Ветряной двигатель
Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к ветряному двигателю роторного типа с небольшой угловой скоростью вращения ветроколеса, который предназначен для привода двух электрогенераторов. Ветродвигатель содержит два ветроколеса с лопастями, закрепленными на двух горизонтальных валах, которые постоянными муфтами соединены с двумя концами ведущего вала раздаточной конической передачи. На ведущем валу неподвижно закреплено ведущее коническое колесо, которое входит в зацепление с двумя ведомыми колесами, горизонтальные валы которых постоянными муфтами соединены с входными валами двух агрегатов. Каждый агрегат состоит из мультипликатора с волновой зубчатой передачей и электрогенератора, причем один из генераторов может работать и в режиме электродвигателя, стабилизируя работу другого электрогенератора при слабом ветре. Объединенные валы ветроколес смещены от оси поворота рамы по направлению ветра на расчетную величину, что образует плечо рычага поворота рамы под действием силы ветра, ориентирующего лопасти ветроколес по направлению ветра. При этом лопасти ветроколес расположены симметрично от оси поворота рамы. Каждая лопасть крепится к своему валу ветроколеса посредством устройства поворота лопасти по направлению ветра, спицы и общей ступицы спиц. Устройство поворота лопасти состоит из двух уголков по ширине лопасти, соединенных двумя петлями. На осях петель установлены пружины кручения таким образом, что один конец пружины опирается на один уголок, другой конец - на другой уголок. К одному уголку крепится лопасть ветроколеса, а другой уголок крепится к верхнему концу спицы колеса. Закручивание пружин определяется разностью моментов давления ветра на верхней и нижней частях рабочей поверхности лопасти относительно оси ее поворота. Лопасти нижней полуокружности ветроколеса, вращающиеся против ветра, закрыты двумя ветроэкранами: передним и задним. Техническим результатом является повышение эффективности использования ветропотока при различной силе ветра. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к ветроэлектрическим установкам, в частности к ветряным двигателям роторного типа, у которых направление вращения ветроколеса совпадает с направлением ветра, причем угловая скорость вращения колеса небольшая. Предназначен для привода электрогенератора.
Известен ветродвигатель, состоящий из изогнутых лопастей, закрепленных на консольной части вертикального вала. Лопасти колеса ориентированы по всем направлениям ветра. Консольный вал удлиненный, что определяет установку соединенных с ним электрогенератора и элементов его привода внутри опорной башни.
Недостатки конструкции:
1. лопасти полоборота вращаются против ветра, что снижает крутящий момент на валу ветроколеса и, следовательно, мощность двигателя;
2. усложненная технология изготовления изогнутых лопастей ветроколеса;
3. усложненная конструкция опорной башни. (см. Туяхов А.И. „Возобновляемые и альтернативные источники энергии", изд. „Вебер", Донецк 2007, стр. 85, рис. 3.3, б)
Также известен ветродвигатель, содержащий барабанное ветроколесо с изогнутыми лопастями, закрепленными на горизонтальном валу. Колесо с валом помещено в цилиндрический кожух с прорезями в верхней и нижней его частях, которые перекрываются, в зависимости от требуемого ветропотока, шарнирно закрепленными щитами. Раскрытие - закрытие щитов выполняется электроприводом, управляемым автоматически датчиком давления ветра. Один конец ветроколеса соединен постоянными муфтами с редуктором (мультипликатором) и электрогенератором, на другом конце вала закреплен шкив тормозного устройства. Установка ветроколеса внутри кожуха экранирует лопасти, вращающиеся против ветра, щиты регулируют количество ветропотока, поступающего на лопасти ветроколеса
Недостатки конструкции:
1. при увеличении мощности двигателя надо увеличивать площадь рабочей поверхности изогнутой лопасти ветроколеса, при этом существенно увеличиваются массо-габаритные показатели кожуха ветроколеса и его элементов, что ограничивает диапазон мощности двигателя;
2. сложное регулирование ветропотока, поступающего на лопасти ветроколеса;
3. отсутствие ориентирования лопастей ветроколеса по направлению ветра, (см. заявку №4867617/06)
Прототипом принят ветродвигатель, содержащий ветроколесо с расположенными перед ним подвижными верхней и нижней ветронаправляющи-ми плоскостями. В нижней плоскости выполнен паз, в котором, под воздействием верхней плоскости автоматически перемещается заслонка, регулирующая ветропоток, поступающий на лопасти ветроколеса. Указанные элементы ветродвигателя установлены на несущей раме, которая осью ее поворота установлена на опорном основании и имеет флюгерное устройство, автоматически ориентирующее лопасти ветроколеса по направлению ветра.
Такая конструкция ветродвигателя упрощает автоматическое регулирование ветропотока, поступающего на лопасти ветроколеса, автоматически ориентирует лопасти ветроколеса по направлению ветра, но имеет недостатки предыдущей конструкции ветродвигателя.
Это снижает эффективность двигателя и технологичность его конструкции, (см. а.с. №846776)
Цель изобретения - повышение эффективности двигателя и технологичности его конструкции.
Указанная цель достигается тем, что ветродвигатель содержит два горизонтальных вала с закрепленными на них лопастями двух ветроколес. Валы ветроколес, установленные на опорных стойках, соединены постоянными муфтами с двумя концами ведущего вала раздаточной конической передачи. На ведущем валу неподвижно закреплено ведущее коническое колесо, которое входит в зацепление с двумя ведомыми коническими колесами, горизонтальные валы которых постоянными муфтами соединены с входными валами двух агрегатов. Каждый агрегат состоит из мультипликатора с волновой зубчатой передачей и электрогенератора, причем один из генераторов может работать и в режиме электродвигателя. На каждом валу ветроколес неподвижно закреплен шкив тормозного устройства вала.
Опорные стойки валов ветроколес, элементы тормозных устройств валов, корпуса конической передачи и мультипликаторов закреплены на несущей раме. Рама имеет ось ее поворота, которой с подшипниками установлена на опорной стойке.
Объединенные валы ветроколес смещены от оси поворота рамы по направлению ветра на расчетную величину, что образует плечо рычага поворота рамы под действием силы ветра, ориентирующего лопасти ветроколес по направлению ветра. При этом лопасти ветроколес расположены симметрично от оси поворота рамы.
Лопасти ветроколес выполнены из листового материала, согнутого по бокам вовнутрь лопасти под углом 90°, что создает жесткость по высоте лопасти и образует желоб ветропотоку, стабилизирующий лопасть по направлению ветра.
Каждая лопасть крепится к валу ветроколеса посредством устройства поворота лопасти по направлению ветра, спицы и общей ступицы спиц. К верхнему концу спицы крепится устройство поворота лопасти, нижний конец спицы неподвижно соединен с общей ступицей, которая неподвижно закреплена на валу ветроколеса. Для обеспечения общей жесткости ветроколеса спицы около лопастей соединены перемычками. Спицы и перемычки спиц выполнены из трубчатого или профильного материала, общая ступица спиц - литая или сварная.
Устройство поворота лопасти состоит из двух уголков по ширине лопасти, соединенных двумя петлями. К одному уголку крепится лопасть ветроколеса, а другой уголок крепится к верхнему концу спицы колеса. На осях петель установлены пружины кручения таким образом, что один конец пружины опирается на один уголок, другой конец - на другой уголок. Закручивание пружин определяется разностью моментов давления ветра на верхней и нижней частях рабочей поверхности лопасти относительно оси ее поворота. При этом верхняя часть поверхности лопасти больше ее нижней части. Номинальный (начальный) угол закручивания пружины рассчитывается по наиболее продолжительной скорости (силе) ветра, а рабочий угол закручивания составляет 90. Номинальный угол закручивания пружины фиксируется съемным упором уголка крепления лопасти. Площадь рабочей поверхности лопастей и их количество должны быть такими, чтобы предыдущая лопасть не „затеняла" последующую.
Лопасти нижней полуокружности ветроколеса, вращающиеся против ветра, закрыты двумя ветроэкранами: передним и задним. Передний экран закрывает лопасти снаружи ветроколеса, с наветренной стороны, задний экран закрывает противоположные лопасти изнутри ветроколеса. Передний ветроэкран выполнен из согнутого листового материала обтекаемой формы в виде свариваемых сегментов, задний экран состоит из двух частей (между ними спицы ветроколеса). Части заднего экрана выполнены из наклонных листов в виде свариваемых сегментов, которые соединены перемычками снаружи ветроколеса.
Ветроэкраны крепятся держателями: с одного бока - к опорной стойке вала ветроколеса, с другого бока - к ступице, установленной свободно (на подшипнике) на конце вала ветроколеса. Держатели экранов выполнены из профильного материала.
Для генератора большой мощности рациональна волновая зубчатая передача мультипликатора, выполненная по патенту №2665977, RU 2665977 С1, у которой гибкое колесо имеет форму кольца, на торце которого нарезаны бочкообразные зубья, взаимодействующие с прямобочными зубьями четырех секторов, соединенных с ведущим валом передачи частями (дольками) элементов двойной зубчатой муфты, кроме элемента муфты ведущего вала, выполненного целым. При этом генератор волн гибкого колеса соединен с выходным концом вала электрогенератора двойной зубчатой муфтой. Сравнительно простая конструкция лопастей, их экранов и других элементов ветроколеса не ограничивает увеличение его диаметра (расчетного радиуса окружной силы на лопасти колеса) и, следовательно, увеличение крутящего момента на валу ветроколеса (мощности двигателя). Это упрощает технологию изготовления ветроколеса и увеличивает диапазон мощности ветродвигателя. Установка двух ветроколес с поворотными лопастями, двух электрогенераторов, один из которых может работать и в режиме двигателя, позволяет более эффективно использовать ветропоток при различной силе ветра.
Более простая волновая передача мультипликатора, по сравнению с другими ступенчатыми передачами, имеет большое передаточное число 80…300 и высокий, более 90%, коэффициент полезного действия.
Указанное выше повышает эффективность ветродвигателя и технологичность его конструкции.
Техническая сущность предложенного ветродвигателя поясняется чертежом, на котором:
Фиг. 1 - показан ветродвигатель, вид спереди;
Фиг. 2 - вид А на Фиг. 1;
Фиг. 3 - разрез Б-Б на Фиг. 1;
Фиг. 4-узел I на Фиг. 2, вид В, разрез Г-Г;
Фиг. 5 - мультипликатор - генератор большой мощности, продольный разрез;
Фиг. 6 - разрезы Д-Д, Е-Е на Фиг. 5.
Ветродвигатель содержит два горизонтальных вала 1, 2 двух ветроколес. Валы ветроколес, установленные на опорных стойках 3,4, постоянными муфтами 5,6 соединены с двумя концами ведущего вала 7 раздаточной конической передачи. Ведущее коническое колесо 8 неподвижно закреплено на ведущем валу 7 и входит в зацепление с двумя ведомыми коническими колесами 9, 10, горизонтальные валы которых постоянными муфтами 11, 12 соединены с входными валами двух агрегатов. Агрегаты состоят из мультипликаторов 13, 14 с волновой зубчатой передачей и электрогенераторов 15, 16, один из которых может работать и в режиме двигателя.
На каждом валу ветроколес закреплены тормозные шкивы 17, 18. Опорные стойки валов ветроколес, элементы тормозных устройств валов ветроколес, корпуса конической передачи и мультипликаторов закреплены на несущей раме 19. Рама имеет ось 20 ее поворота, которой, вместе с подшипниками, установлена на опорной стойке 21. Объединенный вал ветроколес смещен от оси 20 по направлению ветра на расчетную величину, а лопасти 22 ветроколес расположены симметрично от оси.
Каждая лопасть 22 ветроколеса крепится к его валу поссредством устройства поворота лопасти по направлению ветра, спицы 23, общей ступицы 24 спиц колеса. Спицы около лопастей соединены перемычками 25. Устройство поворота лопасти (см. узел I, Фиг. 4) состоит из двух уголков 26, 27 по ширине лопасти, соединенных двумя петлями 28,29. На осях петель установлены пружины кручения 30,31 таким образом, что один конец пружины опирается на уголок 26, другой - на уголок 27.
К одному уголку крепится лопасть 22, другой уголок крепится к верхнему концу спицы 23. Уголок лопасти имеет съемный упор 32.
Лопасти нижней полуокружности ветроколеса, вращающиеся против ветра, закрыты двумя ветроэкранами: передним и задним. Передний экран 33 закрывает лопасти снаружи ветроколеса, с наветренной стороны, задний экран состоит из двух частей 34, 35 и закрывает противоположные лопасти изнутри ветроколеса. Части заднего экрана соединены перемычками 36 снаружи ветроколеса.
Ветроэкраны лопастей по бокам крепятся держателями: с одного бока держателями 37, 38 - к опорной стойке вала ветроколеса, с другого бока держателями 39, 40 - к опорной ступице 41, установленной подвижно (на подшипнике) на конце вала ветроколеса.
Для генератора 15 большой мощности у волновой передачи мультипликатора 13 (см. Фиг. 5) гибкое колесо 42 выполнено в виде кольца, на торце которого нарезаны бочкообразные зубья 43, взаимодействующие с прямобочными зубьями 44 четырех секторов 45, соединенных с ведущим валом 46 передачи частями (дольками) 47, 48 элементов двойной зубчатой муфты, кроме элемента муфты 49 ведущего вала 46, выполненного целым. При этом генератор 50 волн гибкого колеса 42 соединен с выходным концом вала электрогенератора двойной зубчатой муфтой 51.
Работа ветродвигателя
При длительной (номинальной) скорости ветра лопасти ветроколеса неподвижны относительно оси их поворота, так как момент поворота лопасти под действием силы ветра уравновешивается номинальным моментом закручивания двух пружин устройства поворота лопасти. При этом: давление ветра - на всю рабочую поверхность лопасти, окружная сила на лопасть и крутящий момент на валу ветроколеса постоянны, работа электрогенераторов стабильна.
При усилении ветра лопасть поворачивается на угол, соответствующий моменту закручивания пружины. При этом: проекция рабочей поверхности лопасти на плоскость перпендикулярную окружной силе ветроколеса уменьшается, уменьшается давление ветра на лопасть, а окружная сила на лопасть и крутящий момент на валу ветроколеса остаются постоянными, работа электрогенераторов стабильна. При слабом ветре один из электрогенераторов либо отключается, либо переходит в двигательный режим работы, стабилизируя работу другого электрогенератора.
При запредельной силе ветра лопасть ветроколеса поворачивается максимум на 90°. При этом рабочая поверхность лопасти устанавливается параллельно ветропотоку, давление ветра на лопасть равно нулю, ветроколесо не разрушается. Объединенный вал ветроколес затормаживается при запредельной силе ветра и, в целях безопасности, при техобслуживании ветродвигателя.
1. Ветряной двигатель, содержащий ветроколесо с лопастями, закрепленными на горизонтальном валу, установленном на опорных стойках, закрепленный на валу шкив тормозного устройства вала, агрегат, состоящий из мультипликатора и электрогенератора, устройство автоматического регулирования ветропотока, поступающего на лопасти ветроколеса, ветроэкран, закрывающий лопасти, вращающиеся против ветра, несущую раму, на которой установлены элементы ветродвигателя и имеющую ось ее поворота, опорную стойку, на которую осью с подшипниками установлена несущая рама, устройство поворота несущей рамы под действием силы ветра, автоматически ориентирующие лопасти ветроколеса по направлению ветра, отличающийся тем, что с целью повышения эффективности ветродвигателя и технологичности его конструкции ветродвигатель содержит два ветроколеса, лопасти которых закреплены на двух горизонтальных валах, которые постоянными муфтами соединены с двумя концами ведущего вала раздаточной конической передачи, при этом ведущее коническое колесо неподвижно закреплено на ведущем валу и входит в зацепление с двумя ведомыми коническими колесами, горизонтальные валы которых постоянными муфтами соединены с входными валами двух агрегатов, состоящих из мультипликатора с волновой зубчатой передачей и электрогенератора, причем один из генераторов может работать в режиме двигателя, объединенные валы ветроколес смещены от оси поворота несущей рамы по направлению ветра на расчетную величину, а лопасти двух колес расположены симметрично относительно оси поворота несущей рамы, каждая лопасть ветроколеса выполнена из листового материала, согнутого по бокам вовнутрь лопасти под углом 90° и крепится к валу колеса посредством устройства поворота лопасти по направлению ветра, спицы, выполненной из трубчатого или профильного материала и общей ступицы спиц, выполненной литой или сварной, спицы около лопастей соединены перемычками, выполненными из трубчатого или профильного материала, устройство поворота лопасти состоит из двух уголков по ширине лопасти, соединенных двумя петлями, к одному уголку крепится лопасть ветроколеса, другой уголок крепится к верхнему концу спицы колеса, на осях петель установлены пружины кручения таким образом, что один конец пружины опирается на один уголок, другой конец пружины - на другой уголок, причем закручивание пружин определяется разностью моментов давления ветра на верхней и нижней частях рабочей поверхности лопасти относительно оси ее поворота, при этом верхняя часть поверхности лопасти больше ее нижней части, номинальный угол закручивания пружин рассчитывается по наиболее продолжительной скорости ветра и фиксируется съемным упором уголка крепления лопасти, а рабочий угол закручивания пружин составляет 90°, площадь рабочей поверхности лопастей и их количество должны быть такими, чтобы предыдущая лопасть не «затеняла» последующую, лопасти нижней полуокружности ветроколеса, вращающиеся против ветра, закрыты передним и задним ветроэкранами, передний экран закрывает лопасти снаружи ветроколеса, с наветренной стороны, задний экран закрывает противоположные лопасти изнутри ветроколеса, при этом передний ветроэкран выполнен из согнутого листового материала обтекаемой формы в виде свариваемых сегментов, задний ветроэкран состоит из двух частей, причем между ними расположены спицы ветроколеса, части заднего ветроэкрана выполнены из наклонных листов в виде свариваемых сегментов, которые соединены перемычками снаружи ветроколеса, ветроэкраны по бокам крепятся держателями из профильного материала: с одного бока - к опорной стойке вала ветроколеса, с другого бока - к ступице, установленной свободно на подшипнике на конце вала ветроколеса.
2. Ветряной двигатель по п. 1, отличающийся тем, что для электрогенератора большой мощности гибкое колесо волновой передачи мультипликатора выполнено в виде кольца, на торце которого нарезаны бочкообразные зубья, взаимодействующие с прямобочными зубьями четырех секторов, соединенных с ведущим валом передачи частями элементов двойной зубчатой муфты, кроме элемента муфты ведущего вала, выполненного целым, при этом генератор волн гибкого колеса соединен с выходным концом вала электрогенератора двойной зубчатой муфтой.
