Вітродвигун

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветродвигателях с вертикальной осью вращения, в частности, в регулируемых ветродвигателя х, в которых обеспечивается постоянная частота вращения ветротурбины при различной скорости ветра. Известен ветродвигатель [1], ротор которого содержит вертикальный вал вращения, поворотные лопасти, флюгер, горизонтальные несущие траверсы и устройство поворота с тягами, попарно присоединенными одними концами к рабочим лопастям, причем устройство для запуска и регулирования частоты вращения снабжено кривошипно-шатунными механизмами, шатун каждого из которых при помощи рычагов и шарниров связан с другими концами тяг каждой пары. Конструкция имеет существенные недостатки сложность и зависимость характеристик от направления ветра. Это снижает КПД и эксплуатационную надежность. Более близким к заявляемому изобретению является техническое решение ветродвигателя [2], в котором для запуска и регулирования частоты вращения на ветротурбине установлено два пусковых ротора, расположенных на вертикальном валу над и под рабочими лопастями, при этом каждый ротор выполнен в виде упоров и двух криволинейных пластин, снабженных грузами, установленными с возможностью поворота на диаметрально противоположных шарнирах при помощи пружин различной жидкости и взаимодействующи х с упорами, причем шарниры пластин роторов расположены взаимно перпендикулярно. Недостатком технического решения [2] является невозможность обеспечения постоянства частоты вращения вертикального вала, хотя и имеется возможность ступенчатого торможения при максимальных скоростях ветра, что осуществляется за счет разведения криволинейных пластин, иногда они оказывают тормозное сопротивление ветротурбины и ограничивает максимальную критическую частоту вращения, спасая ветротурбину от разрушения. Техническое решение [2] может служить, в качестве прототипа и базового объекта для заявляемого изобретения. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования ветродвигателя с вертикальным валом, в котором постоянство частоты вращения вала ветротурбины при различных скоростях ветра и повышенном КПД лопасти выполнены с возможностью вращения и одновременного перемещения относительно вертикального вала. За счет этого ветродвигатель имеет постоянство работы вращения вала ветротурбины при различных скоростях ветра. С этим валом соединен электрогенератор, то есть ветротурбина одновременно является и вариатором скорости вращения. Аналог и прототип не обладает этим свойством. Поставленная задача решается тем, что в ветродвигателе, содержащем пусковой ротор, выполненный в виде упоров И двух криволинейных пластин, снабженных гр узами с возможностью поворота их на диаметрально противоположных шарнирах при помощи пружин различной жесткости, согласно изобретению, на вертикальном валу закреплены силовые штанги, на которых установлены рабочие лопасти ветротурбины, при этом штанга выполнена с возможностью вращения на вертикальном валу и одновременного перемещения вместе с рабочей лопастью относительного этого вала по его высоте, причем концы силовых штанг шарнирно закреплены на вертикальном валу и с рабочими лопастями и подпружинены относительно них и между собой, а пружина, расположенная внутри пустотелой штанги, посредством гибкого силового элемента и шкива связана с корпусом рабочей лопасти с возможностью обеспечения в процессе работы ветродвигателя постоянной вертикальной ориентации в пространстве рабочих лопастей. На фиг.1 представлен общий вид ветродвигателя, продольный разрез, вид сбоку и по стрелке Б; на фиг.2 - вид сверху по стрелке А (на фиг.1). Ветродвигатель содержит пустотелые силовые штанги 1, выполненные с возможностью вращения на вертикальном валу 2 и одновременного перемещения относительно этого вала по его высоте. Одним концом штанга 1 закреплена на валу 2 при помощи шарнира 3, а на другом конце штанги 1 при помощи шарнира 4 закреплена рабочая лопасть 5 с возможностью перемещения по высоте вала 2 вместе со штангой 1. Вал 2 при помощи соединительных узлов 6 закреплен в ферме 7 и вращается в опорных подшипниковых узлах 8 (на чертежах условно не показано). Штанги 1 между собой и фермой 7 связаны пружинами 9. Внутри штанги 1 расположена пружина 10, которая связана с рабочей лопастью 5 при помощи гибкого силового элемента 11 и шкива 12. Ветродвигатель расположен на подставке 13. Работает ветродвигатель следующим образом. В нерабочем состоянии коромысло наклонено под углом к вертикальному валу 2, при этом рабочая лопасть 5, занимает некоторое начальное вертикальное положение в пространстве. Под воздействием ветра на рабочую лопасть 5 штанга 1 начинает вращаться с угло вой скоростью w и одновременно вместе с лопастью 5 перемещается вверх на угол с одновременным увеличением диаметра ротора. При увеличении скорости ветра увеличивается и частота вращения рабочего колеса, центробежная сила, развиваемая рабочей лопастью 5, через штангу 1 воздействует на силовые упругие элементы 9, 11 и шкив 12, преодолевая их сопротивление. Лопасть 5 начинает подниматься вверх на угол изменяется, так как вместе с лопаткой 5 поднимается штанга 1. При этом увеличивается диаметр раствора, ометаемый рабочей лопастью 5 ветродвигателя, и обеспечивается постоянство частоты вращения вала 2. Это видно из нижеследующего рассмотрения. При установившемся номинальном вращении угловая частота вала 2 равна рад./с, диаметр ветродвигателя равен 2R, м, а максимальная линейная скорость по кромкам рабочих лопастей равна м/с. В этот момент центробежные силы, создаваемые лопастями 5, уравновешиваются силами натяжения пружин 10. При изменении угловой частоты вращения под действием силы ветра линейные окружные скорости, например, в моменты времени 1 и 2 равны откуда т.е. при а когда При увеличении под действием силы ветра например, в два раза, линейная скорость возрастает также в два раза из-за роста диаметра в два раза, а угловая остается постоянной Следовательно, так как то частота вращения в заданном диапазоне регулирования сохраняется постоянной. Это дает возможность прогнозировать критическую частоту и линейную скорость. Например, ветродвигатель предлагав: мого типа мощностью около 1кВт, высота рабочей лопасти в этом случае равна 4м, а длина короткой штанги - 2м. Критическая линейная скорость, рекомендуемая для ветродвигателей с вертикальным валом вращения, равна 15м/с. Тогда критическое число оборотов штанги в положении, изображенном на фиг.1 и 2, будет равно Выбираем число оборотов номинального режима близким к критическому и равным 70об/мин, а угол наклона штанги 1, по отношению вертикальной оси 2 при номинальном режиме работы, равным 30°. Пусть число оборотов возросло вдвое и составило 140об/мин, тогда плечо штанги 1 с рабочей лопастью поднимается и займет горизонтальное положение, при котором а число оборотов остается равным 70об/мин. Настоящее техническое исполнение решает поставленную задачу по обеспечению постоянства частоты вращения ветротурбины и защиты ее от разрушения.