Вітродвигун з вертикальною віссю обертання

Изобретение относится к ветряным двигателям, в частности, к ветродвигателям с вертикальной осью вращения и может быть использовано для преобразования энергии природного ветрового потока в электрическую энергию промышленной частоты для энергоснабжения мелких сельскохозяйственных и промышленных производств, жилых помещений и других потребителей. В условиях энергетической зависимости для многих отраслей промышленности и, особенно, для индивидуальных фермерских хозяйств все большее практическое значение приобретают ветродвигатели. Несмотря на то, что ветер является источником энергии, не загрязняющим окружающую среду, ветродвигатели, вследствие сравнительно низкого их КПД по сравнению с традиционно применяемыми, не нашли должного применения в наше время там, где они ранее традиционно применялись. Общеизвестно, что вертикально-осевая схема, принцип работы которой основан на использовании подъемной силы прямых лопастей, вращающихся вокруг вертикальной оси, является альтернативной традиционным горизонтальнопропеллерным конструкциям. Так, известен ветродвигатель, содержащий лопасти аэродинамического профиля, соединенные по торцам горизонтальными траверсами с вертикальным валом отбора мощности [1]. Известный ветродвигатель имеет простую конструкцию, обеспечивающую независимость от направления ветра, тихоходность ветровой турбины и достижение таких характеристик как надежность, экологическая чистота. Но вследствие расположения лопастей ярусами для улавливания слабого ветра известный ветродвигатель имеет значительную материалоемкость. Наиболее близким известным решением аналогичной задачи по совокупности признаков является ветродвигатель с вертикальной осью вращения, содержащий вал, ветровую турбину с горизонтальными траверсами и вертикальными лопастями аэродинамического профиля, связанную с валом, и пусковое устройство. В качестве пускового устройства выступают лопасти ветровой турбины, которые закреплены на траверсах с возможностью поворота вокруг вертикальных шарнирных осей, смонтированных на траверсах (Патент США 4430044, 23.11.81г., МКИ F03D7/06). Специальный механизм с подпружиненными рычагами и инерционными грузами обеспечивает разворот лопастей вокруг упомянутых осей. Угол наклона лопасти к касательной траектории вращения опосредован балансом сил, развиваемых пружинами, грузами и ветровым потоком: чем больше сила ветрового потока, тем больше преодолевается сила сжатия пружины и тем меньше угол наклона лопасти. При отсутствии ветра, т.е. при остановке турбины, пружины полностью сжимаются и лопасти становятся поперек траектории вращения, а значит и ветрового потока. Такое их положение и обеспечивает запуск турбины при возобновлении ветра, а также позволяет регулировать скорость вращения турбины при изменяющемся ветровом режиме. Несмотря на наличие такого преимущества как автоматическая регулируемость скорости вращения, при эксплуатации упомянутой турбины возникает ряд трудностей. Первая группа трудностей связана прежде всего с тем, что описываемая конструкция пускового устройства не обеспечивает высокого начального момента вращения, т.е. при ветре малой силы не позволяет привести массивную турбину во вращение. Другая группа трудностей касается наличия в турбине большого числа кинематических пар: шарниров, подпружиненных рычагов с инерционными грузами и т.д. Наряду с усложнением конструкции это снижает надежность работы турбины, поскольку в условиях обледенения или пыльных бурь велика вероятность попадания в механизм посторонних частиц и выхода его из строя. В основу изобретения поставлена задача создать ветродвигатель с вертикальной осью вращения такой конструкции, которая при минимизации числа кинематических пар обеспечивала бы возможность запуска ветротурбины и сохранения ее тянущей силы при слабом ветре, благодаря чему повысилась бы надежность работы ветродвигателя и одновременно улучшились бы его энергетические характеристики. Поставленная задача решается тем, что в ветродвигателе с вертикальной осью вращения, содержащем вал, ветровую турбину с горизонтальными траверсами и вертикальными лопастями аэродинамического профиля, связанную с валом, и пусковое устройство, согласно изобретению, пусковое устройство установлено над ветровой турбиной и выполнено в виде двух очерченных по дуге лопастей, составленных в виде буквы "S" симметрично относительно оси ветродвигателя и связанных сверху и снизу горизонтальными пластинами, причем нижняя пластина жестко соединена с траверсами. Жестко закрепленное на траверсах пусковое устройство описанной конструкции, обладая высоким начальным моментом вращения, позволяет легко запускать турбину даже при ветре незначительной силы, а отсутствие в пусковом устройстве кинематических пар существенно повышает надежность работы турбины. Кроме того, согласно изобретению, для максимизации тянущей силы ветрового потока при запуске ветротурбины предусмотрено, что вертикальные края лопастей пускового устройства расположены в плоскости, проходящей через ось траверс. Кроме того, согласно изобретению, для увеличения аэродинамической тянущей (подъемной) силы лопастей угол хорды каждой лопасти ветровой турбины к касательной к траектории вращения упомянутой лопасти составляет 1 ... 4 градуса, что обосновано экспериментальным путем. На фиг.1 изображен общий вид ветродвигателя; на фиг.2 - разрез А - А на фиг.1; на фиг.3 - вариант выполнения пластин пускового устройства. Ветродвигатель имеет ветровую турбину 1, образованную вертикальными лопастями 2, которые жестко закреплены на концах горизонтальных траверс 3. Лопасти 2 имеют симметричный аэродинамический профиль NACA. Траверсы 3 через ступицу 4 связаны с валом 5. Лопасти 2 могут быть установлены перпендикулярно к траверсам 3, т.е. так, что угол хорды лопасти 2 к касательной к траектории вращения лопасти 2 составляет ноль градусов. Однако для максимального повышения тянущей силы лопастей 2, а значит и КПД ветродвигателя, упомянутый угол должен составлять 1 ... 4 градуса, что установлено экспериментально. Для обеспечения равномерности распределения нагрузок на траверсу 3 хорда b и высота h профиля траверсы увеличиваются от лопастей 2 к ступице 4, причем минимальное значение хорды профиля траверсы 3 равно хорде профиля лопасти 2. А для обеспечения технологичности изготовления траверс 3 хорда b и высота h их профиля увеличиваются от лопасти 2 к ступице 4 по линейному закону. Пусковое устройство 6 установлено над ветровой турбиной 1 и представляет собой (см. фиг. 2) две очерченные по дуге лопасти 7, составленные в виде буквы "S" (или близком к "S") симметрично относительно оси ветродвигателя. Сверху и снизу лопасти 7 связаны (жестко скреплены) горизонтальными пластинами 8. Пластины 8 могут быть изготовлены, например, в виде дисков (фиг.2). Однако для исключения опасности возникновения при значительных ветровых нагрузках и предельной частоте вращения турбины 1 резонансных колебаний типа флаттер на неподкрепленных лопастями 7 участках "а" тонких горизонтальных пластин 8, выполненных в виде дисков, целесообразно использовать пластины 9 другой формы, где удалены консольные участки дисков, подверженных резонансным явлениям (фиг.3). Нижняя пластина 8 (или 9) жестко соединена с траверсами 3, что обеспечивается, например, закреплением их при помощи болтов 10 на ступице 4 и участках траверс 3, расположенных возле стыка со ступицей 4. Это позволяет дополнительно ужесточить конструкцию в области упомянутого стыка. S-образно составленные лопасти 7 пускового устройства 6 могут быть расположены относительно оси траверс 3 под разным углом (вплоть до прямого). Однако оптимальным является такое их расположение, при котором вертикальные края лопастей 7 пускового устройства б расположены в плоскости "г", проходящей через ось "е" траверс 3 (см. фиг.3). Ветродвигатель работает следующим образом. При остановленной ветровой турбине 1 тянущей силы ее лопастей 2 оказывается недостаточно для запуска ветродвигателя. Необходимый начальный момент вращения обеспечивается лопастями 7 пускового устройства 6, где используется принцип разности сил давления ветрового потока на выпуклые и вогнутые стороны лопастей 7 и двух последовательных изменений на 180 градусов направления воздушных потоков на лопастях 7. Если пусковое устройство 6 закреплено на ветровой турбине 1 так, что вертикальные края лопастей 7 расположены в плоскости, проходящей через оси траверс, то отсутствие тянущей силы на лопастях 2 турбины 1 (когда хорда лопасти 2 совпадает с направлением ветра) компенсируется ее максимальным значением на лопастях 7 пускового устройства 6, поскольку последние в данном случае расположены так, что вогнутая часть одной из лопастей 7 принимает ветровой лоток всей своей площадью. Указанные особенности конструкции обеспечивают запуск турбины 1, а также сохранение тянущей силы при небольшом ветре, поскольку, как уже было сказано, при любом положении ветровой турбины 1 минимум тянущей силы на лопастях турбины 1 компенсируется ее максимумом на лопастях 7 пускового устройства б, и наоборот. При слабом ветре и низкой частоте вращения пусковое устройство дает значительную (до 50 процентов) прибавку к развиваемой лопастями 2 ветровой турбины 1 мощности. При номинальной и более высоких скоростях ветра турбина 1, где используется эффект возникновения подъемной (тянущей) силы на лопастях 2 и траверсах 3, имеющих аэродинамический профиль, работает на высоких скоростях (окружная скорость превышает скорость ветрового потока). При этом пусковое устройство 6 практически не оказывает влияния на энергетические характеристики ветровой турбины 1, так как лопасти 7 не могут развивать окружную скорость выше скорости ветрового потока. Таким образом, использование пускового устройства 6 предлагаемой конструкции и era жесткая связь с ветровой турбиной 1 позволяет оптимально использовать аэродинамические характеристики ветровой турбины 1 пускового устройства 6 и минимизировать число кинематических пар ветродвигателя, благодаря чему повышается надежность работы ветродвигателя и, одновременно, улучшаются его энергетические характеристики.