Вітродвигун підвищеної потужності конструкції гриценка

Винахід відноситься до вітродвигунів, що перетворюють поступальний рух вітр у в обертовий рух вала двигуна. Відомі вітродвигуни по кл. F03D1/00 з горизонтальною віссю обертання є найбільш поширеними внаслідок оптимального розміщення всіх лопатей двигуна по відношенню до рушійного потоку вітру та кращого співвідношення потужності, маси та вартості конструкції. Недоліком цих двигунів є обмеження по розміру і потужності двигуна, що змушує для отримання великих потужностей розміщувати їх гр упами на певній території. Консольне кріплення основних елементів конструкції цих двигунів, високооборотний ротор та високі швидкості на кінцях лопатей призводить до вібрацій та шумів, які шкідливо впливають на стійкість конструкції та на навколишнє середовище. Відомі вітродвигуни по кл. F03D3/00 з вертикальною віссю обертання мають робочі лопаті закріплені на роторі двигуна жорстко, або шарнірно. Відомі аеродинамічні двигуни подібної конструкції по класу F03D3/00 з вертикальною віссю обертання, наприклад двигуни за [патентами BE 9100301, DE 8708163, DE 3919319, ЕР 89104853, US 5642983, WO 9108394, WO 9720142, WO 9813602, SU 1820024, RU 2044157] та прототип аерогідродинамічний двигун С тепанова за [патентом RU 2014486] не знаходять широкого застосування і не конкурентноздатні по відношенню до відомих ефективних конструкцій вітродвигунів з горизонтальною віссю обертання, які в даний час широко використовуються в вітроенергетиці, через такі недоліки як неоптимальний по відношенню до вектору руху кут розвороту їх лопатей в більшості точок повороту вітроколеса, наявність значної частки непрацюючих лопатей, які рухаються назустріч потоку та низьке співвідношення потужності та пасивної маси двигуна, при приблизно рівних граничних показниках розмірів та потужності, по відношенню до цих двигунів. Як показує аналіз кінематичної схеми, недоліком прототипу є консольне кріплення вертикального валу двигуна, що зменшує стійкість конструкції та накладає обмеження на збільшення його розмірів, а також конструктивне рішення по розміщенню упорів, що обмежують розворот лопатей, при якому саморозворот робочих лопатей відбувається при проходженні ними площини утвореної віссю обертання та вектором набігаючого потоку. Як результат половина лопатей не працює взагалі, рухаючись флюгерно назустріч потоку, а др уга половина в робочому положенні рухається суп утньо до потоку, при чому частина з них попадають у вітрову тінь попередніх лопатей. Виходячи з цього, метою винаходу є створення конструкції низькооборотного вітродвигуна з вертикальною віссю обертання, котрий має значно більші граничні розміри та потужність, вищий показник сприйнятої двигуном енергії потоку в розрахунку на одиницю загальної площі лопатей, та забезпечує експлуатаційні характеристики, які є конкурентними по відношенню до найбільш ефективних конструкцій вітродвигунів як з вертикальною, так і з горизонтальною осями обертання та справляє менший шкідливий екологічний вплив. Винахід відноситься до вітродвигунів, які перетворюють енергію вітру в обертальний рух валу двигуна, котрий розміщений вертикально і перпендикулярно до вектору руху вітр у. Винахід пояснюється кресленнями принципової схеми двигуна, де на фіг.1 представлено вертикальний осьовий розріз вітродвигуна в площині, котра співпадає з вектором вітрового потоку Vp, на фіг.2 представлено горизонтальний розріз вітроколеса, на фіг.3 горизонтальний розріз верхнього вітрозабірника, на фіг.4 горизонтальний розріз нижнього вітрозабірника. Вітродвигун має вал двигуна 1, закріплений в верхній частині верхнім шарнірним кріпленням 2, з допомогою несучої конструкції цього кріплення 3, а в нижній частині закріплений в шарнірній опорі 4. Вітродвигун має лопаті 5, які симетрично і рівномірно розміщені навколо осі валу двигуна паралельно їй, які в нижньому та верхньому кінцях шарнірно закріплені до кільцевих елементів жорсткої каркасної одно- або багатоярусної конструкції вітроколеса 6, котра радіально зв'язує вал двигуна 1 з лопатями 5 і коаксіально зв'язує лопаті між собою, а також служить для регульованого кріплення упорів та тяг 7. Упори та тяги 7 фіг.2 регульовано обмежують кути секторів повороту лопатей 5 навколо осей паралельних осі вала двигуна та забезпечують регулювання кутів зміщення цього сектору відносно площини, що проходить через вісь обертання двигуна і вісь обертання лопаті, при чому ця площина перебуває за межами сектору повороту лопаті, а також забезпечують перехід лопатей у флюгерне відносно потоку положення при перевищенніграничного тиску вітру на них, за рахунок збільшення довжини тяг при перевищенні граничної сили їх натягу. Тяги являють собою гнучкі троси чи канати, які з'єднують упори з лопатями і регулюються за довжиною при їх кріплені до упорів. Ме ханізм регулювання довжини тяг, для зміни сектору розвороту лопатей в робочому та аварійному режимах, може бути виконаний у вигляді механічних або автоматичних вузлів змонтованих на упорах. Регулювання розвороту лопатей дозволяє враховувати в процесі експлуатації вітродвигуна конкретні умови дії потоків вітру на лопаті в секторах E1, E2 вітроколеса фіг.2. Лопаті 5 виконані у вигляді двох нерівних за розмірами і масою частин відносно площини, яка перпендикулярна до осі площини лопаті і проходить через вісь її обертання, при чому, сума статичних моментів вказаних частин відносно цієї осі наближається до нуля, а самі лопаті підбираються за шириною і кріпляться рівномірно до кільцевих елементів каркасної конструкції вітроколеса в такій кількості, яка забезпечує саморозворот лопатей 5 вітроколеса при їх наближенні у секторі S1 до площини, що перпендикулярна до напряму потоку і проходить через вісь вала двигуна фіг.2, внаслідок часткового перекривання попередньою лопаттю тиску цього потоку на лопать і умови, що внаслідок цього тиск на меншу відносно осі обертання частину лопаті буде більшим за тиск на більшу її частину, чим забезпечується збільшення сектору Е1-Е 2 фіг.2 ві троколеса, на якому розміщені сприймаючі вітрову енергію лопаті та зменшується навантаження на лопать в порівнянні з прототипом. Саморозворот лопатей відбувається в секторі найбільшої швидкості супутнього відносно потоку руху лопатей, що дозволяє уникнути недоліку роботи лопатей прототипу та збільшити сектор Е1 - Е2 понад 180 градусів одночасно зменшивши сектор Ео фіг 2, де лопаті рухаються назустріч потоку, розміщуючись флюгерно і не сприймають його енергії. Для підвищення потужності та відносного зменшення маси пасивних конструкцій вітродвигун обладнується вітрозабірниками фіг.3, фіг 4, які спрямовують на лопаті вітроколеса в секторі Е2 фіг.2 вітрові потоки Vp1, Vp2 фіг.1, які проходять, відповідно, вище та нижче вітроколеса. Верхній вітрозабірник фіг.3 монтується на фермах несучої конструкції 3 верхнього шарнірного кріплення валу двигуна і має дефлекторну оболонку 8 фіг.1, що монтується на каркасі 9 і служить для спрямування вітрового потоку Vp1 зверху всередину вітроколеса та вертикальні направляючі потоку 10, 11 фіг.3. Вертикальні направляючі потоку 10 кріпляться нерухомо до каркасу 9 і забезпечують коаксіальне спрямування потоку Vp1. Вертикальні направляючі 11 виконані у вигляді лопатей, що обертаються відносно осей 12, які шарнірно кріпляться до каркасу 9 і служать для зменшення втрат енергії потоку Vp1 при його проходженні через вітрозабірник. Нижній вітрозабірник фіг.4 монтується на дахових конструкціях 13 машинного залу 14 вітродвигуна фіг.1. Дахові конструкції 13 виконані під кутом, який забезпечує спрямування потоку Vp2 знизу всередину вітроколеса. Вертикальні направляючі 15 фіг.4 кріпляться нерухомо до несучого каркасу даху 13 і скріплені між собою у верхній частині конструктивними елементами 16, які забезпечують жорсткість їх кріплення. Вертикальні направляючі 15 забезпечують коаксіальне спрямування потоку Vp2. Вертикальні направляючі 17 виконані у вигляді лопатей, що обертаються відносно осей 18, які шарнірно кріпляться до каркасу 13 та конструкцій 16, розміщені попарно відносно вертикальних направляючих 15, мають упори 19, які обмежують сектор їх розвороту. Вертикальні направляючі лопаті 17 служать для зменшення втрат енергії потоку Vp2 при його проходженні через нижній вітрозабірник. Оболонка 8 та вертикальні направляючі 10, 11, 15, 16, 17 можуть бути виконані з використанням як жорстких листових матеріалів, так і тканин або синтетичних плівок. Таким чином на лопаті вітроколеса в секторі Е1 діє потік Vp, а на лопаті в секторі Е2 діють потоки Vp, Vp1 та Vp2, що дозволяє підвищити потужність вітродвигуна, збільшити співвідношення площі робочих лопатей в секторах E1 , E2 до площі непрацюючих лопатей в секторі Е0 фіг.2 та рівномірніше розподілити навантаження на лопаті в секторах Е1, E2 вітроколеса. Конструкція вітродвигуна передбачає повну відсутність в основній несучій конструкції вітроколеса та кріпленні лопатей консольних елементів кріплення, що забезпечує його стійкість силовим навантаженням при значному збільшенні його розмірів та швидкості вітру проти гранично допустимих для всіх відомих вітродвигунів, які мають в силу своєї конструктивної побудови меншу граничну межу їх розмірів та різке зменшення коефіцієнту використання енергії вітру при зростанні його швидкості. Крім того, при збільшенні діаметру вітроколеса відповідно зростає плече передачі рушійної сили від лопатей 5 на вісь двигуна 1 і сприйняття енергії вітру при мінімальних його швидкостях. Як результат, забезпечується розширення діапазону робочих швидкостей вітру як в бік зменшення мінімальних, так і збільшення максимальних, підвищується коефіцієнт використання вітрової енергії в межах цього діапазону і ефективність експлуатації вітродвигуна проти відомих аналогів та прототип при меншому навантаженні в розрахунку на лопать. Одночасно зростає кількість працюючих лопатей та співвідношення площини сприйняття лопатями енергії вітру по відношенню до загальної площини вітроколеса в фронтальному до потоку розрізі .Збільшення діаметру вітроколеса двигуна дозволяє зменшити ефект затінення потоку лопатями, що рухаються в секторі S1, лопатей в секторі S2 вітроколеса фіг.2, а несуча конструкція вітроколеса 6 є одночасно маховиком, котрий стабілізує швидкість його обертання при поривчастому вітрі та вітрі змінних напрямів, а враховуючи незначну масу лопаті 5 відносно маси несучої конструкції 6 та значного зменшення кута саморозвороту лопаті, одночасно пом'якшує вплив вібрацій та розбалансу-вання вітроколеса при саморозвороті лопатей відносно їх осей. Таким чином запропоновані винаходом конструктивні рішення верхнього шарнірного кріплення 2 валу 1, розміщення на несучій конструкції вітроколеса 3 регульованих упорів та тяг 7, що обмежують сектор розвороту лопатей, регульоване зменшення сектору саморозвороту лопатей та зміщення саморозвороту у сектор Si вітроколеса дає, в порівнянні з прототипом, підвищену стійкість конструкції вітродвигуна, його аварійний захист, можливість побудови вітродвигунів більших розмірів, зменшення вібрацій конструкції та шумів, збільшення співвідношення лопатей, коірі- сприймають енергію потоку до лопатей, які рухаються йому назустріч і не сприймають її, збільшення співвідвідношення площини сприйняття потоку відносно площини перпендикулярного до потоку розрізу вітроколеса, більш рівномірний розподіл навантажень на робочі лопаті, вищі показники сприйняття цими лопатями енергії потоку за рахунок меншої супутньої до потоку швидкості руху оптимально розвернутих лопатей, та можливість підвищення кутової швидкості обертання вітроколеса при однакових розмірах вітроколес за винаходом і прототипом або збільшення його розмірів проти граничних для прототипу. Як результат, це дає підвищення потужності вітродвигуна проти аналогічного за розмірами прототипу та зростання показника сприйняття енергії потоку при його експлуатації. Додаткове обладнання вітрозабірників на несучих конструкціях верхнього шарнірного кріплення валу двигуна 3, та да хови х конструкціях машинного залу 13 з нерухомими та рухомими направляючими потоку дає можливість при абсолютному збільшенні маси пасивних конструкцій двигуна досягти рівних або кращих показників маси у розрахунку на одиницю потужності проти прототипу, за рахунок збільшення вітрового потоку, що направляється на лопаті ; та зменшити вартість вітродвигуна на одиницю його потужності за рахунок підвищення питомої ваги дешевих матеріалів низького ступеню технологічної обробки у його загальній масі. Винахід забезпечує також збільшення розмірів та підвищення потужності вітродвигуна за межі граничних для прототипу та відомих конструкцій вітродвигунів, як з вертикальною, так і з горизонтальною осями обертання та отримання в порівнянні з ними вищих експлуатаційних характеристик за рахунок підвищеної стійкості конструкції вітродвигуна силовим навантаженням потоку і підвищення коефіцієнту відбору енергії вітр у в більш широкому діапазоні його робочих швидкостей. Розміщення робочих машин, котрі сприймають потужність вітродвигуна, в машинному залі 14 на рівні поверхні землі дає можливість застосування широкого спектру робочих машин, агрегатів, генераторів та іншого обладнання великої маси і потужності. Винахід дозволяє розширити можливості будівництва економічно ефективних вітростанцій в місцях де, при наявності сильних вітрових потоків, відсутня можливість розміщення значної кількості вітродвигунів порівняно низької одиничної потужності, або в місцях де останні справляють неприйнятний рівень шкідливого впливу на екологію місцевості. В кінцевому підсумку запропонована конструкція вітродвигуна дозволяє збільшити можливості використання потенціалу вітроенергії планети, підвищити економічну ефективність і конкурентноздатність вітродвигунів, збільшити питому вагу вітроенергетики в енергетичній галузі та зменшити шкідливий вплив використання інших джерел енергії на екологію планети. Будівництво ві тродвигунів великої одиничної потужності в якості вітроелектростанцій може бути більш привабливим для бізнесу в енергетичній галузі чим будівництво вітряків малої потужності, які є більш привабливими для використання окремими споживачами їх енергії, що дасть можливість значно збільшити залучення інвестицій в галузь вітроенергетики з боку енергогенеруючих компаній.