Вітродвигун з вертикальною віссю обертання (варіанти)

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано при строительстве ветродвигателей и ветроэлектрических станций, а также в качестве ветроизмерительных приборов. Из ветроэнергетических агрегатов с вертикальной осью вращения наибольшее применение находят установки Дарье. Их ветроколесо выполнено в виде кольцевого обода или радиальных траверс с прикрепленными к ним лопастями. Так, например, известна ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения и кольцом с лопастями, которое движется по роликовым опорам, установленным на башне [1]. Другая установка содержит вертикальные лопасти, прикрепленные к траверсам, вертикальный вал и установленные на его верхнем конце опорный ствол и механизм поворота лопастей [2, 3]. Преимущество установок Дарье состоит в том, что их работа не зависит от направления ветра. Недостаток таких установок состоит в появлении дебаланса при вращении ротора под воздействием горизонтальной (ветровой) нагрузки, поскольку ось вращения закреплена в вертикальном положении, и в необходимости ориентации на ветер механизма поворота лопастей. Первый недостаток устранен в ветродвигателе Барыка Я.С., [4], в котором траверсы ротора оперты на вертикальный вал отбора мощности через сферический шарнир, а опорными катками на кольцевой путь. В рабочем положении ротора катки расположены с зазором относительно кольцевого пути, В результате при работе установки ротор не закреплен от наклонов, что существенно уменьшает внутренние динамические реакции, изменяющиеся с частотой вращения ротора. Недостатком данного решения (особенно при относительно высокой опоре) является необходимость устройства кольцевого пути, опорных катков и системы управления ими для запуска и остановки двигателя. Наиболее близко к заявляемому решению по совокупности конструктивных признаков ветроколесо двигателя с вертикальной осью вращения, содержащее центральную опору, жесткое ветроколесо с лопастями (кольцевой ротор), раскрепленное тяжами на оголовок с подшипником и нижний подшипник вертикального вала, вращающегося вместе с колесом на центральной опоре. Узлы статора в этом решении смонтированы на стойках, расположенных вокруг ветроколеса на своих фундаментах, а электрическая часть ротора электрогенератора смонтирована на самом ветроколесе [5]. В этой установке, как и в других установках Дарье, лопасти выполнены с ламинарным профилем и установлены на ветроколесе с нулевым углом атаки относительно вектора скорости. Для запуска ветроколесо раскручивается с затратой внешней энергии. С точки зрения наших целей данное решение имеет следующие недостатки. Ось вращения ветроколеса закреплена от наклонов, что обуславливает появление дебаланса при воздействии на ветроколесо горизонтальной (ветровой) нагрузки. При этом опора подвергается действию вертикального момента в плоскости равнодействующей ветрового давления, а конструкция ветроколеса - усилиям, изменяющимся с частотой вращения. Эти переменные усилия снижают надежность конструкции. В основу предлагаемого решения поставлена задача разработать вертикальноосевой ветродвигатель с центральной опорой, ветроколесом с лопастями, свободный от дебаланса при вращении и самоустанавливающийся на ветер без дополнительных механизмов и устройств. Для решения поставленной задачи использован ветродвигатель с центральной опорой, жестким ветроколесом с лопастями, раскрепленным тяжами на оголовок, соединенный с валом электрогенератора. Конструкция выполнена в двух вариантах. В обоих вариантах лопасти прикреплены к ветроколесу с постоянным углом атаки к векторам их окружной скорости. Для лучшего использования ветра лопасти установлены на ветроколесе с наклоном в их вертикальных радиальных плоскостях в сторону вертикальной оси вращения и, кроме того, с наклоном в тангенциальных плоскостях в сторону вращения. В первом варианте ветродвигатель содержит вертикальный вал, опертый на центральную опору, а оголовок ветроколеса соединен с валом выше центра тяжести ветроколеса шарниром карданной передачи. Во втором варианте конструкции ветродвигателя на центральной опоре смонтирована платформа с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, а на платформе закреплена горизонтальная ось, на которую одета гондола электрогенератора с его рабочим валом так, что горизонтальная ось платформы расположена выше центра тяжести ветроколеса с гондолой. При этом оголовок ветроколеса жестко соединен с валом электрогенератора. Вследствие опирания ветроколеса выше его центра тяжести колесо при отсутствии ветра находится в положении устойчивого равновесия и его небольшими усилиями можно наклонять и поворачивать в любом направлении, Под действием ветровой нагрузки ось вращения колеса наклоняется навстречу ветру, при этом величина наклона изменяется в зависимости от силы ветра (чем больше сила ветра и соответственно скорость вращения ветроколеса, тем больше наклон оси вращения). При этом достигается самоуравновешивание гравитационных, центробежных и ветровых горизонтальных сил, действующих на ветроколесо при его вращении и динамический дебаланс устраняется. Крепление лопастей на ветроколесе с постоянным углом атаки к вектору линейной скорости создает с наветренной стороны движущую силу в. направлении вращения. При вертикальном положении оси вращения это не привело бы к вращению колеса, потому что с подветренной стороны возникает такая же сила, противоположная вращению. Но поскольку ось вращения ветроколеса под действием горизонтальной (ветровой) нагрузки не остается вертикальной, а наклоняется навстречу ветру, то вследствие крепления лопасти с наклоном в радиальной вертикальной плоскости положение лопасти с наветренной стороны приближается к вертикальному. При этом лопасть собирает на себя наибольшую ветровую нагрузку и создает наибольший крутящий момент, в то время как положение лопасти на подветренной стороне приближается к горизонтальному и угол атаки не создает крутящего момента, противодействующего вращению. Однако наклон лопасти в тангенциальной плоскости позволяет ей в этом положении создать некоторую дополнительную движущую силу в направлении вращения ветроколеса. Таким образом, благодаря наклону оси вращения навстречу ветру, допускаемому шарниром карданной передачи или осям поворотной платформы, креплению лопастей с углами атаки и с наклонами в сторону оси вращения и в тангенциальных плоскостях создается полезный момент вращения в дополнение к моменту, возникающему в установке как в системе Дарье. Вероятно, эффект в предлагаемой системе достигает максимума, когда удается согласовать рабочую скорость ветра, вес и другие параметры двигателя так, чтобы угол наклона лопастей в радиальной плоскости и угол наклона оси при работе были равны 45 градусам. В других случаях эффективность установки несколько меньше. Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 приведен вертикальный разрез ветродвигателя в первом варианте конструкции, на фиг.2 - то же, во втором варианте. На центральной опоре 1 закреплен вертикальный вал 2 (фиг.1). Ветроколесо 3 с оголовком 4, тяжами 5 и лопастями б соединено с валом 2 шарниром карданной передачи 7. Электрогенератор, присоединенный к валу 2 через муфту 8, на чертеже не показан. Во втором варианте конструкции (фиг.2) на центральной опоре 1 смонтирована поворотная платформа 9 с возможностью вращения на оси 10. Оголовок 4 ветроколеса жестко соединен с валом 11 электрогенератора, находящегося в гондоле 12, надетой на горизонтальную ось 13 платформы 9. На чертеже показано крепление лопастей 6 с наклоном в сторону оси вращения ветроколеса в радиальных плоскостях (крайние левые и правые лопасти) и с наклоном в тангенциальных плоскостях (лопасть на заднем плане в середине фигуры). Первый вариант конструкции удобен для применения в качестве двигателя. Второй вариант более пригоден для использования в качестве ветроизмерительного прибора: поворот оси 10 относительно опоры 1 измеряет направление ветра, а поворот оси 13 относительно платформы 9 - скорость ветра. При этом характеристики ветра устранены за некоторый промежуток времени вследствие инерционности ветроколеса.