Вітродвигун

Изобретение относится к ветроэнергетике, конкретно - к конструкции ветродвигателя, рабочее колесо которого имеет вертикальную ось вращения и составные лопасти. Известно техническое решение по заявке Франции № 2319028 МКИ F 03 D 3/00, в которой ветродвигатель содержит как минимум одну лопасть с аэродинамическим профилем, последняя установлена на опоре с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, соединенной с электрогенератором. На верхнем конце вала предусмотрены серьги, к которым при помощи шарниров прикреплены лопасти, которые в процессе работы 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 регулировавния 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. Изветсно техническое решение по патенту Франции Г* 2285527 МКИ F 03 D 3/00, 1979 г.1, согласно которому ветротурбина двигателя имеет вертикальный вал, установленный с подпорками, на котором закреплены составные 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 плохих аэродинамических характеристик снижет КПД ветродвигателя и энергоемкость. 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 объекта. Задачей данного изобретения является улучшение пусковых характеристик ветродвигателя при повышении КПД и энергоемкости. Поставленная задача достигается тем, что ветродвигатель снабжен основными рабочими лопастями с аэродинамическим профилем и установленными за ними с зазором дополнительными лопастями в виде закрылков, являющимися продолжением профиля рабочих лопастей и скрепленных с ними при помощи силовых шарниров и подпружиненных с возможностью линейного и углового перемещения последних а плоскости вращения рабочего колеса и одновременного поворота всех закрылков по азимуту на различные углы относительно хорды основных рабочих лопастей. По другим вариантам ветродвигатель содержит соответственно две, три и четыре рабочих лопасти и столько же дополнительных лопастей-закрылков, расположенных под углами установки и касательной окружности, отличными от угла установки рабочих лопастей. Использование рабочих лопастей с аэродинамическим профилем в сочетании с хорошо обтекаемыми и автоматически регулируемыми по углу установки по азимуту в процессе работы закрылками обеспечивает дополнительные свойства, повышает КПД и энергоемкость ветротурбины. Сравнительный анализ показал, что предлагаемый в данной заявке ветродвигатель удовлетворяет критерию новизны. Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен 4 общий вид ветродвигателя (аксонометрия) с темя рабочими и дополнительными пусковыми лопастями; на фиг, 2,3 и 4 - варианты поперечных сечений рабочих и пусковых профилей по стрелке А на фиг. 1: с тремя (вар. 1), двумя (вар. 2), четырьмя (вар. 3) лопастями. Ветродвигатель содержит основные рабочие лопасти 1 с симметричным или несимметричным по типу самолетного крыла аэродинамическим профилем, установленные на горизонтальных несущих кронштейнах 2. Последние закреплены на вертикальном валу 3. При этом аэродинамические профили лопасти 1, расположенные в горизонтальной плоскости ветроколеоа, установлены под требуемым постоянным (расчетным) углом установки b уст.1, например, 1,0° (фиг. 2). Носовая часть 1,а профиля 1 при работе описывает окружность; за хвостовиками 1 ,6 лопасти 1 установлены дополнительные подвижные лопасти-закрылки 4, являющиеся продолжением крыловидного профиля 1, и связанные с ними при помощи шарниров 5 и пластин б, закрепленных на лопастях 1 в вер хней и нижней частях лопастей в точках 7. При этом профили лопастей-закрылков 4 в процессе работы автоматически устанавливаются под различными углами b уст.2 > b уст.3; b уст.4>b уст.3; b уст.5>b уст.4 . Между лопастями 1 и 4 по всей их длине имеется зазор 8, через который перетекает часть потока, улучшая пусковые свойства ветродвигателя. Подвижные лопасти 4 попарно связаны между собой подпружиненными тягами 9, состоящими из двух частей, объединенных муфтой 10 внутри которой установлены пружины 11, а другие концы тяг 9 попарно закреплены на хвостовиках лопастей 4 в шарнирах 12. Для ограничения перемещения хвостовиков лопасти 4 служат упоры 13 (конструкция условно не раскрывается). На фиг. 3 представлен вариант 2 исполнения системы рабочих лопастей 1 и 4 в виде двух пар, а на фиг. 4 - в виде че тырех пар (продольные проекции с двумя и четырьмя парами лопастей 1 и 4 условно не показаны). При этом муфта 10 выполнена в виде цилиндра, через который проходит вал 3. Лопасти 1 и 4 могут выполняться из листовых материалов или литьевым способом (не раскрывается). В качестве рабочих лопастей 1 и 4 служат симметричные или несимметричные профили, например, типа НАСА 0012, 0015 и т.п, Работает ветродвигатель следующим образом. Ветер со скоростью W, взаимодействуя с лопастями 1 и 4, создает давление на них и вращает вал 3 ветродвигателя с угловой скоростью w. При этом возникают и действуют одновременно две силы - подъемная сила на аэродинамическом профиле 1, и сила динамического давления на наружные поверхности лопастей-закрылков 4. 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 с реакцией поворота потока, что обеспечивает быстрый запуск ветродвигателя и повышает момент вращения рабочего колеса относительно вала 3. Основной вклад во вращающий момент вносит система лопасти 1 и закрылок 4 с профилированной щелью 8 с установкой закрылков 4 под углом b уст.2>b уст.1 . Это увеличивает искривленность профиля, что согласно аэродинамической теории, существенно, в 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 закрылками 4 обеспечивает минимум опасных изгибных напряжений, возникающих при его работе и повышает аэродинамическое качество ветротурбины. Вместе с тем, при работе ветроколеса с асимметричным односторонним обдувом его ветром со скоростью W внутри колеса в его диаметральной плоскости эффект отбора энергии ветра лопастями 1 и 4 не равномерен по окружности - система лопастей 1 и 4, расположенная непосредственно со стороны ветра, отбирает наибольшее количество энергии ветра, а по мере движения их по окружности отбор энергии снижается за счет возрастания гидравлических потерь, особенно на возврате лопастей в зону непосредственного обдува. Благодаря попарной связи за счет тяг 9 лопастей-закрылков 4 между собой ветер со скоростью W давит на наружные поверхности вблизи расположенных закрылков 4, которые отклоняются внутрь колеса относительно шарниров 5 и отклоняют дальние закрылки 4 в противоположную сторону, что уменьшает углы установки на пассивных участках работы, превращая лопасти 1 и 4 в более обтекаемую систему с меньшими гидравлическими потерями. При этом углы установки: b уст.2>b уст.3>b уст.4 (Для варианта 1 (фиг. 1 и 2); b уст.2> >b уст.3 для варианта 2 (фиг. 3); b уст.2>b уст.4 и b уст.5>b уст.3 для варианта 3 (фиг. 4). Предельное положение отклонения закрылков 4 определяется упором 13, а состояние плавности работы (без толчков) тяг 9 относительно шарниров 5 и 12 обусловлено требуемой жесткостью пружин 11, расположенных внутри муфт 10. Следовательно, такая система устойчиво работает не только с точки зрения прочности, но обеспечивает надежные условия запуска ветротурбины и работу ее с меньшими гидравлическими потерями, что по сравнению с прототипом и базовым объектом обеспечивает эксплуатацию с увеличенным КПД, улучшенными пусковыми характеристиками и повышенной энергоемкостью.