Вітродвигун

Изобретение относится к ветроэнергетике, конкретно - к конструкции ветродвигателя, рабочее колесо которого имеет вертикальную ось вращения и может быть использовано в конструкциях с флюгером. Известен близкий к заявляемому ветродвигатель [2], в котором имеется вертикальное барабанное ветроколесо с лопастями, внутренний и наружный направляющие аппараты, первый из которых имеет вертикальные элементы, при этом наружный направляющий аппарат выполнен в виде полуцилиндров с флюгерными хвостовиками, установленных с возможностью окружного перемещения с двух сторон рабочего колеса, а вертикальные элементы внутреннего направляющего аппарата имеют крыловидный профиль, причем оба направляющих аппарата жестко связаны друг с другом. К недостаткам изобретения [2] следует отнести малую энергоемкость и невозможность дальнейшего улучшения КПД и пусковых характеристик из-за больших гидравлических потерь внутри и снаружи рабочего колеса. Применение только внешнего направляющего аппарата приводит к росту КПД и улучшению энергоемкости, то есть фактически улучшает технические характеристики ветроагрегата в целом. Техническое решение [2] может быть принято в качестве прототипа и базового объекта по отношению к заявляемому изобретению. Задачей данного предлагаемого изобретения является повышение производительности, КПД и улучшение пусковых характеристик. Поставленная задача достигается тем, что наружный направляющий аппарат совмещен с флюгером и выполнен в виде рамки, состоящей из двух плоских экранов, расположенных с двух сторон вдоль рабочего колеса с возможностью вращения вокруг колеса, причем на внутренней стороне одного из экранов расположен собственно направляющий аппарат, выполненный в виде полуцилиндра, высота которого равна высоте рабочего колеса, а выпуклой стороной упомянутый направляющий аппарат расположен в подветренную сторону в рамке наружного направляющего аппарата. По другим вариантам ветродвигатель содержит рабочие лопасти с крыловидным несимметричным профилем с закрылками и S-образное в поперечном сечении ветро-колесо с рабочими лопастями в виде двух полуцилиндров с противоположной выпуклостью. Использование рабочих лопастей аэродинамического профиля, изогнутых к оси вращения ветродвигателя в сочетании с закрылками в виде полуцилиндров и S-образных ветроколес обеспечивает высокую эффективность и надежность работы, так как указанная форма лопастей исключает повышенные гидравлические потери и снижает изгибные напряжения: лопасть работает в хорошо обтекаемом (безотрывном) режиме и создает только напряжения сжатия, что гораздо предпочтительнее с точки зрения КПД и прочности. Это дает возможность не изменять угол установки лопастей в процессе разгона основного ветроколеса, что связано с улучшением пусковых характеристик и повышением эксплуатационной надежности. Кроме этого, наличие направляющего аппарата обеспечивает дополнительный ветровой напор на рабочую лопасть при ее возврате в исходное положение по отношению к основному ветровому потоку, что повышает производительность и КПД. Сравнительный анализ показал, что предлагаемый в данной заявке ветродвигатель удовлетворяет критерию новизны. Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид ветродвигателя (аксонометрия); на фиг. 2 и 3 - продольный и поперечный (по А-А) разрезы ветродвигателя; на фиг. 4 поперечный разрез S-образного рабочего колеса с наружным направляющим аппаратом. Ветродвигатель на фиг. 1, 2, 3 содержит три лопасти 1 с несимметричным аэродинамическим профилем (по типу самолетного крыла), установленных на пилонах 2. Последние закреплены на вертикальном валу 3. При этом аэродинамические профили лопасти 1, расположенные в горизонтальной плоскости ветроколеса, установлены под требуемым углом установки. На ребрах схода потока аэродинамического профиля по всей длине лопастей 1 дополнительно установлены закрылки 4, выполненные в виде полуцилиндров и являющиеся продолжением крыловидного профиля. При этом выпуклой стороной закрылки 4 ориентированы в сторону, противоположную входной части аэродинамического профиля. Наружный направляющий аппарат расположен с подветренной стороны и выполнен в виде рамки из двух плоских экранов 5 и 6, закрепленной на валу 3 при помощи планок 7 и 8 и подшипниковых узлов 9 и 10. Экраны 5 и 6 расположены z двух сторон вдоль рабочего колеса с возможностью вращения вокруг него, при этом они выполняют роль флюгера, на внутренней стороне экрана 6 закреплен полуцилиндр 11, высота которого равна высоте рабочего колеса, а выпуклой стороной он расположен в подветренную сторону рамки наружного направляющего аппарата. По другому варианту (фиг, 4) рабочее колесо имеет S-образную форму в поперечном сечении колеса, а лопасти 12 имеют форму полуцилиндров, установленных на валу 3 с взаимной противоположной выпуклостью. Работает ветродвигатель следующим образом. Ветер со скоростью W взаимодействует с лопастями 1, создает давление на них не только при прямом воздействии, но и при отраженном W 1, когда при помощи наружного направляющего аппарата 11 поток направляется на лопасть 1, когда она движется уже выпуклостью навстречу общему направлению ветрового потока. Образуется дополнительная сила от динамического давления на внутренней поверхности профиля 1 и на закрылках 4 (или полуцилиндрах 12 для варианта на фиг. 4). Суммарное значение этих двух сил от скорости W и W 1 создает относительно оси 3 момент вращения ветродвигателя. При этом потоки ветра со скоростью W и W1 входят в конфузорные каналы между лопастями, разгоняются до более высокой скорости и срабатывают на закрылке с реакцией поворота потока в строну входа, что обеспечивает быстрый запуск ветродвигателя и повышает момент вращения рабочего колеса. Ветровой поток воздействует на флюгеры 5 и 6 наружного направляющего аппарата и устанавливает этот аппарат, а также жестко связанный с ним полуцилиндр 11, строго навстречу потоку W, и ветер, взаимодействуя с лопастями 1, всегда отдает максимум ветровой энергии, повышая энергоемкость и КПД ветродвигателя, передавая максимальную мощность на вал 3 (электрогенератору или насосу - условно не показано). С точки зрения эксплуатационной надежности несомненным достоинством предлагаемого ветродвигателя является выполнение лопастей 1 в виде объемных конструкций в сочетании с жесткими закрылками 4. Это обеспечивает минимум опасных изгибных напряжений, возникающих при его работе и повышает аэродинамические качества. Аналогичными прочностными характеристиками обладают лопасти 12 и направляющий аппарат 11, выполненные в виде полуцилиндров. По сравнению с прототипом и базовым объектом это обеспечивает рост КПД и надежную эксплуатацию с увеличенной энергоемкостью и улучшенными пусковыми характеристиками.