Карусельний парусний вітродвигун солодовніченка

Карусельний парусний вітродвигун, що містить вертикальний вал і радіальні лопаті, кожна з яких виконана у вигляді прикріпленої до вала рами і встановлених у ній з можливістю повороту щодо осей клапанів, який відрізняється тим, що рама має овальну форму, усередині її натягнутий Винахід відноситься до вітроенергетики, стосується конструкції вітряних двигунів з вертикальною віссю обертання робочих органів у вигляді гнучких парусів і може бути використаний для одержання в господарстві країни невичерпної, екологічно чистої, безупинно поновлюваної, дарової енергії вітру енергостанціями малої та середньої потужності, що особливо стосується вітроустаткувань, які експлуатуються в умовах вітрового режиму з різко мінливим - рвучким характером Існує безліч конструкцій вітряних пристроїв, що мають такі конфігурації своїх робочих органів, завдяки яким у вітровому потоці виникають несиметричні сили, що забезпечують їм обертання, поступальне переміщення або вібраційний рух за рахунок сили аеродинамічного опору вітру чи(та) піднімальної сили Гнучкий вітрильний парус, що одержав найбільше поширення на водяних транспортних засобах, є найбільш просто реалізованим і удосконаленим вітроприймальним пристроєм з найвищим коефіцієнтом корисної дії, що безпосередньо використовує кінетичну енергію вітру для поступального руху Серед відомих вітряних двигунів, призначених для перетворення пульсуючої енергії вітру в обертальний рух, карусельний лопатевий вітродвигун найбільш простий за будовою та в експлуатації, не вимагає застосування спеціальних сервоприводів для орієнтації робочих органів на вітер і додатко гнучкий пружний гамак, виконаний у вигляді ґрат з підпружинених тросів і гнучкої пружної сітки, клапани виконані різної довжини у вигляді полотнищ прапорів із гнучкого парусного матеріалу, взаємозв'язаних із плоскими пружними реями, клапани шарнірно встановлені на вертикальних тросах гамака і підвішені усередині рами на маятникових підвісах за реї в розгорнутому під власною вагою стані з можливістю осьового зсуву уздовж вертикальних тросів, сусідні рами, при парній їхній КІЛЬКОСТІ, установлені зі зміщенням по вертикалі відносно одна одної на відстань не менше висоти рами вих механічних перетворювачів руху ВІДМІННОЮ рисою усіх карусельних вітродвигунів є їхня ТИХОХІДНІСТЬ і значний рушійний момент на вихідному валу, що дозволяє використовувати їх за ВІДПОВІДНИМ призначенням без застосування редукційних механізмів Такі двигуни володіють високим пусковим моментом навіть при незначній швидкості вітру, а при великій швидкості, у силу своєї ТИХОХІДНОСТІ, не вимагають застосування спеціальних складних пристроїв захисту Відомий пристрій роторного щілинного вітряного двигуна фінського інженера Савеніуса [БСЭ №4, третье издание, - М Советская энциклопедия, 1971, с 589, рис 16 , Ветроэнергетика / Под ред Д де Реизо Пер с англ , под ред Я И Шефтера - М Энергоатомиздат, 1982-272с, ил], що містить вертикальний вал, взаємозв'язаний з ротором, виконаним з розрахованою КІЛЬКІСТЮ ОДНО ТИПНИХ робочих радіальних лопатнів - лопаток у вигляді напівциліндрів чи півсфер, звернених своєю опуклою стороною убік обертання У такого карусельного ротора коефіцієнти аеродинамічного опору потоку вітру для спрямованих убік обертання навколо єдиної ВІСІ ЛИЦЬОВИХ опуклих і назад їм орієнтованих тильних увігнутих сторін лопаток відрізняються один від одного по величині, що при напорі вітру визначає появу корисного крутного моменту через неврівноваженість сил які виникають на протилежних сторонах цих діаметрально ю ю 55941 щодо ВІСІ обертання рознесених лопаток і визначення працездатності відомого вітродвигуна поза залежності від горизонтального напрямку руху потоків повітря Крім сили аеродинамічного опору відомий вітряк приводиться у рух завдяки піднімальній силі що виникає за рахунок швидкісних потоків вітру котрі обтікають опуклі лицьові сторони його лопаток і яка в кілька разів більш ефективна ніж сила аеродинамічного опору Коефіцієнт використання енергії вітру такого пристрою досягає 18°% Однак цей пристрій має недоліки, пов'язані з відносною складністю своєї конструкції, її громіздкістю, матеріалоємністю, необхідністю застосування дорогої формотворної техніки при виготовленні та принциповими обмеженнями можливостей для збільшення потужності приводу Різниця величин коефіцієнтів аеродинамічного опору різних сторін лопаток обмежена як природними властивостями фізичних явищ, так і ступенем ВІДПОВІДНОСТІ форми реальних лопаток їх оптимальним теоретичним моделям При русі назустріч потоку вітру, лопатки чинять йому опір і визначають вітроколесу шкідливий гальмовий момент В міру нарощування енергетичних можливостей такого двигуна за рахунок збільшення площі жорстких робочих лопаток, його маса і момент інерції ростуть у більш стрімкій ніж потужність пропорції що різко знижує ефективність його використання Крім пристроїв з незмінною у процесі своєї роботи геометрією ротора, існують вітряні двигуни, лопаті вітроколес яких включають у свій склад окремі рухливі щодо них за допомогою потоку вітру складові робочі елементи Ці елементи призначені для збільшення рушійного моменту сил за рахунок зменшення опору ротора об зовнішнє середовище шляхом періодичної цілеспрямованої зміни по величині парусності робочих органів у залежності від напрямку руху щодо вітру Найбільш близьким запропонованому по своїй технічній сутності є карусельний вітродвигун по а с СРСР №1537885, що містить вертикальний вал і радіальні лопаті кожна з яких виконана у вигляді прикріпленої до вала рами і встановлених у ній з можливістю повороту щодо горизонтальних осей паралельних клапанів, виконаних у вигляді жорстких пластин Для підвищення коефіцієнта використання енергії вітру шляхом прискорення переведення клапанів із флюгерного положення у робоче, віддалений від вала край кожної пластини клапана відігнутий на гострий кут від и площини Однак цей вітродвигун має недоліки, зв'язані з тим, що він вимагає застосування клапанів із жорстких матеріалів, а це збільшує масу ротора і є обмеженням у нарощуванні потужності вітряка При ЗМІНІ положення лопатки стосовно потоку вітру, усі жорсткі клапани-пластини роблять різкий поворот у кутовому напрямку, що приводить до їх ударів один по одному й елементам жорсткої лопаті викликає шум, вібрацію і руйнує конструкцію вітряка При переводі клапанів повітряним потоком із горизонтального флюгерного у робоче вертикальне положення і навпаки вони повертаються щодо горизонтальних осей, що знаходяться в обертальному русі навколо вертикальної ВІСІ ротора При цьому потоку вітру необхідно перебороти поперше, консервативну силу ваги окремих пластин клапанів, по-друге, сили інерційного характеру відцентрову, корюлісову і гіроскопічну, по-третє, сили аеродинамічного опору повітря, оскільки при обертальному русі різні частини плоского клапана, що розташовані на різній відстані від центра обертання вітроколеса, у один і той же час на перехідних ділянках свого руху випробовують під натиском повітряного потоку навантаження з різних своїх сторін На ділянки лопаток, розташованих ближче до центра обертання ротора, діють рушійні убік переміщення сили, а далі розташовані від ВІСІ обертання ділянки короткочасно сприймають опір своєму руху Це приводить до виникнення крутого моменту сил уздовж довжини клапана, а, крім того, створює умови для запізнювання відкриття і закриття клапанів, що гальмує ротор і зменшує ефективність роботи двигуна Навантаження, що мають місце на клапани та їхні ВІСІ, вимагаюгь підвищення жорсткості цих елементів, а це приводить до зростання їхньої маси Ротор з великою масою рухливих елементів не може бути відбалансованим попередньо і у процесі своєї роботи постійно підпадає під пагубний вплив дій інерційних сил Чим більше маса і вага клапанів тим більший аеродинамічний гальмовий момент вони творять ротору у флюгерному стані Крім того, при такій конструкції виконання поверхні кожної з лопаток може бути тільки плоскої форми, що, по-перше, різко знижує коефіцієнти їхнього аеродинамічного опору, а по-друге, при такій формі зовсім відсутня принципова можливість використання більш ефективних піднімальних сил за рахунок обтікання повітряними потоками лицьових поверхонь лопаток Конструкції відомих карусельних вітродвигунів не дозволяють розвити частоту обертання ротора при якій лінійна швидкість КІНЦІВ ЇХНІХ лопатнів перевищила б швидкість вітру, відрізняються високою собівартістю і, унаслідок значної металоємності своїх великих площ рухливих робочих поверхонь, роблять перешкоди для прийому радіо і телепередач В основу цього винаходу покладена задача створення карусельного парусного вітродвигуна, конститутивні особливості якого забезпечили б підвищення ступіня його енергетичної досконалості при значному спрощенні конструкції Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що в пристрої карусельного парусного вітродвигуна Солодовніченко, що містить вертикальний вал і радіальні лопаті кожна з яких виконана у виді прикріпленої до вала рами і встановлених у ній з можливістю повороту щодо осей клапанів, рама має овальну форму, усередині її натягнутий гнучкий пружний гамак, виконаний у вигляді ґрат з підпружених тросів і гнучкої пружної сітки, клапани виконані різної довжини у виді полотнищ прапорів із гнучкого парусного матеріалу взаємозв'язаних із плоскими пружними реями, клапани шарнірно встановлені на вертикальних тросах гамака і підвішені усередині рами на маятникових підвісах за реї в розгорнутому під власною вагою стані з можливістю осьового зсуву уздовж вертикальних тро 55941 сів, сусідні рами, при парній їхній КІЛЬКОСТІ, установлені зі зміщенням по вертикалі відносно один одного на відстані не менш висоти рами У відзначності від прототипу, у якому основні елементи робочих органів, що виконують функції клапанів, являють собою важкі малої робочої площі і, отже, великої КІЛЬКОСТІ плоскої форми, жорсткі однотипні пластини, що установлені на горизонтальних осях з можливістю повороту щодо них, ВІДПОВІДНО до винаходу ці елементи виконані гнучкими Клапани представлені у вигляді розгорнутих під власною вагою поворотних прапорів різної довжини, що виготовлені з парусини і шарнірно закріплені за допомогою рей на гнучкому ґратчастому гамаку Гамак утворений усередині овальної рами, у якої протилежні сторони вигнуті дугами опуклістю назовні за рахунок стягування цих сторін між собою системою підпружених тросів і гнучкою пружною сіткою Прапори з'єднані з поворотними реями і шарнірно встановлені разом з ними на вертикальних тросах рухливо щодо їхніх паралельних осей і підвішені усередині рами за допомогою маятникових ПІДВІСІВ Сусідні рами, при парній їхній КІЛЬКОСТІ, установлені зі зміщенням по вертикалі відносно один до одного на відстані не менш висоти рами У результаті цього, при заданих розмірах рам за рахунок установлення клапанів на вертикальних осях-тросах, стало можливим застосувати малошерційні клапани у виді прапорів великого розміру і меншої складової КІЛЬКОСТІ За допомогою вертикальних тросів визначена можливість одержання гнучких осей для клапанівпрапорів з реями і їхнім шарнірним взаємозв'язком з гамаком Завдяки маятниковим підвісам, при відсутності вітру, забезпечене їх плавне автоматичне самоустановлювання за рахунок сили ваги у вихідне передпускове робоче положення і потреба в незначному силовому впливі зустрічного вітру для виходу прапорів у флюгерний стан При цьому легкі різнодовп гнучкі прапори активно реагують на рух повітря й одержують можливість, вільно згинаючись щодо вертикалі, орієнтуватися уздовж ЛІНІЙ його струму Усе це, поряд з незначністю діаметральних розмірів і сумарною лобовою площею обтічної циліндричної форми міцних підпружених гнучких елементів тросів і сітки гамака, дозволяє чинити лопатці мінімальний аеродинамічний опір при її русі назустріч вітру За рахунок застосування гнучких малошерційних клапанів з парусини вітроустановка одержує властивість швидкої адаптації на мінливий по напрямку вітер, що значно знижує проявлення пагубного впливу сил інерційного й аеродинамічного характерів на рух тихохідного вітряка При цьому цілком виключається негативний вплив великої площі рухливої пружної вітрильної парусної поверхні на трансляцію радіо і телепередач Застосування гнучкого, натягнутого за допомогою пружних елементів (пружин) гамака усередині рами з плавно вигнутими сторонами обода дає можливість зміцнити саму раму і зробити и більш жорсткою Така система при значних розмірах володіє високими МІЦНІСНИМИ і демпферними властивостями і призначена для використання в умо вах вкрай різких поривів вітру Це дозволяє нарощувати довжину периметра рам і одержувати ґрати з великою охоплюваною і малою лобовою площею, що вільно продуваються повітрям при русі рами на вітер, а також виконують функцію міцної гнучкої опорної поверхні для укладання на неї еластичних клапанів і одержання єдиного гнучконатягнутого гамака з парусом при русі її по вітру Завдяки гнучкому пружному гамаку зі сформованою на ньому під впливом вітрового потоку парусною поверхнею забезпечується одержання податливої увігнуто-опуклої форми активної вітроприймальної лопаті з автоматично змінюваними в широких межах и аеродинамічними якостями Це дає можливість різко збільшити коефіцієнт аеродинамічного опору кожної увігнутої лопаті винаходу в порівнянні з плоскою у прототипу і, крім того, за рахунок ефекту обтікання швидкісним потоком повітря опуклої і направленої убік руху парусної поверхні, дозволяє використовувати додаткові і більш ДІЮЧІ рушійні піднімальні сили За рахунок гнучких, еластичних властивостей елементів паруса і сітки величина цього ефектузбільшується внаслідок одержання складної хвилястості форми на опуклій мережчастій поверхні паруса в результаті локальних і регіональних прогинів тонкого гнучкого тіла парусини клапанів в чарунках сітки і разом із сіткою в вікнах ґрат тросів, що приводить до одержання робочої парусної поверхні за принципом конструкції парашутів типу «літаюче крило» чи гофрованої поверхні крил і фюзеляжу вантажних транспортних літаків У результаті кожна одиниця площі вітроприймальної лопатки працює більш ефективно, ніж у прототипу і має більш високі вітрильні властивості та енергоуловлюючі здібності Оскільки ВСІ рами на вітроколесі при парній їхній КІЛЬКОСТІ установлені зі зміщенням по вертикалі, сусідні робочі лопаті, при спільному їхньому русі в активній вітроприймальній зоні, не перекривають один одному набігаючий на них потік повітря Це дозволяє додатково збільшити можливість приймання кінетичної енергії вітру для винаходу Завдяки тому що клапани виконані з еластичного матеріалу, що має високий коефіцієнт внутрішнього тертя і встановлені на вертикальних осях, при переході з флюгерного стану у робочий з визначенням перешкоди руху вітру, вони не різко ривком, а послідовно і плавно хвилею м'яко лягають на опорний пружний, демпфіруючий удари гамак і формують усередині рами єдину великої площі гнучку парусну поверхню Перехід клапанів з робочого у флюгерний стан відбувається в зворотній ПОСЛІДОВНОСТІ також плавно, без ударів і плещу При цьому проява негативного впливу навантажень динамічного й аеродинамічного характерів і зв'язаних з ними шкідливих зусиль та шуму майже цілком виключається При ураганному вітрі з великим енергетичним потенціалом периферійні прапори автоматично східчасто виключаються з роботи і переходять у флюгерний стан, що різко знижує опір зустрічного повітряного потоку', дозволяє кінцям лопатнів рухатися З ЛІНІЙНИМИ ШВИДКОСТЯМИ ВИЩЄ ШВИДКОСТІ вітру (як у крильчастих чи ортогональних вітродвигунів) і зменшує ШКІДЛИВІ навантаження на них і 55941 8 тивно виконані трохи по різному лопатки 6' лопатконструкцію щогли нів 4' установлені з вертикальною орієнтацією своЗавдяки гнучкості малоінерційних клапанів заїх площин під державками 5', у нижньому ярусі безпечується висока їх прийомистість на мінливий ротора, а лопатки 6" лопатнів 4" - над державками по напрямку вітер, що дозволяє встановлювати 5", у його верхньому ярусі запропонований вітродвигун на недорогій, малої висоти щоглі й експлуатувати його в польових Жорстким ажурним ободом несучого каркаса умовах приземних пульсуючих вітрів зі складним кожної лопатки 6 служить легка міцна рама овальгасаючим характером ної форми у вигляді криволінійної трапеції (фіг З, 4), утвореної за рахунок взаємозв'язку з державУсі складові гнучкі елементи великих ЛІНІЙНИХ кою 5 плоско напружно-вигнутою і жорстко прикрірозмірів і площ при незначній товщині і масі на пленою до неї своїми кінцями порожньої дуга 7, одиницю площі котрі складають робочий парус, виконаної з трубчастого профілю (рами показані з навантажуються тільки силами, що їх розтягують, легко зігнутими сторонами) а елементи жорсткої рами квази-рівномірно розподіленими подовжньо стискаючими зусиллями, Для збільшення жорсткості чотирьохлопатевощо є раціональною ВІДМІННОЮ рисою винаходу Це го ротора до дуг 7 кожної з лопаток 6 прикріплений сприяє підвищенню його МІЦНІСТНИХ властивостей і подовжуючий ріг 8 (фіг 2 ), що гнучко взаємозв'янадійності у роботі при ажурності конструкції Крім заний своїм консольним кінцем за допомогою розтого, це дозволяє використовувати доступні дешетяжки 9 з однією із двох сусідніх державок 5 Усі-ж ві складові і різко знизити матеріалоємність і масу сусідні КІНЦІ державок 5 з'єднані між собою за довітроприймального улаштування мережчастих помогою гнучих розтяжок (тросів) 10 У конструкції лопатнів у розрахунку на одиницю площі їхньої трьохлопатевого ротора зв'язки за допомогою рогу робочої поверхні 8 відсутні, але є з'єднання нижніх частин лопаток за допомогою розтяжок 10' і 10" (фіг 1) За рахунок проведених нововведень у пропонованого винаходу з'являються нові КІЛЬКІСНІ І ЯКІСУсередині кожної рами (фіг 3, 4) з рівномірним НІ переваги, що зв'язані зі збільшенням коефіцієнрозподілом по її внутрішньому просторі і з часткота використання енергії вітру, з різко зменшеною вим взаємним переплетенням між собою встановматеріалоємністю на одиницю встановленої потулені і взаємозв'язані своїми кінцями з протилежжності підвищенням питомої потужності на одининими и сторонами ряд натягнутих гнучких зв'язків цю маси вітродвигуна, потенційними можливостявертикальних і майже горизонтальних тросів 11 і ми по збільшенню його потужності 12 Усе це сприяє підвищенню ступеня енергетичЗадані довжини кожного з цих тросів визначені ної досконалості вітродвигуна при значному спродекілька більше відстаней між точками кріплення щенні конструкції що припускає можливість його їхніх КІНЦІВ на рамі Для натягу кожного з тросів 11 широкого поширення і використання по прямому чи 12 служить окрема, заданої жорсткості пружина призначенню як механічного рушія, у тому числі в розтягання 13, закріплена одним зі своїх КІНЦІВ на умовах низькоякісних вітрів з мінливим рвучким ободу лопатки 6, а другим на ВІДПОВІДНИХ тросах характером 11 і 12 У вихідному, натягнутому за допомогою пружин 13 стані, система тросів 11 і 12 усередині На фіг 1, 2 в аксонометрії зображені в загальовальної рами утворює рідкі віялоподібні пружноному вигляді принципові схеми запропонованого гнучкі МІННІ ґрати з вікнами плоскої чотирикутної вітродвигуна з трьома (фіг 1 ) і чотирма (фіг 2 ) форми лопатнями, на фіг 3,4 будова окремих лопаток його лопатнів, на фіг 5-14 схеми, що ілюструють Усі лопатки мають однотипну між собою консроботу вітряного двигуна трукцію з непринциповими ВІДМІННОСТЯМИ лише між лопатками верхнього і нижнього ярусів ротора Вітродвигун містить у собі вертикальний вал 1 з парною КІЛЬКІСТЮ лопатнів (фіг 3, 4) Крім того, у (фіг 1, 2) встановлений у підшипниках на щоглі (не лопаток трьохлопатевого ротора роги 8 відсутні показана), котра на відкритому вітрі МІСЦІ може мати незначну висоту, визначену умовами безпеки Ті З ДВОХ поверхонь кожної лопатки, що при його експлуатації На верхньому КІНЦІ вала 1 жорсроботі вітродвигуна спрямовані убік руху ротора, тко закріплений ротор вітряне колесо 2 з легким далі будуть називатися лицьовими сторонами, а несучим каркасом порожньої трубчастої конструкзворотні їм -тильними сторонами лопаток ції, а нижній кінець вала 1 через муфти зчеплення і З тильної сторони поверх рідких ґрат із тросів граничного крутного моменту, взаємозв'язаний зі на обід кожної лопатки 6 натягнута і закріплена на споживачем силового обертального руху (не поканьому, а також на деяких тросах 11 і 12 м'яка гнучзаний) ка пружна тонка міцна сітка 14 з більш дрібними чарунками стосовно розмірів вікон грати Система Колесо 2 складається з маточини 3 з жорстко тросів із сіткою утворюють в ободу кожної з лопазакріпленими на ній трьома чи чотирма радіальток плоско натягнутий гнучкий гамак ними лопатнями 4 і являє собою в плані трипелюсткову фігуру (фіг 1) чи фігуру у виді рівносторонДо деяких тросів 11 з боку тильної поверхні нього хреста (фіг 2) Кожна з лопатнів 4 містить у гамака, однієї зі своїх вертикальних торцевих стособі несучу державку 5, взаємозв'язану з парусним рін, з можливістю повороту щодо осей тросів, привітроприймальним виконавчим пристроєм - лопаткріплені робочі органи у виді трьох (для приклада) кою 6 на своєму консольному КІНЦІ При цьому у гнучких вітроприймальних елементів-клапанів потрьохлопатевого вітродвигуна усі лопаті ідентичні вітряної клапанної системи, улаштованих за принодин одному Для чотирьохлопатевого двигуна ципом вертикально орієнтованих жалюзі Клапани (парна КІЛЬКІСТЬ лопатнів) діаметрально рознесені виконані у вигляді прапорів 15 трапецевидної фощодо ВІСІ вала 1 дві пари лопатнів 4' і 4" конструкрми і виготовлені з легкого і міцного текстильного 55941 матеріалу заданої повітряпроникливості, подібного по своїм властивостях парусині чи парашутній тканині У верхній частині кожного прапора 15 прикріплений поворотний кронштейн - пружно податлива щодо вертикалі рея 16, призначена для втримання полотнища прапора в підвішеному, плоско розгорнутому стані Реї 16 мають у плані форму куточка, виготовлені з пружного і тонкого листового матеріалу малої ЩІЛЬНОСТІ і взаємозв'язані своїм вертикальним торцем з тими ж, що і прапори 15 тросами 11 з можливістю зворотно-коливального і незначного осьового переміщення щодо них На фіг 3, 4 прапори 15 з реями 16 показані в перпендикулярно повернутому і плоско розгорнутому положенні до площини натягнутого гамака Для запобігання зсуву рей 16 із прапорами 15 уздовж тросів 11 під дією своєї сили ваги та для наданняможливості полотнам прапорів у вільному стані самовстановлюватися у вихідне штатне (з поворотом до ВІСІ обертання ротора на упор у гамак) положення, реї 16 підвішені на заданому рівні усередині рам лопаток 6 за допомогою гнучких зв'язків - маятникових ПІДВІСІВ 17 При цьому один з КІНЦІВ кожного підвісу 17 закріплений поруч з верхнім кріпленням троса 11 на рамі з деяким зміщенням до центра ротора, а другий кінець закріплений зі зміщенням у ту ж сторону на нижній кінцевій вертикальній частині куткової реї 16 з боку поверхні прапора призначеної для упора у гамак Кожний з окремих прапорів з реєю на одній з лопаток взаємно відрізняються один від одного вертикальними і горизонтальними розмірами, а також формою своїх похилих ділянок Довжина кожного з прапорів на окремій лопатці в загальному випадку має різний розмір, що вибирається виходячи з конкретних особливостей використання вітродвигуна У запропонованій конструкції кожний із прапорів, розташований далі від ВІСІ обертання, має довжину більше попереднього Вертикальні і горизонтальні їхні розміри і форма обрані такими, щоб при повороті усіх прапорів щодо своїх тросів 11 у штатне, не навантажене вітром стійке і складене до центра обертання ротора положення, мало місце повне їхнє уписування у контур трапецієподібної рами, що обрамляє лопатки 6 і повне перекриття гратчасто-сітчастої поверхні гамака з гарантованим напуском сусідніх прапорів один на одного (фіг 1, 2) Через схожість пристроїв, подальші пояснення подаються для більш загальної конструкції чотирьохлопатевого вітряного двигуна, що показаний на фіг 2 Запропонований вітродвигун (на подальших схемах представлений горизонтальними перерізами у середній по висоті лопаток частині у плані вітроколеса) працює таким чином У вихідному стані (фіг 5) під час штилю і довільному кутовому положенні ротора, полотнища всіх прапорів 15 з реями 16 під дією консервативних сил своєї ваги і за рахунок маятникових ПІДВІСІВ 17 автоматично самовстановлюються у вихідне стійке штатне положення з поворотом убік центра обертання ротора і легким упором у гратчасто 10 сітчасту поверхню гамака своєї лопатки з деяким перекриттям своїми кінцями один одного Якщо в безвітряну погоду ротор вітродвигуна примусово розкрутити ЗОВНІШНІМ рушійним моментом з деякою кутовою швидкістю со проти напрямку руху годинної стрілки (фіг 6), то прапори 15 на його лопатках під дією зустрічного своєму відносному руху потоку повітря, легко відхиляться на маятникових підвісах і повернуться у флюгерне положення При цьому прапори з реями декілька перемістяться нагору уздовж своїх вертикальних осей-тросів 11 і ненабагато зарядяться потенційною механічною енергією пропорційною куту свого відхилення від первісного положення Малошерційні великої площі прапори, як показують розрахунки і підтверджує практика, розгорнуться та стануть майоріти уздовж ЛІНІЙ ВІДНОСНОГО струму повітря і здійснювати рух по замкнутим траєкторіях, близьким до поверхонь концентричних циліндрів Полотнища більш довгі їх прапорів, розташованих далі від центра обертання, будуть розправлятися більш швидкісним відносним потоком повітря При цьому кожній лопатці буде визначена мінімальна парусність і це робить їх майже вільними для проходження крізь своє гратчасто-сітчасте тіло повітряної маси в порожньому просторі між утворюючими гамак циліндричної обтічної форми тросами 11, 12 і складовими елементами сітки 14, а також рідким вертикальним рядом тонких полотнищ прапорів 15, що в розгорнутому флюгерному стані будуть майоріти уздовж ЛІНІЙ повітряного струму Тому цей потік буде чинити незначний гальмовий вплив лопаткам вітроколеса, котрі у флюгерному кутовому положенні умовно будуть виконувати пасивну вітропереробну роль (жорсткі частини лопатнів показані штрих-пунктирними ЛІНІЯМИ) При знятті рушійного моменту і вибігу ротора, під дією незначної частини сил своєї ваги всі прапори за рахунок маятникових ПІДВІСІВ плавно повернуться у своє вихідне штатне положення (фіг 5) Якщо ж ротор примусово змусити обертатися в зворотному напрямку (фіг 7), то всі прапори на поверхнях своїх гамаків під дією зустрічного потоку повітря активізуються зчинять йому опір і навантажаться протилежно спрямованою його руху нерівномірно розподіленої силою Роз'єднані полотнища прапорів на кожній лопатці пригорнуться до свого гамака внапуск своїми кінцями один на одного і фрикційно зафіксуються на ньому з об'єднанням у єдину вітрильну систему інтегрованого гнучкого паруса на кожній лопатці Під натиском повітряної маси, розтягуючи пружини 13, кожен гамак глобально прогнеться у жорсткому ободі рами лопатки 6 і одержить форму профілю своєї робочої поверхні по подобі купола парашута, зверненого увігнутою своєю стороною назустріч щодо себе руху потоку повітря (інтегровані паруси на вигнутих гамаках показані жирними ЛІНІЯМИ, а великими крапками виділені окремі троси 11, на яких закріплені прапори 15) Сама ж ця мережчаста поверхня покриється більш дрібними регіональними і локальними куполами, утвореними внаслідок натягу і прогину ділянок прапорів 15 із сіткою 14 у вікнах ґрат із тросів 55941 12 11 11 і 12 і прапорів 15 в чарунках сітки 14 (на схемах відносно один одного рознесених і що знаходяться не показано) Усе це приведе до різкого зростання, по різні сторони площини 19 у кілька разів більше в порівнянні з плоскою повеРазом з цим, під впливом швидкісного напору рхнею, коефіцієнта аеродинамічного опору лопатпогожого вітру 20, що обгинає і обтікає повітряним ки і пропорційно зв'язаною з ним силою аеродинапотоком опуклі навітряні лицьові сторони активних мічного опору потоку повітря лопаток, останні будуть навантажені додаткової розподіленої аеродинамічної тяговою убік оберЗі збільшенням кутової швидкості ротора с о тання піднімальною силою (фіг 9, 10) Ефектив(фіг 8) збільшаться ЛІНІЙНІ ШВИДКОСТІ набігання ність цієї сили може значно перевершувати силу окремих струменів потоку повітря на різні ділянки аеродинамічного опору і додатково збільшується лопатки і квадратично взаємозалежні з цими за рахунок хвилястості опуклої поверхні паруса швидкостями сили опору руху останніх При цьому внаслідок прогину надутих ділянок прапорів 15 із форма купола вигнутого паруса залежить від розсіткою 14 у вікнах ґрат із тросів 11 і 12 і прапорів поділу швидкостей окремих струменів повітряного 15 в чарунках сітки 14 аналогічно принципу дії потоку, що напирають на різні його ділянки, ЩІЛЬконструкціям парашута типу «літаюче крило» чи НОСТІ матеріалу паруса і пружних властивостей тихохідних вантажних транспортних літаків з гофгамака, визначених особливостями побудови рами рованими поверхнями крил і фюзеляжу та пружинами 13 У загальному випадку ці швидкості і сили будуть тим більше, чим більше со і ніж Порівняно невеликі силові впливи потоку повідалі розташований ВІДПОВІДНИЙ елемент паруса тря, що давлять на поверхні обтічної форми невевід центра обертання (фіг 7, 8) ликої лобової площі жорстких державок з рамами лопатнів, гнучких розтяжок і т п вітроколеса, котрі В міру збільшення сили аеродинамічного знаходяться по різні сторони площини 19, будуть впливу на гамаки з інтегрованими парусами, частково компенсувати один одного щодо ВІСІ обеостанні вигнуться більше, збільшуючи свої можлиртання ротора вості робити перешкоду відносному руху повітря Унаслідок неврівноваженості ЗОВНІШНІХ, ЩО за рахунок росту коефіцієнта аеродинамічного штовхають лопатки, зусиль щодо загальної ВІСІ опору, функціонально взаємозалежного з величиобертання, ротор навантажиться рушійним моменною, що характеризує увігнутість форми паруса том, котрий, переборюючи сили корисного і шкідусередині рами лопатки Крайньою величиною цієї ливого опору, розжене і почне обертати його проти увігнутості буде відповідати стан, коли всі троси 11 напрямку руху годинної стрілки з деякою кутовою і 12 до межі виберуть свої довжини в просторі між протилежними точками свого кріплення з ободом ШВИДКІСТЮ С О рами лопатки і цілком прогнувшись пружно натягВеличина сталої кутової швидкості обертання нуться на ньому ротора с залежить від лінійної швидкості вітру, а о також моменту сил опору руху вітроколеса і буде У реальних умовах, у первісний момент часу збільшуватися в міру росту цієї швидкості і зменпід дією натиску потоку вітру 18 (показаний ЛІНІЯМИ шуватися в міру збільшення цього моменту свого струму), унаслідок того, що діаметрально рознесені щодо ВІСІ обертання лопатки завжди З поворотом ротора і переміщенням лопатки з орієнтуються на потік вітру різними своїми сторопасивної зони в активну и прапори ляжуть на ганами, окремі прапори на лопатках, що спрямовані мак, об'єднаються в єдиний парус, перекриють своєю лицьовою стороною йому назустріч, розгорпрохід повітря в отворах сітки гамака і почнуть нуться у флюгерне положення і будуть майоріти активно взаємодіяти з потоком вітру, виконуючи паралельно цьому потоку Розрізнені прапори на основну рушійну роль 3 відходом із під активного інших лопатках пригорнуться потоком вітру до гавпливу вітру і з переміщенням лопаток з активної мака, фрикційно зафіксуються на ньому з об'єдзони в пасивну, прапори під натиском зустрічного нанням у єдині інтегровані паруси, що активізуповітря повернуться в його орієнтуючому потоці і ються на прийом кінетичної енергії вітру приймуть стійке флюгерне положення На фіг 9 показаний окремий випадок, коли наЗа рахунок того, що сусідні лопатки на держапрямок потоку вітру збігається з початковою повках лопатнів рознесені на різні вертикальні рівні, довжньою орієнтацією двох лопатнів, а на фіг 10 принципово виключається можливість перекривазагальний випадок, коли лопаті у вихідному стані ти їм один одному потік рухомого повітря при спізорієнтовані щодо вітру довільно льному переміщенні двох лопаток в активній зоні, як показано на фіг 1 Це дозволяє кожній з активЛопатки, сполучені з вертикальною площиною них лопаток сприймати дарову кінетичну енергію 19, що проходить паралельно потоку вітру 18 чевітру в найбільш повній мірі рез вісь обертання вала 1 (показана пунктирною ЛІНІЄЮ), займуть нейтральне, урівноважене ЗОВНІОрієнтація кожного з прапорів 15, що вільно ШНІМИ силами положення (фіг 9) майорять у флюгерному стані на пасивних лопатках, буде паралельною один одному лише при При нерухомому роторі площина 19 обумовпаралельному русі шарів потоку вітру і нерухомолює границю розділу між активною (робочою) і му роторі пасивної (флюгерною) зонами взаємодії лопаток з паралельно рухливими шарами повітря потоку З миті часу початку обертання ротора у веливітру 18 кому обсязі повітряної маси вітряного потоку 18 дві системи, що рухаються різними способами, будуть У результаті, за рахунок прямого регулюючого взаємодіяти між собою - впливати один на одного і впливу вітру, автоматично різко змінюються лобові тим більше, чим вище кутова швидкість ротора со, площі лопаток (площа проекції лопатки-паруса на а отже, чим вище швидкість вітру та чим меншим площину, перпендикулярну напрямку її руху щодо буде мати місце момент опору на його валу потоку повітря) на лопатнях ротора, діаметрально 55941 14 13 Так, у загальному випадку, напрямок набігання які не лягли прапори, а ланки гамака що з'єднаокремих струменів повітряного потоку, модулі їхніх лись з прапорами у інтегровані надуті паруси пошвидкостей, а також ПОХІДНІ їм параметри (розпоказані жирними ЛІНІЯМИ ділені тиск, сила, момент сил і т п ) на окремі елеВ міру формування цільного, століттями виментарні ділянки вітроколеса 2 не будуть відповіпробуваного вітрильного паруса і наростання його дати однотипним параметрам тільки від напору лобової площі, на тильній і лицьовій поверхнях потоку вітру 18 при нерухомому роторі Це зв'язакожної активної лопатки будуть плавно збільшувано з тим, що, в один і той же самий час, ці ділянки тися впливи сил ВІДПОВІДНО тих, що її штовхають з самі переміщуються щодо цього потоку, причому з тильної сторони та піднімальних аеродинамічних різною ЛІНІЙНОЮ швидкістю, прямо пропорційної с і о сил 3 поворотом вітроколеса і зміни кутового повідстані до центра обертання, з періодично змінложення лопатки до потоку вітру співвідношення ним кутом нахилу до нього і з перетинанням ЛІНІЙ цих сил буде безупинно змінюватися його струму За допомогою форми обода лопатки і його пружних властивостей в сукупності з пружинами На фіг 11-14 представлені змодельовані за 13 та ЩІЛЬНІСНИМИ особливостями текстильного допомогою ЕОМ чотири варіанти картин сполучематеріалу прапорів забезпечується задана форма них разом схем положення однієї з рівнозначних купола паруса, що визначає оптимальні аеродиміж собою лопатнів у сталому режимі роботи вітнамічні параметри ротора родвигуна і різній со, наростаючої від фіг 11 до фіг 14 Арабськими цифрами позначені характерні З кутовим зміщенням ближче до пасивної зопозиції лопатнів (показані штрих-пунктирними ЛІНІни, тиск на тильну сторону лопатки зменшується, ЯМИ) при ВІДПОВІДНИХ їхніх кутових положеннях із але зростає піднімальна сила, котра у деякім посорока восьми можливих, що рівномірно розподіложенні між позиціями 31 і 34 одержить максималені у межах одного обороту льне значення В міру подальшого кутового переміщення під Для усіх варіантів прапори (показані жирними дією зустрічного потоку повітря тягова сила на ЛІНІЯМИ) пасивних лопаток у флюгерному пололопатці вичерпається - гамак цілком стягнеться до женні при однаковій кутовій орієнтації лопаті на плоского вигляду, а цільний парус розпадеться на вітер (для однойменних позицій) будуть за допоскладові прапори з деяких положень 37 для фіг 11 могою повітряного потоку у динаміці механічно і 36 для фіг 12 від гамака відійде ЗОВНІШНІЙ прапор, взаємозалежні між собою і майоріти віялом вигнуа далі по черзі наступні в зворотному порядку їхтих до центру обертання дуг Кожна окрема скланього укладання при формуванні єдиного паруса дова ділянка цих прапорів буде мати тим менший (положення 39 і 43 для фіг 11 та 38 і 43 для радіус кривизни своєї поверхні чим ближче вона фіг 12) Прапори розгорнуться в орієнтуючому їх розташована до центра обертання і тим більший повітряному потоці і перейдуть у флюгерне полорадіус, ніж більше со (положення в позиціях від 0 і ження далі у одну та другу сторони) Легко бачити, що прапори в пасивній зоні займають деяке проміжне, трансформоване положення в порівнянні з тими флюгерними положеннями, що вони займали б у раніше описаних і показаним на фіг 7 і фіг 9, 10 гранично крайніх умовах В окремому випадку (положення 12), коли вісь державки лопаті спрямована уздовж потоку вітру, прапори на її лопатці через вплив поперечної до них розподіленої сили у відносному русі будуть продовжувати майоріти подібним віялом вигнутих дуг, наближаючись у відносному русі до поверхні свого гамака Після перетинання площини 19 настає мить коли найближчий до центра обертання прапор торкнеться своїм кінцем гратчасто-сітчастого гамака і буде, послідовно накочуючись потоком повітря, хвилею лягати на нього, починаючи з внутрішньої частини його поверхні і далі на периферійну При номінальних значеннях швидкості вітру у тій же ПОСЛІДОВНОСТІ автоматично по черзі відбудеться і з іншими прапорами, що визначить їхнє не одноразове спільне комплектом, а розтягнуте у часі і просторі об'єднання в процесі формування на лопатці єдиного цільного паруса, функціонально взаємозалежного з со, що послідовно показано на позиціях 13, 15, 18 на фіг 11 і на позиціях 15, 17, 21 на фіг 12 Чим вище со, тим процес укладання прапорів на гамак більше затягується у функції кута повороту лопаті Ланцюжкові прямі лінії з крапок умовно показують ланки прогнутого гамака на З появою у ротора кутової швидкості с гранио ця розділу для робочих елементів активної і пасивної зон утрачає свій плоский вид Умовно вигнутими тонкими ЛІНІЯМИ А і Б на фіг 11 та В і Г на фіг 12 показані криві поверхні, котрі визначають границю розділу активної і пасивної зон взаємодії вітрового потоку з робочими органами і які відбивають трансформовану поверхню 19 при обертовому русі ротора Ця границя має тим більше вигнуту деформовану форму, чим більше при одній і тій же швидкості вітру кутова швидкість вітроколеса со, а отже, чим менше корисне навантаження на валу З кожним новим обертом ротора, процеси автоматичної самоорієнтацм його прапорів і виконання ними протилежних робочих функцій при їхньому русі назустріч і по напрямку потоку вітру, що змінюється, визначення їм властивостей пасивності й активності лопаток періодично будуть повторюватися Самі прапори при цьому, взаємодіючи з гратчасто-сітчастою підставою гамака будуть виконувати роль чуттєвих до напрямку руху повітря елементів, що працюють прямо, без проміжного підсилювача й одночасно виконують роль плоских гнучких зворотних клапанів для повітряного потоку, побудованих за принципом саморегулюючих вертикальних гнучких жалюзі При збільшенні швидкості вітру понад розрахункову величину, різко збільшується рушійна вітродвигун сила в квадратичній пропорції залежна від відносних значень швидкості струменів повітря, 55941 16 15 що набігають на окремі ділянки ротора і особливо можність надання можливості кінцям лопатнів віна тих частинах парусів, що розташовані ближче льно рухатися з ЛІНІЙНОЮ швидкістю вище до центра обертання швидкості вітру, як у крильчастих і ортогональних вітродвигунів, Це приводить до того, що рушійний щодо ротора момент сил визначиться достатнім тільки за - підвищені МІЦНІСНІ і пружні властивості роборахунок частини інтегрованого паруса, сформовачих поверхонь лопаток, здатність демпфірувати ного двома внутрішніми рядами прапорів Зі збінапір рвучкого вітру, льшенням с настає мить, коли ЛІНІЙНІ ШВИДКОСТІ о - незначне зміщення центра мас від ВІСІ оберКІНЦІВ лопатнів досягнуть і стануть перевищувати тання і зв'язаний з цим невеликий змінний дисбашвидкість вітру У результаті активна зона ротора ланс ротора при роботі тихохідного вітродвигуна, зміститься до центра його обертання, а ЗОВНІШНІ - висока відносна вагова віддача по потужноспрапори, піддані в межах повного обороту вплиті, потенційна можливість у збільшенні площі лованню зустрічного потоку, не ляжуть на гамак паток й їх аеродинамічних властивостей при назалишаться у флюгерному стані й автоматично рощуванні потужності вітродвигуна, виключаться з активної робота (фіг 13) Якщо за - відсутня необхідність використання високої і тими чи іншими обставинами при тій же швидкості дорогої щогли, оскільки, при простоті конструкції і вітру с збільшиться більш того, аналогічне явище о незначній матеріалоємності та масі на одиницю відбудеться і з наступним по черзі внутрішнім (сеплощини робочої лопатки, встановлена потужність реднім) рядом прапорів фіг 14 Кривими ЛІНІЯМИ Д І може бути визначена за рахунок збільшення плоЕ умовно показані кордони, що розділяють пасивні щини робочих органів вітродвигуна та активні зони роботи прапорів на фіг 13 і 14 ЛегЗапропонований вітродвигун являє собою ко бачити, що, зі зменшенням моменту корисного конструктивно крайнє просту авторегульовану вітопору і зі збільшенням со, активна зона роботи та ропереробну систему, технологічний і не вимагає вітроприймальні властивості вітродвигуна повільзастосування спеціальних матеріалів, складного но зменшуються устаткування і високої культури виробництва при виготовленні і монтажі - майже всі його складові Усі ЗМІННО протікаючі періодичні процеси на елементи являють собою масову продукцію різних пропонованому вітродвигуні відбуваються автомапідприємств, придатний до місцевого виробництва тично і не вимагають спеціальних засобів контрой автономного використання без участі людини, лю та керування відрізняється незначною вагою і малою собівартісПри перевантаженні вітряного двигуна автотю на одиницю встановленої потужності, простий в матично спрацьовує муфта граничного моменту, а експлуатації і ремонті, не робить пагубного впливу для відключення споживача механічної енергії від на навколишнє середовище (безпечний для птавітросилового джерела, наприклад, при ремонтних хів), надійний для роботи в польових умовах, не роботах, служить муфта зчеплення вимагає при впровадженні й експлуатації великих Усе це запобігає лопаті вітроколеса від некапітальних витрат і відрізняється малим часом сприятливого впливу згубних зусиль і захищає окупності Усе це обумовлює доступність його шивітродвигун при ураганних вітрах рокого застосування у ВІДПОВІДНИХ сферах промиТаким чином, за рахунок запропонованих словості, сільського господарства, побуту та іншоконструктивних рішень, кожна лопатка вітряного му і сприяє йому можливості зайняти визначену двигуна одержує ряд нових технічних властивоснішу серед інших двигунів тей, що забезпечують його ефективне функціонуНайбільше використання пропонований привання Основними з цих властивостей є стрій може одержати по місцю розташування спо- властивість швидкої адаптації на зміну наживача тихохідного механічного руху малої і серепрямку вітру і здатність автоматично напряму легдньої потужності в районах з достатнім вітровим ко змінювати в широких межах свою лобову площу режимом і на територіях, вилучених від інших - вільно пропускати крізь себе потік повітря, що джерел енергії, у вітроенергоперетворювачах для рухається з лицьової и сторони на тильну і робити приводу насосних установок, зокрема, на зрошуйому опір при русі повітря у зворотному напрямку, вальних (наприклад для краплинного поливу, що - здатність змінювати свою форму при напорі сприяє підвищенню врожаю у декілька разів) чи повітря на тильну сторону лопатки, автоматично осушувальних землях, акумулювання стиснутого збільшувати и увігнутість як глобально так і локаповітря і забезпечення їм різного роду пневмоприльно, що веде до зростання величини коефіцієнта відних пристроїв, безпосереднього перетворення аеродинамічного опору активної лопатки в міру механічної енергії в тепло для обігріву приміщень, росту моменту опору на валу, вироблення електроенергії й ін , що дозволить - здатність використовувати для перетворення заощадити значну частку традиційних енергоносіенергії вітру як аеродинамічну силу опору увігнутої їв гофрованої поверхні тильної своєї сторони, так і Досягнення поставленої мети підтверджено піднімальну силу за рахунок обтікання потоком експериментальними іспитами макетного зразка повітря опуклої лицьової сторони вітрильної лопапропонованого вітродвигуна, що проходили в умотки, вах вітрового режиму степової та приморської зон - здатність у найбільшій мірі використовувати Херсонської області, яка відрізняється високим кінетичну енергію вітру, оскільки конструкція вивітровим потенціалом впродовж цілого року Іспиключає можливість сусіднім лопаткам перекривати ти показали що запропонована схема вітродвигувітровий потік один одному, на, при простоті своєї принципової побудови, є - здатність автоматично зменшувати парусцілком працездатною, має значні резерви по наність робочих лопаток при ураганному вітрі і спро 17 55941 рощуванню потужності за рахунок збільшення площі робочих органів і удосконалювання аеродинамічних якостей системи парусного оснащення, що обумовлює його промислове застосування Поряд з експериментальними проведені теоретич 18 ні дослідження Розроблена математична модель синтезу пропонованої установки й аналізу и роботи, розрахунку оптимальних вихідних конструктивних параметрів на ЕОМ •іо' Фіг. 1 19 20 Фіг. 4 15 Фіг. 5 Фіг. 6 V 4 Фіг. 7 x 21 55941 22 Фіг. 8 A I I I іН П .19 Фіг. 9 Фіг. 10 23 55941 24 тіш і B \ W & Фіг. 12 /5 12 Фіг. 14 A8 25 55941 Підписано до друку 05 05 2003 р 26 Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24