Вітродвигун

Изобретение относится к ветроэнергетике, конкретно к конструкции ветродвигателя с вертикальным и горизонтальным валами на платформе-головке, на которых установлено как минимум одно ветроколесо с рабочими лопастями и центробежным регулятором частоты вращения валов с целью стабилизации оборотов и параметров тока при различных скоростях ветра. Известен ветродвигатель фирмы "Нейман" (Германия) (Быстроходные ветродвигатели // Краткий обзор. Сост. В. Дудаков. - М.: ЦБТИ, 1957), в котором два ветроколеса установлены в виде тандема со встречным вращением, электрогенератор - в головке, вращение статора и ротора генератора в разных направлениях с приводом от переднего и заднего ветроколес. К недостаткам технического решения следует отнести длинные траверсы и, как следствие, большое расстояние между рабочими колесами, что резко снижает эффективность тандемной установки ветроколес, так как закрученный передним колесом поток, проходя через это большое расстояние, теряет закрутку и входит на лопасти заднего ветроколеса практически в осевом направлении, что не создает дополнительного момента вращения от закрутки потока. Наиболее близким к заявляемому является ветродвигатель со встречно вращающимися колесами (А.с. СССР №1333821, 1991), в котором на одном валу установлены два бирагативных ротора с встречно вращающимися лопастями, имеющими форму крыльев стрекозы (прототип). К недостаткам этого ветродвигателя относится весьма неустойчивое поведение головки агрегата в потоке, особенно при больших скоростях ветра, головка вследствие малой массы и большой быстроходности, имеет большую скорость переориентации, подвержена сильному "рысканию", что при незначительной погрешности в центровке, вследствие однонаправленного силового воздействия потока ветра вызывает повышенную вибрацию конструкции. Это в конечном итоге приводит к быстрому износу присоединительных узлов головки и выходу их из строя, что связано с ненадежностью и малым ресурсом работы таких ветроагрегатов, которые, по-видимому, по перечисленным причинам не получили широкого распространения на практике. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования ветродвигателя с вертикальным и горизонтальным валами, на которых установлено как минимум одно ветроколесо с рабочими лопастями, электрогенератор и система автоматического регулирования и стабилизации частоты вращения всех лопастей с поворотом цилиндрических хвостовиков в диапазоне углов 0 - 45° относительно их продольных осей при помощи 2 х плечевого рычага с шарниром, центробежного регулятора и пружины; ветроколесо установлено на отдельном валу, соединенном с валом электрогенератора, укрепленном на подшипниковой опоре, с возможностью кругового вращения. По другому варианту с установкой на платформе-головке двух встречно вращающихся ветроколес и электрогенераторов регулирование относительно продольных осей лопастей в диапазоне указанных углов при помощи центробежного регулятора; второе ветроколесо установлено непосредственно на валу второго электрогенератора, при этом одинаковая частота вращения двух электрогенераторов обеспечивается зубчатой передачей, установленной на их противоположных концах валов, а ориентация ветроколеса на ветер выполняется за счет асимметричного по отношению к вертикальному валу платформыголовки с ветроколесами, электрогенераторами и флюгера, скрепленного с длинной частью платформы. При таком исполнении ветродвигателя достигается автоматическое регулирование частоты вращения и установка ветроколес на ветер при значительной закрутке потока первым ветроколесом, что приводит к росту мощности в 1,3 - 1,5 раза по сравнению с аналогом и прототипом, при этом снижается скорость переориентации и, как следствие, уменьшается "рыскание" платформы-головки, уменьшается вибрация и силовое воздействие на присоединительные узлы, что повышает надежность и ресурс работы. Поставленная задача решается тем, что ветродвигатель, содержащий вертикальный и горизонтальный валы на платформе-головке, на которых установлено как минимум одно ветроколесо с лопастями, имеющими аэродинамическую форму, электрогенератор и система автоматического регулирования и стабилизации частоты вращения, отличающийся тем, что, согласно изобретению, ветроколесо установлено с возможность прямого кругового вращения и синхронного автоматического поворота всех лопастей на их цилиндрических хвостовиках при помощи центробежного регулятора в диапазоне углов 0 - 45° относительно их продольных осей, причем в центробежном регуляторе в качестве инерционной массы (груз) установлены рабочие лопасти, а механизм управления выполнен в виде опоры с двумя, прямым и V-образным, - рычагами, шарнирно связанными с опорой и хвостовиком лопасти посредством их плечей и подшипникового стакана, при этом V-образный рычаг вторым своим плечом, которое заканчивается подвижным роликом, контактирует через диск и шток с силовой пружиной и штангой, установленной подвижно между V-образным рычагом и хвостовиком лопасти с возможностью осевого перемещения вместе с пружиной вдоль штока и одновременного кругового поворота вместе с хвостовиком в пределах углов 0 - 45° в процессе регулирования и стабилизации частоты вращения; платформаголовка установлена асимметрично по отношению к вертикальному валу, - короткая сторона равна 1/3 общей длины, длинная 2/3, при этом на длинной стороне закреплен флюгер в виде плоской пластины. По другому варианту ветродвигатель отличается тем, что на короткой стороне платформы-головки непосредственно на валу второго дополнительного электрогенератора установлено второе ветроколесо с возможностью обратного кругового вращения по отношению к первому ветроколесу и синхронного поворота всех лопастей в обратном направлении при помощи аналогичного (п.1) регулятора относительно их продольных осей в диапазоне углов 0 - 45°, при этом первый и второй электрогенераторы механически связаны на свободных концах валов зубчатой парой с возможностью обратного вращения с постоянной частотой. Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен продольный разрез переднего ветроколеса; на фиг.2 - продольный разрез заднего ветроколеса; на фиг.3 - сечения передней и задней лопастей с треугольниками скоростей. Ветродвигатель содержит платформу-головку 1, на которой установлен передний электрогенератор 2, на валу 3 которого закреплено переднее ветроколесо 4 с лопастями 5, и задний электрогенератор 6, соединенный при помощи муфты 7 с отдельным валом 8, пропущенном через подшипниковую опору 9. На валу 8 закреплено заднее ветроколесо 10 с лопастями 11. Платформа-головка 11 установлена относительна вертикальной оси асимметрично - короткая сторона (1 - я ступень) - ветроколесо, электрогенератор, центробежный регулятор составляет примерно 1/3 от общей длины платформы-головки, длинная сторона (2 - я ступень) - 2/3 общей длины платформы-головки. Центробежный регулятор включает лопасть 5 или 11 (груз) с цилиндричным хвостовиком 12, установленном в подшипниковом стакане 13, который шарнирно соединен с двумя рычагами: прямым 14 и V-образным 15; рычаги 14 и 15 в свою очередь оперты на кронштейны 16; при этом двухплечевой V-образный рычаг 15 вторым плечом, которое заканчивается подвижным роликом, контактирует со штангой 17 и через диск с пружиной 18 регулятора, установленной на штоке 19 и ограниченной от предельного перемещения запорной гайкой 20, штанга 17, установленная подвижно между V-образным рычагом 15 и хвостовиком лопасти 12 с возможностью осевого перемещения вместе с пружиной 18 вдоль штока 19 и одновременного кругового поворота вместе с хвостовиком 12 в пределах углов 0 - 45° в процессе регулирования и стабилизации частоты вращения ветроколеса 5 (или 11). На длинной стороне платформы-головки 1 закреплен флюгер 21, а на противоположных концах валов электрогенераторов 2 и 6 установлена передача - пара зубчатых колес, находящихся в зацеплении. Вертикальный вал 22, на котором закреплена платформа-головка 1, установлен в подшипниковую опору 23, а хвостовик 24 вала 22 закреплен в основании 25, на котором установлен токоподъемник в виде набора колец со щетками (подробно на чертежах не раскрывается). Работает ветродвигатель следующим образом. Ветер со скоростями V и V' (см. фиг.3) воздействует на лопасти 5 и 11, создает давление на них, и ветроколеса 4 и 10 приводятся во вращение во взаимопротивоположных направлениях с окружными скоростями U, так как эти лопасти установлены друг относительно друга как зеркальное отображение, Первая ступень обдувается ветром со скоростью V строго в осевом направлении, и имеет прямое вращение, вторая ступень - закрученным передним ветроколесом на угол aпотоком со скоростью V' и вращается обратно по отношению к первой ступени. При этом закрутка потока на угол a обеспечивает добавочный момент вращения второго (2 - я ступень) ветроколеса, компенсируя некоторое снижение осевой скорости DV = V - V' при прохождении потока через переднее ветроколесо. На фиг.3 показано взаимное расположение лопастей, углы крутки каждого сечения по высоте среднестатистической лопасти, состоящей из четырех секций I, II, III, IV, повернутых на углы 6°, 9°, 12° и 15° вокруг центра тяжести (Ц.Т.). Регулирование и стабилизация частоты вращения ветроколес осуществляется центробежным регулятором следующим образом, При пуске ветродвигателя за счет начально установленной жесткости пружины 18 лопасти имеют максимальный угол установки относительно фронтальной линии, что обеспечивает быструю раскрутку ветроколес при расчетных скоростях ветра V, но эти большие углы не оптимальны с точки зрения аэродинамического качества профилей, поэтому после раскрутки ветроколес центробежные силы воздействуют на массу лопастей 5 и 11, которые перемещаясь радиально воздействуют своими хвостовиками 12 на двухплечие рычаги с шарнирами 14 и 15, сжимают пружину 18 и одновременно при помощи штанги 17 поворачивают хвостовики 12 лопастей 5 и 11, устанавливая их на меньший угол установки по отношению к фронтальной плоскости, что приводит к росту КПД при требуемой частоте вращения. Если в какой-то момент времени ветер стихнет, тогда частота вращения уменьшится, центробежные силы, действующие на лопасть ослабнут и пружина 18, воздействуя на 2 - х плечевой V-образный рычаг с шарниром 15 изменит угол установки лопастей 5 и 11 в сторону увеличения, что приведет к увеличению момента и восстановлению прежней частоты вращения. Для того, чтобы параметры вырабатываемого тока (напряжение, частота) на клеммах электрогенераторов 2 и 6 не изменялись при регулировании и стабилизации частоты вращения ветроколес центробежным регулятором, противоположные концы валов генераторов связаны зубчатой передачей 12, которая делает одинаковой в каждый момент времени частоту вращения генераторов. Поворот ветроколес 4 и 10 на ветер V осуществляется за счет асимметричного расположения платформы-головки 1 относительно оси 22 и флюгера 21. Описанный ветроэлектрический агрегат обеспечивает выполнение поставленной задачи, а именно: обеспечивается автоматическая установка ветроколес на ветер, лопастей - на оптимальные углы установки с высоким КПД при постоянстве частоты вращения, закрутку потока с дополнительным ростом момента вращения, что в целом приводит к росту мощности в 1,3 - 1,5 раза по сравнению с прототипом.