Вітряний двигун

Реферат: Вітряний двигун містить робочі елементи, закріплені на несучому елементі, що розташований на валу генератора. Робочі елементи виконані у вигляді переважно чотирьох відкритих півсфер. Основа кожної відкритої півсфери розташована під кутом 40-50° відносно до хрестовини, на якій вона закріплена. UA 100617 C2 (12) UA 100617 C2 UA 100617 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі вітроенергетики, зокрема до пристроїв для отримання електроенергії з використанням енергії вітру, конкретно, до конструкції вітряного двигуна з горизонтальною віссю обертання. Існуючі вітродвигуни поділяються на пристрої з горизонтальною і вертикальною віссю обертання, швидкохідні та тихохідні. Відомий вітродвигун, що містить вітроколеса з дугоподібними лопатями, які мають повітряні канали, утворені дугоподібними перегородками та нижньою і верхньою кришками. Скріплені між собою, вітроколеса мають три дугоподібних лопаті, розташовані під кутом 120° відносно один до одного, при цьому кожна лопать має однакове з сусідніми лопатями парне число дугоподібних повітряних каналів, одна половина яких нерозривно пов'язана з повітряними каналами сусідньої лопаті, розташованої за годинниковою стрілкою, а інша половина повітряних дугоподібних каналів нерозривно пов'язана з повітряними каналами сусідньої лопаті, яка розташована проти годинникової стрілки. Верхня і нижня кришки вітроколіс мають увігнуту дугоподібну окрайку рівного радіуса в частині, що формує лопать вітроколеса по лінії радіусу, а центри радіусів рознесені відносно один одного під кутом від 20° до 50°. В одній половині вітроколіс центр дугоподібної увігнутої окрайки нижньої кришки відносно до центру дугоподібної увігнутої окрайки верхньої кришки зміщений за годинниковою стрілкою, а в іншій половині - проти годинникової стрілки, [див. патент Російської Федерації на винахід № 2285148]. Але конструкція даного вітродвигуна дуже складна, а також має невеликий коефіцієнт використання енергії вітру (КВЕВ). Найбільш близьким до винаходу, що заявляється, за принципом роботи і конструктивним елементом є вітряний трилопатевий генератор ВЭУ-3/5, що випускається ООО "ЗАВОД ЭЛЛИПС", Сальци, Новгородская обл., РФ (див. Рекламный проспект ООО "ЗАВОД ЭЛЛИПС", 2009 г.). Вказаний вітрогенератор містить робочі елементи - три лопаті у вигляді пропелера, що закріплені на несучому елементі, розташованому на валу генератора. Генератор закріплений на щоглі, а до задньої його частини прикріплена штанга з колом (типу флюгера) для орієнтації робочих елементів за напрямком вітру. Конструкція даного вітрогенератора вибрана як прототип. Прототип і винахід, що заявляється, мають наступні спільні ознаки: робочі елементи; несучий елемент, на якому закріплені робочі елементи; генератор; несучий елемент, закріплений на валу генератора. Потужність вітряного трилопатевого генератора ВЭУ-3/5-3 кВт. КВЕВ досягає 25-30 %. Але, відомий вітродвигун має ряд істотних недоліків. 1. Достатньо вузький робочий діапазон співвідношень швидкості обертання лопаті і швидкості набігаючого потоку. При короткочасних слабшаннях вітру або при уповільненні обертання вала внаслідок зростання навантаження співвідношення швидкості лопаті і повітря стає неоптимальним і відбувається зрив потоку повітря з лопатей. У такі моменти КВЕВ падає в рази, робота вітродвигуна стає неефективною. 2. Обмеженість у розмірах, а значить і в потужності. Діаметр обертання лопатей недоцільно збільшувати більш ніж на 5 м, через те, що установка такого вітродвигуна пов'язана з небезпекою при експлуатації. 3. Обертання лопатей такого вітродвигуна супроводжується свистом, а тому його неможна установлювати на житловому будинку або в безпосередній близькості до нього. 4. На великих установках з пропелерами необхідно установлювати додатковий двигун для запуску установки, тому, що дуже часто вони не запускаються від вітру. 5. Виготовлення лопатей пропелерів дуже складне та дороге. 6. Загальна площа лопатей пропелера будь-якого розміру буде завжди значно менше площі півсфер аналогічного діаметра обертання. В основу винаходу поставлено задачу розробити конструкцію вітряного двигуна, в якому шляхом застосування "вітрил" - жорстких, переважно пластмасових півсфер як робочих елементів для контакту з вітром, а також оригінального способу і кута установлення їх, забезпечити потужне і стабільне обертання робочого колеса і, як наслідок, забезпечити підвищення ефективності вітряного двигуна за рахунок збільшення коефіцієнту використання енергії вітру. Поставлена задача вирішена конструкцією вітряного двигуна, що містить робочі елементи, закріплені на несучому елементі, котрий розташований на валу генератора, тим, що робочі 1 UA 100617 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 елементи виконані у вигляді переважно чотирьох відкритих півсфер, при цьому основа кожної відкритої півсфери розташована під кутом 40-50° відносно до хрестовини, на якій вона закріплена. В основі винаходу, що заявляється, стоїть фактор впливу потоку повітря на увігнуту (внутрішню) частину порожнистої півсфери. Вітряний двигун зображений на кресленні, де: фіг. 1 - загальний вигляд двигуна; фіг. 2 - вигляд спереду; фіг. 3- схематичне зображення взаємодії потоку вітру з півсферою. Швидкохідний горизонтальний вітряний двигун містить робочі елементи, виконані у вигляді, переважно чотирьох пластмасових півсфер 1, прикріплених до хрестовини 2 за допомогою елементів кріплення 3. Хрестовина 2 з'єднана з маточиною 5, яка жорстко закріплена на валу 6 генератора 4. Кожна півсфера 1 закріплена на хрестовині 2 таким чином, що основа розташована під кутом 45° відносно до хрестовини 2. Кількість півсфер швидкохідного горизонтального вітряного двигуна вибрано з таких міркувань. У будь-якому діаметрі обертання максимальну площу можна отримати при щільному розміщенні чотирьох півсфер з максимальним діаметром, які вмістяться в нього. Збільшуючи кількість півсфер більше чотирьох штук, при заявленому принципі розміщення півсфер для отримання обертання колеса, будуть втрати в сумарній площі півсфер, але ефект обертання залишиться. Установка трьох або двох півсфер так само дасть обертання, але площа зменшиться ще більше. Вибір кута, під яким установлено відкриту основу кожної півсфери по відношенню до хрестовини, на якій вони закріплені, пояснюється наступним. Використовуючи вплив потоку повітря на порожню півсферу було відмічено, що змінюючи кут атаки потоку повітря в зігнутій частині порожнистої півсфери, щодо її основи від 20° до 90°, потік прагне до центру і по колу в протилежну частину півсфери (фіг.3). Це змушує півсферу рухатися у напрямку її осі опуклою частиною вперед. Цей ефект дає можливість крутити жорсткі порожнисті півсфери у вертикальному положенні. В заявленій конструкції на хрестовині розмістили чотири півсфери максимально щільно одна до одної (з розрахунку, щоб кожна півсфера була повністю відкрита впливу вітру) під кутом 45° відносно до напрямку вітру. Всі півсфери звернені опуклою частиною в одному напрямку (фіг.2,3). Експериментально установлено, що цей кут рівний 45° дає максимальний ефект впливу вітру на півсферу. У результаті виготовлена модель дуже чутлива до вітру модель, яка стабільно обертається і залежно від швидкості вітру змінює швидкість обертання. Крім того, при зміні кута атаки вітру по відношенню до колеса, що обертається, вона не втрачає обертання і напрям (навіть опуклої частини півсфер по відношенню до напрямку вітру), а втрачає тільки потужність обертання. Це дає можливість при великих руйнуючих вітрах розгортати установку (обертову частину) на 180° максимально зменшуючи опір півсфер вітру, без втрат роботи установки. Вітряний двигун працює наступним чином. Направляючи установку фронтальною частиною (фіг. 1) проти напряму вітру кожна півсфера 1 (вітрило) буде прямувати під дією потоку вітру випуклою частиною уперед. Оскільки кожна півсфера 1 установлена основою паралельно осям плеч хрестовини 2 та в одному напрямку по колу, а отже випуклою частиною півсфери під кутом 90° відносно осей плеч хрестовини 2, то й сили дії на півсфери 1 будуть під кутом 90° відносно осей хрестовини 2. Таким чином, отримуємо обертання колеса та разом з ним вала 6. Порівняння можливостей вітряного двигуна, що заявляється, і вітродвигуна за прототипом з трьома лопатями показує істотну перевагу його. Це можна пояснити наступним. Виготовляти можна дуже потужні установки відносно невеликих розмірів і на невеликих займаних площах. Наприклад: установка з півсферами діаметром 5м і загальною площею 2 чотирьох півсфер- 156м , матиме діаметр обертового колеса 13м і може розміститися основою опори на такому ж діаметрі, а висота може бути до 25м (залежно від рельєфу місцевості або місця розташування). Виготовити пропелер з такою площею неможливо і недоцільно, тому що він буде величезним і буде займати великі площі, а висота його також буде величезною. Тепер порівняємо потужності щодо займаних площ і діаметрів обертання. Як відомо, силу, діючу на лопать пропелера і силу, що діє на вітрило, розраховують за одними і тимиже формулами: 2 UA 100617 C2 S 2 S 2   Fy  C y   2 2 ; - це в Ньютонах, 2 F  0,0625  Cy  S  2 - в кгс. або Fx  0,0625  C x  S   ; y C y і C x - аеродинамічні коефіцієнти підйомної сили і сили лобового опору;  — де швидкість вітру, що діє на вітрило (пропелер); S - площа поверхні вітрила (пропелера);  Fx  C x  5 10 15 щільність повітря. Наприклад, розрахована конструкторами установка з пропелером, що складається з трьох лопатей загальною площею ~ 1,8 м і діаметром обертання пропелера 5 м, може давати 20003000 Вт електроенергії. Якщо виготовити вітродвигун пропонованої конструкції з таким же діаметром обертання колеса, то в цьому діаметрі можна розмістити чотири півсфери  2м і 2 загальною площею ~ 25 м і отримаємо установку приблизно в 13,5 разу потужніше установки з пропелером, тобто з потужністю ~ 30-40 кВт. Наявна істотна перевага заявленої конструкції. Виготовляти такі установки буде дуже просто і рентабельно. Півсфери можна виготовляти з пластика, з якого виготовляються пляшки, що дозволить утилізувати тару з-під напоїв. Оскільки ці установки будуть безшумними їх можна установлювати на дахах будинків великих мегаполісів і в межах житлових масивів. Виробництво електроенергії можна поєднати із загальною електричною системою. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 Вітряний двигун, що містить робочі елементи, закріплені на несучому елементі, що розташований на валу генератора, який відрізняється тим, що робочі елементи виконані у вигляді переважно чотирьох відкритих півсфер, при цьому основа кожної відкритої півсфери розташована під кутом 40-50° відносно до хрестовини, на якій вона закріплена. 3 UA 100617 C2 4 UA 100617 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП ―Український інститут промислової власності‖, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5