Вітродвигун

Изобретение относится к ветроэнергетике, конкретно к конструкции ветродвигателя, рабочее колесо которого имеет вертикальную ось вращения. Известно техническое решение по заявке Франции № 2319028, МКИ F 03 D 3/00 1979, в которой ветродвигатель содержит как минимум одну лопасть с аэродинамическим профилем, последняя установлена на опоре с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, соединенной с электрогенератором или насосом. На верхнем конце вала предусмотрены серьги, к которым при помощи шарниров прикреплены лопасти. Лопасти возвращаются в вертикальное положение с помощью тросов и рычагов, соединенных с общей пружиной. При чрезмерном повышении скорости вращения лопастей и превышении этой скорости за пределы рабочего интервала по углу наклона каждой лопасти под действием центробежной силы происходит торможение. Таким образом, осуществляется сброс излишней нагрузки и сохранение ветродвигателя от разрушения. К недостаткам данного технического решения относится сложность конструкции, связанная с необходимостью регулирования угла наклона основных рабочих лопастей. Кроме того, такое выполнение лопастей отличается ненадежностью в эксплуатации, так как возникают изгибные нагрузки, и это приводит со временем к усталостным трещинам и их разрушению. Известно техническое решение по патенту Франции № 2285527 МКИ F 03 D 3/00, 1979, согласно которому ветротурбина двигателя имеет вертикальный вал, установленный с подпорками. На валу закреплены рабочие лопасти, при этом каждая имеет профилированную криволинейную часть в виде симметричных лопастей по типу самолетного крыла и пусковые устройства для первоначальной раскрутки ветротурбины. К недостаткам данного технического решения относится сложность конструкции и необходимость в отдельном устройстве для первоначальной раскрутки рабочего колеса турбины. Это устройство после раскрутки работает параллельно с основными рабочими лопастями и вследствие плохи х аэродинамических характеристик снижает КПД ветродвигателя. Техническое решение по патенту Франции № 2285527 МКИ F 03 D 3/00 по своей сущности является наиболее близким к заявляемому изобретению и может быть принято в качестве прототипа и базового oбъекта. Задачей данного изобретения является улучшение пусковых характеристик ветродвигателя при повышении эксплуатационной надежности и увеличения КПД. Поставленная задача достигается тем, что ветродвигатель снабжен рабочими лопастями с аэродинамическим профилем и установленными на их хвостовиках, по крайней мере на части длины лопастей, пусковыми устройствами в виде активных аэродинамических элементов, являющихся продолжением профиля рабочих лопастей, причем каркасы рабочих лопастей и аэродинамических элементов скреплены между собой и валом при помощи силовых кронштейнов и пилонов, а вн утренние полости содержат продольные силовые стержни и нервюры. По другим вариантам ветродвигатель содержит пусковые устройства в виде дополнительных лопастей-закрылков, являющихся продолжением профиля рабочих лопастей, и полуцилиндров, расположенных с зазором относительно рабочих лопастей, скрепленных с ними посредством пилонов и обращенных выпуклыми частями к вертикальному валу. Использование рабочих лопастей с аэродинамическим профилем в сочетании с хорошо обтекаемыми закрылками в виде дополнительной лопасти-закрылка и полуцилиндров обеспечивает " высокую эффективность и надежность работы, так как указанная форма основных и дополнительных лопастей улучшает пусковые характеристики и КПД, при этом они предпочтительнее с точки зрения прочности и надежности. Сравнительный анализ показал, что предлагаемый в данной заявке ветродвигатель удовлетворяет критерию новизны. На фиг, 1 представлен общий вид ветродвигателя (аксонометрия) с двумя вариантами пусковых устройств; вар. 1-е лопастями-закрылками; вар. 2-е полуцилиндрами на пилонах; на фиг. 2 и 3 - варианты поперечных сечений рабочих и пусковых профилей по стрелке А на фиг. 1; с лопастями-закрылками и полуцилиндрами на рабочих лопастях; на фиг. 4 - вариант 3 с симметричными рабочими профилями и закрылками в качестве пускового устройства ветродвигателя - поперечное сечение. Ветродвигатель содержит три рабочих лопасти 1 с симметричным или несимметричным по типу самолетного крыла аэродинамическим профилем, установленные на горизонтальных несущи х кронштейнах 2. Последние закреплены на вертикальном валу 3. При этом аэродинамические профили лопасти 1, расположенные в горизонтальной плоскости ветроколеса, установлены под требуемым расчетным углом установки b уст.1, например, 60° (фиг. 2). Носовая часть 1а профиля 1 при работе описывает окружность. На хвостовиках 16 по всей длине или на ее части по высоте лопасти 1 установлены дополнительные лопасти-закрылки 4, являющиеся продолжением крыловидного профиля 1, и связанных с валом 3 при помощи кронштейнов 5. При этом профили лопастей-закрылков 4 установлены под расчетным углом b уст.2 . Между лопастями 1 и 4 имеется щель 6, через которую перетекает часть потока, улучшая пусковые свойства ветродвигателя. Закрылки 4 и 7 могут быть расположены на части длины рабочей лопасти 1 (на фиг. 1 отмечено штрих п унктиром). На фиг. 3 представлен вариант исполнения пускового устройства в виде полуцилиндров 7, установленных на профиле 1 с помощью пилонов 8. Лопасти 1, 4 и полуцилиндры 7 выполнены из листового материала, например, алюминия. Каркасы 9 из листового материала содержат внутри продольные силовые элементы 10, например, трубы, связанные с нервюрами 11, имеющими такой же профиль как лопасть и расположенные в нескольких сечениях по высоте лопасти 1 (условно не показано). Полости лопасти 1 могут иметь заполнители, например, из пенопластмассы, повторяющие форму профиля 1 (с учетом толщины листового материала каркаса 9). Образуются также лопасти-закрылки 4, например, при гибке каркаса из единой прямоугольной листовой заготовки или литьем из расплавов металлов и смол, армированных стеклотканью. В варианте 3, изображенном на фиг. 4, в качестве рабочих лопастей 1 служат симметричные лопасти, например, типа НАСА 0012, 0015 и т.п., а в качестве пусковых закрылков симметричные (или несимметричные) профили 4, отстоящие от лопастей 1 с зазором 6 (так называемые щелевые лопасти). Ветродвигатель работает следующим образом. Ветер со скоростью W, взаимодействуя с лопастями 1, создает давление на них и вращает вал 3 ветродвигателя с угловой скоростью со. При этом возникают и действуют одновременно две силы - подъемная сила на аэродинамическом профиле, 1, и сила динамического давления внутренней поверхности профиля 1 на лопастях-закрылках 4 и полуцилиндрах 7. Суммарное значение этих двух сил создает момент вращения ветродвигателя относительно вала 3. При этом поток ветра со скоростью W входит в конфузорный канал между соседними лопастями 1 и разгоняется до более высокой скорости и срабатывает на закрылках 4 и Полуцилиндрах 7 с реакцией поворота потока, вала, что обеспечивает быстрый запуск ветродвигателя и повышает момент вращения рабочего колеса относительно вала 3. Для вариантов 1 и 3 (фиг. 2 и 4) основной вклад в момент вносит система щелевого закрылка 4. Профилированная щель 6 и установка закрылка 4 под углом b уст.2 >b уст.1 увеличивает искривленность профиля, что, согласно аэродинамической теории, существенно, а 1,3-1,8 раза увеличивает коэффициент подъемной силы за счет перестройки эпюры давления на верхней поверхности закрылка 4 и смещения точки отрыва потока. Следовательно, выполнение лопастей 1 в виде комбинации их с полуцилиндрами 7 и объемных щелевых конструкций в сочетании с жесткими закрылками 4 обеспечивает минимум опасных изгибных напряжений, возникающих при его работе и повышает аэродинамическое качество ветротурбины. По сравнению с прототипом и базовым объектом это обеспечивает надежную эксплуатацию с увеличенным КПД и улучшенными пусковыми характеристиками.