 5 конце рабочего вала 4 расположен тормозной механизм 12, который может иметь любую конструкцию, например колодочную или ленточную.
Таким образом, каждый ротор представляет собой систему с тремя степенями свободы, единственной неподвижной точкой которой является точка пересечения трех осей: оси вала роторов 3, оси рабочего вала 4 и дополнительной оси 7. Если центр давления на роторы не совпадает с этой неподвижной точкой, то роторы начинают прецессировать вокруг нее.
Ветродвигатель работает следующим образом.
Ветроколесо ориентируется "на ветер", т.е. рабочий вал 4 расположен в направлении ветра, рабочим колесом навстречу ветру. Угол между рабочим валом 4 и валом роторов 3 составляет 90°. При взаимодействии рабочего колеса с ветром происходит раскрутка ротора Савониуса 1 до угловой скорости w, который приводит во вращение через вал роторов 3 ротор Флетнера 2. На систему начинает действовать сила Магнуса Fм. Причем, поскольку и ротор Савониуса 1, и ротор Флетнера 2 вращаются в одном и том же направлении, но расположены по разные стороны от оси горизонтального вала, силы Магнуса направлены в одну сторону (фиг.9). Экспериментально было установлено, что сила Магнуса, действующая на ротор Флетнера 2, больше, чем сила, действующая на ротор Савониуса 1.
Но на роторы, если их рассматривать как гироскопы, действуют еще и гироскопические силы, поскольку центры аэродинамического давления роторов не совпадают с точкой пересечения трех осей роторов, рабочего вала 4 и вспомогательной оси. Внешняя сила - сила лобового давления - приложена и к центру аэродинамического давления ротора Флетнера 2 и ротора Савониуса 1, но, поскольку лобовое давление ротора Савониуса 1 (в особенности в случае помещения его в диффузор 9) больше лобового давления ротора Савониуса 1, возникает момент силы, вызывающий прецессию роторов вокруг рабочего вала 4 с угловой скоростью Ω=Ra/Iw, где R - лобовое давление, a -расстояние от точки пересечения трех осей до центра аэродинамического давления, I - моменты инерции роторов, которые принимаются равными для обоих роторов, w - угловая скорость роторов. Вращающийся момент передается через дополнительную ось 7 на бобышку 5 и на рабочий вал 4, который начинает вращаться. При увеличении нагрузки на рабочий вал 4 возникает дополнительный гироскопический момент, который стремится повернуть ось вала роторов 3 в сторону рабочего вала 4. Этому препятствует механизм возврата 11, который за счет упругого элемента 15 через втулку 14 и шарнирный механизм 10 препятствует наклону вала роторов 3 в сторону рабочего вала 4.
Предложенный ветродвигатель, в отличие от известных решений, имеет три степени свободы ротора, что определяет его особенности. Ветродвигатель данной конструкции является тихоходным (малооборотным), с большим крутящим моментом.
1. Ветродвигатель, содержащий самовращающийся ротор и радиальную лопасть в виде цилиндра с концевыми шайбами, размещенные на валу, соединенном с рабочим валом при помощи бобышки, отличающийся тем, что в него введена дополнительная ось, перпендикулярная осям ротора и рабочего вала, расположенная в точке пересечения вала с рабочим валом в бобышке, ротор и цилиндр расположены на одном валу, выполненном с возможностью свободного вращения в бобышке и поворота относительно рабочего вала, при этом ротор и цилиндр расположены с противоположных от бобышки сторон и жестко закреплены на валу.
2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что в него введена закрепленная на коромысле рама жесткости цилиндра и/или ротора, являющаяся дополнительной точкой опоры для вала роторов.
3. Ветродвигатель по п.2, отличающийся тем, что в него введен диффузор, закрепленный на раме жесткости, охватывающий самовращающийся ротор.
4. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что вал соединен с рабочим валом шарнирным механизмом, включающим втулку со шлицевым или шпоночным соединением, имеющую возможность перемещаться вдоль оси рабочего вала, вращаясь вместе с ним.
5. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что на рабочем валу размещен механизм возврата ротора в исходное положение.
6. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что в нем установлен упругий элемент типа резиновой шайбы, внутри бобышки между коромыслом и задней стенкой паза бобышки.
