Ветродвигатель
Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при создании новых типов стационарных и транспортируемых установок. Технический результат заключается в повышении надежности в эксплуатации, максимально эффективном использовании энергии ветрового потока, упрощении конструкции и повышении технологичности. Ветродвигатель снабжен ротором, содержащим невращающийся вокруг своей оси центральный вал, установленный горизонтально. Вокруг центрального вала радиально и равномерно расположены лопасти, установленные горизонтально. Каждая лопасть концами своей оси опирается с возможностью вращения на кронштейны, укрепленные основаниями на цилиндрическом корпусе, установленном относительно центрального вала коаксиально с возможностью вращения, а вершины кронштейнов с обоих концов цилиндрического корпуса соединены кольцевыми ободами, являющимися приводными колесами, которые связаны гибкой передачей с преобразователями энергии, при этом центральный вал обоими концами опирается с фиксацией на рамы, которые крепятся на платформе, в центре которой установлен флюгер. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при создании новых типов стационарных и транспортируемых ветроустановок.
Известен ветродвигатель с лопастным редуктором, состоящим из большой и малой цилиндрических шестерен с невращающимся вокруг своей оси центральным валом, расположенным горизонтально, цилиндрическим корпусом, внутри которого расположен центральный вал, горизонтально расположенными лопастями, опирающимися с возможностью вращения на кронштейны, укрепленные основаниями на цилиндрическом корпусе, рамами с опирающимся на них центральным валом, причем рамы закреплены на противоположных сторонах платформы, в центре которой установлен флюгер, при этом платформа расположена на тележках, установленных на круговую трассу и содержащих тяговые электродвигатели (см. RU 2190123 С2, кл. F03D 7/06, 13.06.2000 г.).
Недостатком указанного ветродвигателя является расположение внутри корпуса центрального эксцентрика - самого ответственного элемента, определяющего синхронную работу лопастей ветродвигателя, что снижает ремонтопригодность, а следовательно, и надежность ветродвигателя. Существует также проблема оптимального контакта центрального эксцентрика с ползуном-толкателем. Кроме того, не исключена вероятность «мертвых точек» в работе ветродвигателя, когда лопасти начнут вращаться в сторону, противоположную от нужной.
Известен ветродвигатель с использованием кольцевых ободов, соединяющих вершины кронштейнов и являющихся приводными колесами, которые связаны гибкой передачей с преобразователями энергии (см. RU 2239723 С2, кл. F03D 7/06, 2002 г.).
Недостатком указанного ветродвигателя является недостаточная жесткость конструкции ротора ветродвигателя, что вынуждает использовать тяги жесткости, соединяющие кольцевые обода между собой.
Известна статья в журнале "Изобретатель и рационализатор" №4 за 2005 г., автор Хлопенков П.Р. В статье автор в весьма общем виде указывает на возможность применения электродвигателей для управления лопастями ветродвигателя, при этом автор отдает предпочтение только ветродвигателям с вертикальным валом.
Технический результат заключается в использовании с максимальной эффективностью энергии ветрового потока в максимально широком диапазоне скоростей ветра (вплоть до буревых) при предельно возможной простоте конструкции, повышении ее надежности и технологичности при изготовлении, а также при эксплуатации и обеспечивается за счет того, что в ветродвигателе, содержащем лопастной редуктор, невращающийся вокруг своей оси центральный вал, установленный горизонтально, лопасти, установленные горизонтально и расположенные вокруг центрального вала радиально и равномерно, при этом каждая лопасть концами своей оси опирается с возможностью вращения на кронштейны, укрепленные основаниями на цилиндрическом корпусе, установленном относительно центрального вала коаксиально с возможностью вращения, а вершины кронштейнов с обоих концов цилиндрического корпуса соединены кольцевыми обедами, являющимися приводными колесами, которые связаны гибкой передачей с преобразователями энергии, при этом центральный вал обоими концами опирается с фиксацией на рамы, которые крепятся на платформе, в центре которой установлен флюгер, связанный с кронштейном, снабженным контактными группами, причем платформа расположена на тележках, установленных на круговую трассу, центр которой совпадает с осью вращения платформы, при этом тележки содержат тяговые электродвигатели, согласно изобретению лопастной редуктор представляет собой червячную пару: червячное колесо-червячный винт и установлен на одном из каждой пары кронштейнов с опирающейся на них лопастью таким образом, что червячное колесо редуктора установлено жестко на оси лопасти, соосно с ней, а винт червячного редуктора кинематически связан с электродвигателем управления лопастью (лопастным электродвигателем) через редуктор собственно лопастного электродвигателя, причем лопастной электродвигатель и его редуктор установлены на том же кронштейне, при этом питание и управление лопастными электродвигателями производится через скользящие контакты соединения, причем подвижная часть конструктива этого соединения укреплена на одном из концов невращающегося центрального вала, а подвижная часть конструктива укреплена на цилиндрическом корпусе с той же стороны, что и неподвижная, кроме того, ветродвигатель содержит два фотодатчика, один из которых фиксирует момент вертикального положения пары кронштейнов с укрепленной на них лопастью в ее крайнем нижнем положении, при этом излучатель непрерывного излучения фотодатчика укреплен на раме ветродвигателя, а фотоприемник датчика укреплен напротив излучателя на стойке, расположенной на платформе ветродвигателя, причем на ободе ветродвигателя, в точке соединения обода с кронштейном, укреплена пластина, имеющая возможность перекрывать световой поток между излучателем и фотоприемником датчика, а второй фотодатчик является источником информации об отклонении лопасти ветродвигателя от горизонтального положения в момент ее нахождения в крайнем нижнем положении, при этом импульсный излучатель фотодатчика имеет возможность излучать световой поток в секторе, расположенном в вертикальной плоскости, причем излучатель укреплен на вертикальной стойке таким образом, чтобы при горизонтальном положении лопасти, в ее крайней нижней точке, он находился на одном уровне с кромкой лопасти, причем на кромках лопасти с обеих сторон, становящимися попеременно то фронтальной, то тыльной, укреплены зеркальные отражающие пластины таким образом, чтобы при горизонтальном положении лопасти световой поток излучателя, отразившись от зеркальной пластины, укрепленной на кромке лопасти, попадал на ближайший к излучателю фотоприемник, укрепленный рядом с излучателем, причем на вертикальной стойке с укрепленным на ней излучателем и ближайшим к нему фотоприемником, выше и ниже этого фотоприемника, расположен ряд фотоприемников, несущих информацию об отклонении лопасти от горизонтального положения, кроме того, ветродвигатель содержит также устройства обработки сигналов фотодатчиков и управления лопастными электродвигателями (электроприводы). Кроме того, ветродвигатель снабжен устройством съема электроэнергии.
На фиг.1 изображены внутренние кинематические связи ротора ветродвигателя.
На фиг.2 - фронтальный вид на стойку с излучателем и фотоприемником.
На фиг.3 - вид на ротор ветродвигателя со стороны, перпендикулярной ветровому потоку при нахождении лопасти ветродвигателя в ее крайнем нижнем положении, а также на стойку с излучателем и фотоприемником, вид сбоку.
На фиг.4 изображены излучатель и фотоприемник, фиксирующие вертикальное положение кронштейнов в крайнем нижнем положении лопасти ветродвигателя.
Лопастной редуктор, представляющий собой червячную пару: червячное колесо-червячный винт, установлен на одном из каждой пары кронштейнов 3 с опирающейся на них лопастью 2 таким образом, что червячное колесо 7 редуктора установлено жестко на оси лопасти 2, соосно с ней, а винт 8 червячного редуктора кинематически связан с электродвигателем управления лопастью 9 (лопастным электродвигателем) через редуктор собственно лопастного электродвигателя, причем лопастной электродвигатель и его редуктор установлены на том же кронштейне 3.
Применение червячной пары обеспечивает поворот лопасти 2 только при работе лопастного электродвигателя и исключает поворот лопасти от возможных посторонних воздействий. Применение редуктора собственно лопастного электродвигателя совместно с лопастным редуктором позволяет использовать лопастные электродвигатели небольшой мощности в оптимальном режиме. Общий коэффициент редукции выбирается исходя из скоростных характеристик лопастного электродвигателя и режима работы самого ветродвигателя.
Питание и управление лопастных электродвигателей производится через скользящие контакты 10 соединения, причем неподвижная часть 11 конструктива этого соединения укреплена на одном из концов невращающегося центрального вала 1, а подвижная часть 12 конструктива укреплена на цилиндрическом корпусе 4 с той же стороны, что и неподвижная.
Ветродвигатель содержит также два фотодатчика, один из которых фиксирует момент вертикального положения пары кронштейнов с укрепленной на них лопастью в ее крайнем нижнем положении, при этом излучатель непрерывного излучения 13 фотодатчика укреплен на раме 6 ветродвигателя, а фотоприемник 14 датчика укреплен напротив излучателя на стойке 20, расположенной на платформе ветродвигателя, причем на ободе 5 ротора ветродвигателя, в точке соединения обода с кронштейном, укреплена пластина 15, имеющая возможность перекрывать световой поток между излучателем и фотоприемником датчика, а второй фотодатчик является источником информации об отклонении лопасти ветродвигателя от горизонтального положения в момент ее нахождения в крайней нижней точке, при этом импульсный излучатель 16 фотодатчика имеет возможность излучать световой поток в секторе, расположенном в вертикальной плоскости, причем излучатель укреплен на вертикальной стойке таким образом, чтобы при горизонтальном положении лопасти в ее крайней нижней точке он находился на одном уровне с кромкой лопасти 2, при этом на кромках лопасти, с обеих сторон, становящимися в процессе вращения ротора ветродвигателя попеременно то фронтальной, то тыльной, укреплены зеркальные отражающие пластины 18 таким образом, чтобы при горизонтальном положении лопасти световой поток излучателя, отразившись от зеркальной пластины, укрепленной на кромке лопасти, попадал на ближайший к излучателю 16 фотоприемник 17, укрепленный рядом с излучателем, причем на вертикальной стойке с укрепленным на ней излучателем и ближайшим к нему фотоприемником 17, выше и ниже этого фотоприемника, расположен ряд фотоприемников 19, несущих информацию об отклонении лопасти от горизонтального положения. Ветродвигатель содержит также устройства обработки сигналов фотодатчиков и устройства управления лопастными электродвигателями (электроприводами). Каждый лопастной электродвигатель имеет свой электропривод. Фотоприемники 19, находящиеся выше фотоприемника 17, несут информацию о том, что скорость вращения лопасти, а соответственно, и скорость вращения лопастного электродвигателя, превышает оптимальную и это превышение тем больше, чем выше находится фотоприемник. Фотодатчик выдает корректирующий импульс на устройство обработки сигналов фотодатчика, а тот, в свою очередь, выдает сигнал на электропривод о снижении скорости вращения лопастного электродвигателя.
Фотоприемники 19, находящиеся ниже фотоприемника 17, несут информацию о том, что скорость вращения лопасти, а соответственно, и скорость вращения электродвигателя ниже оптимальной и тем более, чем ниже находится фотоприемник 19 от фотоприемника 17.
Фотодатчик выдает корректирующий импульс на устройство обработки сигналов фотодатчика, а тот, в свою очередь, выдает сигнал на электропривод о повышении скорости вращения лопастного электродвигателя.
Таким образом, контроль оптимальной скорости вращения каждой лопасти происходит на каждом обороте ротора ветродвигателя.
Управление лопастными электродвигателями производится в трех режимах: ручном, установочном и рабочем.
Ручной режим необходим при первоначальной установке лопастей и обеспечивает самое медленное вращение лопастей 2 вокруг своей оси.
Установочный режим необходим как первая ступень рабочего режима и имеет ограничение по скорости вращения лопастей.
В качестве лопастных электродвигателей могут быть использованы электродвигатели постоянного и переменного тока, способные менять скорость вращения от величины питающего напряжения или от частоты питающего напряжения (для электродвигателей переменного тока). Могут быть использованы также серводвигатели и шаговые электродвигатели с соответствующими приводами.
Подготовка ветродвигателя к работе и его работа.
Для первоначальной установки лопастей 2 платформа ветродвигателя разворачивается таким образом, чтобы ось ротора совпадала с направлением ветра. Ротор ветродвигателя приводится в такое положение, чтобы одна из пар кронштейнов 3 оказалась в крайнем верхнем положении. Эти кронштейны в этом случае будут перпендикулярны платформе.
Включается ручной режим управления лопастями. Лопасть, оказавшаяся в верхней точке своей траектории, устанавливается вертикально. Остальные лопасти поочередно устанавливаются под углами, соответствующими положению лопастей в процессе работы, когда одна из лопастей находится в крайней верхней точке своей траектории.
Ротор ветродвигателя стопорится. Включением тяговых электродвигателей, установленных на тележки, платформа разворачивается таким образом, чтобы ось ротора ветродвигателя оказалась под некоторым углом к направлению ветра. Величина этого угла зависит от скорости ветра. Лопасти ветродвигателя при этом должны выдерживать напор ветрового потока в застопоренном состоянии ротора.
Ротор ветродвигателя снимается со стопора и одновременно включается питание электроприводов. Набегающий ветровой поток, воздействуя на лопасти 2, создает вращающий момент ротора. Ротор начинает вращение вокруг центрального вала. Одновременно начинают функционировать фотодатчики.
Фотодатчик с непрерывным излучением определяет момент срабатывания датчика с импульсным излучением, а тот совместно с устройствами обработки сигналов и электроприводами выводит лопастные электродвигатели на оптимальный режим работы. При этом устраняется возможная погрешность при первоначальной установке лопастей.
На этом установочный режим заканчивается. Платформа с помощью тяговых электродвигателей плавно разворачивается совместно с ротором ветродвигателя на ветровой поток до оптимального угла между направлением ветра и осью ротора ветродвигателя.
За один полный оборот ротора вокруг центрального вала 1 лопасти 2 разворачиваются вокруг собственной оси на пол-оборота, при этом направление вращения лопастей противоположно направлению вращения ротора. Лопасть 2, оказавшаяся в процессе обегания вокруг оси центрального вала в максимально верхней точке, становится перпендикулярной ветровому потоку и, таким образом, максимальный крутящий момент ротор получит при наибольшем удалении этой лопасти от земли, где скорость ветра больше, чем у поверхности земли. В зависимости от скорости ветрового потока включается необходимое количество преобразователей энергии и выбирается необходимый угол между осью ротора и направлением ветрового потока. При буревых скоростях ветра, при необходимости профилактики или ремонта платформа разворачивается таким образом, чтобы ось ротора совпадала с направлением ветрового потока, при этом плоскости лопастей 2 будут параллельны ветровому потоку. В этом случае вращающий момент ротора отсутствует и ротор останавливается.
Авторам неизвестны источники патентной и научно-технической информации, содержащие сведения о технических решениях, аналогичные заявляемым.
Авторам также неизвестны технические решения, имеющие свойства, которыми обладают заявленные решения.
При практическом осуществлении заявленные решения позволят создать новый тип преобразователей энергии ветрового потока.
Таким образом авторы считают, что заявленные решения обладают новизной и изобретательским уровнем.
Промышленное применение заявленных решений позволит разрешить многие проблемы энергообеспечения без загрязнения окружающей среды.
1. Ветродвигатель, содержащий лопастной редуктор, невращающийся вокруг своей оси центральный вал, установленный горизонтально, лопасти, установленные горизонтально, и расположенные вокруг центрального вала радиально и равномерно, при этом каждая лопасть концами своей оси опирается с возможностью вращения на кронштейны, укрепленные основаниями на цилиндрическом корпусе, установленном относительно центрального вала коаксиально с возможностью вращения, а вершины кронштейнов с обоих концов цилиндрического корпуса соединены кольцевыми ободами, являющимися приводными колесами, которые связаны гибкой передачей с преобразователями энергии, при этом центральный вал обоими концами опирается с фиксацией на рамы, которые крепятся на платформе, в центре которой установлен флюгер, связанный с кронштейном, снабженным контактными группами, причем платформа расположена на тележках, установленных на круговую трассу, центр которой совпадает с осью вращения платформы, при этом тележки содержат тяговые электродвигатели, отличающийся тем, что лопастной редуктор представляет собой червячную пару: червячное колесо - червячный винт и установлен на одном из каждой пары кронштейнов с опирающейся на них лопастью таким образом, что червячное колесо редуктора установлено жестко на оси лопасти, соосно с ней, а винт червячного редуктора кинематически связан с электродвигателем управления лопастью (лопастным электродвигателем) через редуктор собственно лопастного электродвигателя, причем лопастной электродвигатель и его редуктор установлены на том же кронштейне, при этом питание и управление лопастными электродвигателями производится через скользящие контакты соединения, причем неподвижная часть конструктива этого соединения укреплена на одном из концов невращающегося центрального вала, а подвижная часть конструктива укреплена на цилиндрическом корпусе с той же стороны, что и неподвижная, кроме того, ветродвигатель содержит два фотодатчика, один из которых фиксирует момент вертикального положения пары кронштейнов с укрепленной на них лопастью в ее крайнем нижнем положении, при этом излучатель непрерывного излучения фотодатчика укреплен на раме ветродвигателя, а фотоприемник датчика укреплен напротив излучателя на стойке, расположенной на платформе ветродвигателя, причем на ободе ветродвигателя, в точке соединения обода с кронштейном, укреплена пластина, имеющая возможность перекрывать световой поток между излучателем и фотоприемником датчика, а второй фотодатчик является источником информации об отклонении лопасти ветродвигателя от горизонтального положения в момент ее нахождения в крайней нижней точке, при этом импульсный излучатель фотодатчика имеет возможность излучать световой поток в секторе, расположенном в вертикальной плоскости, причем излучатель укреплен на вертикальной стойке таким образом, чтобы при горизонтальном расположении лопасти в ее крайней нижней точке он находился на одном уровне с кромкой лопасти, причем на кромках лопасти, с обеих сторон, становящимися в процессе вращения ротора ветродвигателя попеременно то фронтальной, то тыльной, укреплены зеркальные отражающие пластины таким образом, чтобы при горизонтальном положении лопасти световой поток излучателя, отразившись от зеркальной пластины, укрепленной на кромке лопасти, попадал на ближайший к излучателю фотоприемник, укрепленный рядом с излучателем, причем на вертикальной стойке с укрепленным на ней излучателем и ближайшем к нему фотоприемником, выше и ниже этого фотоприемника, расположен ряд фотоприемников, несущих информацию о отклонении лопасти при ее нахождении в крайней нижней точке от горизонтального положения, кроме того, ветродвигатель содержит также устройства обработки сигналов фотодатчиков и устройства управления лопастными электродвигателями (электроприводы).
2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что снабжен устройством съема электроэнергии.
