Вітродвигун

1. Вітродвигун, що містить нерухому опору, поворотну головку з вітроколесом і генератори, які розміщені на вітроколесі і споряджені додатковими вітроколесами, який відрізняється тим, що лопаті вітроколеса нерухомо закріплені на його маточині і споряджені пристроями повороту їх кінцевих частин, виконаних рухомими, при цьому генератори встановлені на нерухомих частинах лопатей, а кінцеві частини лопатей шарнірно встановлені на генераторах. 2. Вітродвигун за п.1, який відрізняється тим, що лопаті вітроколеса відхилено у напрямку дії вітру відносно площини, що є перпендикулярною до осі обертання вітроколеса, під кутом Ma 0,8 11 arcsin , градусів , FB L 2 (19) 1 3 Пропонуємий пристрій відноситься до вітроенергетичного устаткування, а саме до вітродвигунів. Відомо вітродвигун (перший аналог), який включає поворотну головку з вітроколесом, генератор і нерухому опору, при цьому вісь обертання вітроколеса розміщено горизонтально, а вітроколесо з'єднано з генератором за допомогою редуктора таким чином, що ротор і статор генератора обертаються у протилежні боки [міжнародна заявка PCT/UA94/00023 № публікації W095/21326 від 10.08.95]. Взаємний рух ротора і статора генератора дозволяє використати більш швидкохідний і, відповідно, більш легкий і дешевий генератор. Ознаками першого аналогу, що збігаються з суттєвими ознаками пристрою, котрий заявляється, є: наявність нерухомої опори, поворотної головки з вітроколесом і генератора. Головною причиною, що перешкоджає одержанню у першому аналогу технічного результату пристрою, котрий заявляється, є наявність редуктора, котрий підвищує у десятки разів швидкість обертання вала генератора відносно його статора у порівнянні зі швидкістю обертання вітроколеса і тому має складну конструкцію (велику кількість зубчастих коліс, систему змащення та інше), велику вагу, розміри та вартість, а також зменшує надійність вітродвигуна. Відомо вітродвигун (другий аналог), який містить поворотну головку, вітроколесо з шарнірно встановленими лопатями, додаткові вітроколеса, генератори і нерухому опору, при цьому між лопатями вітроколеса і його маточиною установлено подовжувачі, на котрих розміщено генератори з додатковими вітроколесами, які закріплено на валах генераторів, при цьому вісь обертання вітроколеса розміщено горизонтально [патент №49970, МКВ 7 F03D1/00, БВ №10, 15.10.2002p.]. Наявність додаткових вітроколіс і розміщення їх на валах генераторів, котрі закріплено на подовжувачах, дозволяє використовувати швидкохідні генератори без редукторів (мультиплікаторів). Ознаками другого аналогу, що збігаються з суттєвими ознаками пристрою, котрий заявляється, є: наявність нерухомої опори, поворотної головки з вітроколесом, генераторів, котрі розміщено на вітроколесі і споряджено додатковими вітроколесами. Головними причинами, що перешкоджають одержанню у другому аналогу технічного результату пристрою, котрий заявляється, є: невикористання енергії вітрового потоку, який охоплює подовжувачі, що призводить до неповного використання енергії вітрового потоку, котрий охоплює вітроколесо і великі навантаження на шарніри лопатей. Таким чином, другий аналог по сукупності ознак, що збігаються з суттєвими ознаками пристрою, який заявляється, і по призначенню більш близький до пристрою, що заявляється, і тому його прийнято за прототип. Наявності в прототипі сукупності ознак, що збігаються з частиною суттєвих ознак пристрою, котрий заявляється, недостатньо для одержання технічного результату, який очікується від пристрою, 76797 4 що заявляється, тому що вказаний технічній результат отримується лише у випадку відсутності продовжувачів, що виключено у прототипі (згідно суттєвих ознак прототипу). В основу винаходу поставлено задачу удосконалення вітродвигуна шляхом нерухомого закріплення лопатей вітроколеса на його маточині, спорядження лопатей вітроколеса пристроями повороту їх кінцевих частин, котрі виконано рухомими, встановлення генераторів на нерухомих частинах лопатей, шарнірного встановлення кінцевих частин лопатей на генераторах і одержання в результаті вказаних удосконалень зменшення розмірів вітроколеса, навантажень, які діють на шарніри поворотних частин лопатей, а також розмірів, ваги і вартості шарнірів лопатей та вузлів їх закріплення, ваги вітроколеса та навантажень на підшипник закріплення вітроколеса, зменшення собівартості вітродвигуна, збільшення надійності вітродвигуна і споживацьких якостей у будь-яких варіантах його виконання, що заявляється, чи умовах його використання. Суттєвими ознаками, що характеризують пристрій, котрий заявляється, є: наявність нерухомої опори, поворотної головки з вітроколесом, генераторів, котрі розміщено на вітроколесі і споряджено додатковими вітроколесами, нерухоме закріплення лопатей вітроколеса на його маточині, спорядження лопатей вітроколеса пристроями повороту їх кінцевих частин, котрі виконано рухомими, встановлення генераторів на нерухомих частинах лопатей, шарнірне встановлення кінцевих частин лопатей на генераторах, а також: - відхилення лопатей вітроколеса у напрямку дії вітру відносно площини, що є перпендикулярною до осі обертання вітроколеса, під кутом (0,8 1,1) arcsin Ma градусів, Fв L де Ма - згинальний момент, обумовлений аеродинамічним тиском, що діє на лопать при номінальній швидкості вітру у площині, яка перетинає лопать і вісь обертання вітроколеса; Fв - відцентрова сила, яка діє на лопать при номінальній швидкості вітру; L - відстань між центром ваги лопаті та віссю обертання вітроколеса; - поворот осі обертання вітроколеса, що розміщено на поворотній головці з боку дії вітрового потоку, вгору відносно горизонту на кут =(0,8 1,2) градусів; - поворот осей обертання додаткових вітроколіс назустріч вітровому потоку відносно площини, що є перпендикулярною до осі обертання вітроколеса, на кут V (0,7 10)arctg ном градусів , L2 ку; де Vном - номінальна швидкість вітрового пото L2 - відстань від осі обертання додаткового вітроколеса до осі обертання вітроколеса; - кутова швидкість обертання вітроколеса при номінальній швидкості вітрового потоку; - розміщення осей повороту кінцевих частин між їх передніми кромками і центрами аеродина 5 76797 6 мічного тиску, при цьому осі поворотних кінцевих b - довжина хорди профілю кінцевої частини частин розміщено відносно центрів аеродинамічлопаті у її поперечному перерізі, котрий перетинає ного тиску на відстані центр аеродинамічного тиску; - спорядження пристроїв повороту кінцевих MO Н=(0,02 0,05)b+ , частин лопатей роз'єднувальними муфтами. Fа З них ознаками, достатніми у всіх випадках, на де МO - момент опору обертанню кінцевої часякі поширюється обсяг правової охорони, є: нерутини лопаті; хоме закріплення лопатей вітроколеса на його Fa - сила аеродинамічного тиску, котрий діє на маточині, спорядження лопатей вітроколеса прикінцеву частину лопаті при номінальній швидкості строями повороту їх кінцевих частин, котрі виконавітру; но рухомими, встановлення генераторів на неруb - довжина хорди профілю кінцевої частини хомих частинах лопатей, шарнірне встановлення лопаті у її поперечному перерізі, котрий перетинає кінцевих частин лопатей на генераторах. центр аеродинамічного тиску; Ознаками, що характеризують пристрій, кот- спорядження пристроїв повороту кінцевих рий заявляється, лише в окремих випадках, а саме частин лопатей роз'єднувальними муфтами. в конкретних формах виконання, є: Відмінними від прототипу суттєвими ознаками - відхилення лопатей вітроколеса у напрямку є: нерухоме закріплення лопатей вітроколеса на дії вітру відносно площини, що є перпендикулярйого маточині, спорядження лопатей вітроколеса ною до осі обертання вітроколеса, під кутом пристроями повороту їх кінцевих частин, котрі виконано рухомими, встановлення генераторів на нерухомих частинах лопатей, шарнірне встановлення кінцевих частин лопатей на генераторах, а також: - відхилення лопатей вітроколеса у напрямку дії вітру відносно площини, що є перпендикулярною до осі обертання вітроколеса, під кутом (0,8 1,1) arcsin Ma градусів, Fв L де Ма - згинальний момент, обумовлений аеродинамічним тиском, котрий діє на лопать при номінальній швидкості вітру у площині, що перетинає лопать і вісь обертання вітроколеса; Fв - відцентрова сила, котра діє на лопать при номінальній швидкості вітру; L - відстань між центром ваги лопаті та віссю обертання вітроколеса; - поворот осі обертання вітроколеса, що розміщено на поворотній головці з боку дії вітрового потоку, вгору відносно горизонту на кут =(0,8 1,2) градусів; - поворот осей обертання додаткових вітроколіс назустріч вітровому потоку відносно площини, що є перпендикулярною до осі обертання вітроколеса, на кут V (0,7 10)arctg ном градусів , L2 ку; де Vном - номінальна швидкість вітрового пото L2 - відстань від осі обертання додаткового вітроколеса до осі обертання вітроколеса; - кутова швидкість обертання вітроколеса при номінальній швидкості вітрового потоку; - розміщення осей повороту кінцевих частин між їх передніми кромками і центрами аеродинамічного тиску, при цьому осі повороту кінцевих частин розміщено відносно центрів аеродинамічного тиску на відстані Н=(0,02 0,05)b+ MO , Fа де МО - момент опору обертанню кінцевої частини лопаті; Fa - сила аеродинамічного тиску, котрий діє на кінцеву частину лопаті при номінальній швидкості вітру; (0,8 1,1) arcsin Ma градусів, Fв L де Ма - згинальний момент, обумовлений аеродинамічним тиском, котрий діє на лопать при номінальній швидкості вітру у площині, що перетинає лопать і вісь обертання вітроколеса; Fв - відцентрова сила, котра діє на лопать при номінальній швидкості вітру; L - відстань між центром ваги лопаті та віссю обертання вітроколеса; - поворот осі обертання вітроколеса, що розміщено на поворотній головці з боку дії вітрового потоку, відносно горизонтальної площини вгору на кут =(0,8 1,2) градусів; - поворот осей обертання додаткових вітроколіс назустріч вітровому потоку відносно площини, що є перпендикулярною до осі обертання вітроколеса, на кут V (0,7 10)arctg ном градусів , L2 ку; де Vном - номінальна швидкість вітрового пото L2 - відстань від осі обертання додаткового вітроколеса до осі обертання вітроколеса; - кутова швидкість обертання вітроколеса при номінальній швидкості вітрового потоку; - розміщення осей повороту кінцевих частин між їх передніми кромками і центрами аеродинамічного тиску, при цьому осі повороту кінцевих частин розміщено відносно центрів аеродинамічного тиску на відстані Н=(0,02 0,05)b+ MO , Fа де МО - момент опору обертанню кінцевої частини лопаті; Fa - сила аеродинамічного тиску, котрий діє на кінцеву частину лопаті при номінальній швидкості вітру; b - довжина хорди профілю кінцевої частини лопаті у її поперечному перерізі, котрий перетинає центр аеродинамічного тиску; - спорядження пристроїв повороту кінцевих частин лопатей роз'єднувальними муфтами. Наявність нерухомого закріплення лопатей ві 7 76797 8 троколеса на його маточині, спорядження лопатей необхідну швидкість обертання вітроколеса. вітроколеса пристроями повороту їх кінцевих часПри зміні напрямку вітру поворотна головка 2 тин, котрі виконано рухомими, встановлення гене(Фіг.1) постійно орієнтується на вітер. раторів на нерухомих частинах лопатей, шарнірне Під час обертання вітроколеса на лопаті 4 дівстановлення кінцевих частин лопатей на генерають згинальні моменти Ма, обумовлені аеродинаторах у сукупності з відомими: наявністю нерухомічним тиском. Одночасно на лопаті 4 діють відмої опори, поворотної головки з вітроколесом, гецентрові сили Fe, котрі завдяки розміщенню нераторів, котрі розміщено на вітроколесі і лопатей вітроколеса відносно площини, що є перспоряджено додатковими вітроколесами, забезпепендикулярною до осі обертання вітроколеса, у чують зменшення розмірів вітроколеса, навантанапрямку дії вітру під кутом а, утворюють моменти жень, які діють на шарніри поворотних частин лоМ, що мають протилежний напрямок і зменшують патей, розмірів, ваги шарнірів лопатей і вузлів їх дію згинальних моментів. При цьому вагу вітрокозакріплення, ваги вітроколеса та навантажень на леса сприймає підшипник, котрим маточину 3 з'єдпідшипник закріплення вітроколеса, що в свою нано з поворотною головкою 2. чергу зменшує собівартість вітродвигуна та збільРозміщення лопатей 4 під кутом забезпечує шує надійність і споживацькі якості вітродвигуна. максимальну компенсацію згинального моменту Крім того, в конкретних формах виконання Ма (і відповідно навантажень на маточину 3), а пристрою, котрий заявляється, забезпечується також зближення центра ваги вітроколеса з підшизближення центра ваги вітроколеса з фланцем, пником, котрим з'єднано маточину 3 з поворотною котрим з'єднано маточину з поворотною головкою, головкою 2, що приводить до зменшення навантазменшення навантажень, які діють на підшипники жень на нього. маточини вітроколеса, отримання сил, котрі діють Збільшення кута α за межі вказаного діапазону в протилежному напрямку відносно аеродинамічпризводе до збільшення моменту М, що у випадку них навантажень, зменшення навантажень, котрі перевищення ним Ма викличе навантаження матодіють на маточину, та зменшення її ваги і вартості, чини З в зворотному напрямку, при цьому для донаближення центра тиску вітроколеса до осі обертримування потрібної відстані між кінцями лопатей тання поворотної головки, зменшення ваги і вар4 і опорою 1 необхідно збільшити відстань між тості поворотної головки та навантажень, які діють центром перетину осей лопатей вітроколеса та на систему орієнтації поворотної головки і наванпідшипником, котрим з'єднано маточину 3 з повотажень, які діють на рушій повороту поворотної ротною головкою 2, що збільшує навантаження на головки на вітер, а також потужності рушія, розтапідшипник. шування площини обертання додаткових вітрокоЗменшення кута за межі вказаного діапазону ліс під прямим кутом до набігаючого на них потоку призводе до зменшення моменту М і, відповідно, повітря, збільшення коефіцієнта використання до збільшення навантажень на маточину 3. енергії вітру, енергетичних характеристик вітродПри обертанні вітроколеса кінці лопатей 4 вітвигуна та вироблюваної електроенергії, утворюроколеса і додаткових вітроколіс 7 проходять побвання аеродинамічних моментів, котрі діють на лизу опори 1, що утворює турбулентні потоки та кінцеві частини лопатей в бік флюгерного половібрації. В зв'язку з цим відстань між кінцями лопаження, можливість повороту кінцевих частин лопатей 4 вітроколеса і додаткових вітроколіс 7 повинтей в бік флюгерного положення без використання на бути мінімальною, але достатньою, щоб вібрарушіїв при аварійних зупиненнях вітродвигуна. ції при проходженні лопатей 4 повз опору 1 не Для більш докладного роз'яснення роботи перевищували припустимих значень. пристрою, що заявляється, нижче представлені Повернення осі вітроколеса угору на кут β при креслення і докладний опис цього пристрою. обумовленій відстані між кінцями лопатей 4 вітроНа Фіг.1, Фіг.2 зображено загальний вигляд віколеса і додаткових вітроколіс 7 та опорою 1 затродвигуна. На Фіг.3 зображено пристрій повороту безпечує зменшення відстані між центром тиску кінцевої частини лопаті. На Фіг.4 зображено попевітроколеса та віссю обертання поворотної головречний переріз лопаті вітроколеса. ки 2, що зменшує аеродинамічні моменти, які діВітродвигун містить нерухому опору 1 (Фіг.1), ють на пристрій орієнтації поворотної головки 2 поворотну головку 2 з вітроколесом, котре вклюпри змінах напрямку вітру і, відповідно, до зменчає маточину З з нерухомо закріпленими лопатями шення його потужності і вартості. 4, що містять рухомі кінцеві частини 5, генератори Збільшення кута β за межі вказаного діапазону 6, котрі споряджено додатковими вітроколесами 7, призводе до зменшення площини вітроколеса і, пристрої повороту кінцевих частин лопатей (Фіг.3), відповідно, до зменшення потужності вітродвигуна. котрі складаються із рушіїв 8, роз'єднувальних Зменшення кута β за межі вказаного діапазону муфт 9, зубчастих передач 10 та шарнірів 11. призводе до збільшення відстані між центром пеРобота пристрою, котрий заявляється, здійсретину осей лопатей 4 вітроколеса та підшипнинюється таким чином. Під дією вітру обертаються ком, котрим з'єднано маточину 3 з поворотною лопаті 4 (Фіг.1) вітроколеса з закріпленими на їх головкою 2 (при дотримуванні мінімальної відстані нерухомих частинах генераторами 6, на валах між кінцями лопатей відносно опори 1), і, відповідяких закріплено додаткові вітроколеса 7. Завдяки но, до збільшення навантажень на вказаний підруху додаткових вітроколіс 7 по колу вони оберташипник і пристрій орієнтації поворотної головки 2. ються під дією набігаючого на них потоку повітря і При обертанні вітроколеса на додаткові вітроприводять в дію генератори 6. колеса 7 набігає сумарний потік повітря, котрий При змінах швидкості вітру рушії 8 (Фіг.3) поскладається з швидкості набігаючого потоку повітвертають кінцеві частини лопатей 5 і підтримують ря на вітроколесо та швидкості руху додаткових 9 76797 10 вітроколіс 7 по колу навколо осі вітроколеса. При відстані Я більше значення вказаного діаРозміщення осей додаткових вітроколіс назупазону зростають аеродинамічні моменти, котрі стріч вітровому потоку під кутом γ (Фіг.4) відносно діють на кінцеві частини лопатей 5 в бік флюгерноплощини, що є перпендикулярною до осі обертанго положення, але при цьому збільшуються навання вітроколеса, забезпечує розташування площин таження на рушії повороту 8, що призводить до обертання додаткових вітроколіс 7 під прямим збільшення їх потужності і, відповідно, їх вартості. кутом до набігаючого на них сумарного потоку поПри відстані Н менше значення вказаного діавітря, що збільшує енергетичні характеристики пазону аеродинамічних моментів буде невистачавітродвигуна при мінімальній швидкості обертання ти для подолання тертя у підшипниках 11 кінцевих вітроколеса. частин лопатей 5. Збільшення або зменшення кута γ за межі вкаПри відмові рушіїв 8, або у випадку зникання заного діапазону призводить до збільшення швиднапруги на роз'єднувальних муфтах 9 вони роз'єдкості обертання вітроколеса для підтримання ненують зв'язок між рушіями 8 і поворотними кінцеобхідної частоти обертання додаткових вітроколіс вими частинами лопатей 5, котрі під дією аеродиі, відповідно, до збільшення навантажень на лопаті намічного тиску переходять у флюгерне вітроколеса. положення і зупиняють вітроколесо. Розміщення осей повороту кінцевих частин Таким чином, пристрій, котрий заявляється, лопатей між їх передніми кромками і центрами має суттєві переваги перед прототипом і іншими аеродинамічного тиску на відстані Η (Фіг.2) від відомими пристроями аналогічного призначення. центрів аеродинамічних тисків дозволяє при відВідповідно до технічного рішення, що заявлямові пристрою повороту 8 (Фіг.3) кінцевих частин ється, йде виготовлення дослідницького зразку лопатей 5 повернути їх у бік флюгерного положенвітродвигуна потужністю 750кВт. ня за рахунок сил аеродинамічного тиску. 11 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 76797 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601