Вітровий рушій

Реферат: Вітровий рушій містить вертикальний вал з радіально закріпленими на ньому елементами кріплення, виконаними у вигляді Γ-подібних кронштейнів, на яких закріплені робочі елементи, виконані у вигляді порожнистих півсфер. Випуклі частини порожнистих півсфер прикріплені до коротких плечей, а основи - до довгих плечей Г-подібних кронштейнів. Основа кожної 1 порожнистої півсфери зміщена відносно сегмента вектора перерізу центру осі обертання на /2 діаметра півсфери. UA 100631 C2 (12) UA 100631 C2 UA 100631 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі вітроенергетики, у тому числі до пристроїв для одержання електроенергії з використанням енергії вітру, конкретно до конструкції вітрового рушія з вертикальною віссю обертання. Існуючі вітрорушії діляться на пристрої з горизонтальною й вертикальною віссю обертання, швидкохідні й тихохідні. Найближчим по технічній суті до винаходу, що заявляється, є пристрій вітродвигуна з вертикальною віссю обертання, що містить вертикальний вал з радіально закріпленими на ньому осями, до яких кріпляться основні лопаті, з'єднані із пружними елементами. Лопаті установлені під певним кутом φ до вертикальної площини з можливістю повороту на кут φ +90° у напрямку, що збігається з напрямком повітряного потоку й на кут 90° - φ у протилежному напрямку. Кожна лопать установлена на осі шарнірно, а її нижня крайка з'єднана пружним елементом з периферійним кінцем сусідньої осі в напрямку, протилежному напрямку повітряного потоку. Крім того, кожна лопать забезпечена важелем, що розміщений поблизу вала, периферійний кінець важеля з'єднаний пружним елементом з валом, причому точка з'єднання пружного елемента з валом лежить у вертикальній площині, що проходить через вісь лопать, а точка з'єднання пружного елемента з важелем лежить у площині, що проходить через вісь лопаті й складовій із площиною кут 45° + φ/2 (див. патент Російської Федерації № 2045681 на винахід "Ветровой двигатель"). Дана конструкція вибрана як прототип. Прототип і винахід, що заявляється, мають спільні ознаки: - вертикальний вал; - елементи кріплення, радіально закріплені на вертикальному валу; - робочі елементи (4 шт., установлені хрест-навхрест), закріплені на елементах кріплення. Однак зазначений двигун має невелику ефективність внаслідок низького коефіцієнта використання енергії вітру. Це можна пояснити наступними причинами. 1. За основу робочого елемента використаний плоский лист, у якого невеликий коефіцієнт лобового аеродинамічного опору, а при кутовому обертанні робочого колеса напір вітру в основному впливає під кутом стосовно робочого елемента. 2. Використаний шарнірний спосіб кріплення до осей дає можливість сильним крутним вітрам розхитувати всю конструкцію й збивати амплітуду обертання робочого колеса. 3. Пружні елементи при постійній роботі дуже швидко руйнуються. 4. При кутовому обертанні робочі елементи перекривають один одного, зменшуючи ефективність робочих площ. 5. Застосування таких лопатей великого розміру, як зазначено у винаході, нереально. В основу винаходу поставлено задачу створити вітровий рушій, у якому шляхом виконання робочих елементів у вигляді порожнистих півсфер, а також оригінального способу кріплення їх, забезпечити підвищення ефективності вітрорушія за рахунок максимального контакту робочих елементів з вітром при мінімальній відстані кріплення їх від центра обертання. Поставлена задачу вирішена конструкцією вітрового рушія, що містить вертикальний вал з радіально закріпленими на ньому елементами кріплення, на яких закріплені робочі елементи тим, що робочі елементи виконані у вигляді порожнистих півсфер, а елементи кріплення - у вигляді Г-подібних кронштейнів, причому опуклі частини порожнистих півсфер прикріплені до коротких плечей, а основи - до довгих плечей Г-подібних кронштейнів, при цьому основа кожної 1 порожнистої півсфери зміщена щодо сегмента вектора перетину центра осі обертання на /2 діаметра півсфери. При створенні вітрорушія що заявляється, врахований фактор впливу вітру на внутрішню ввігнуту частину порожнистої півсфери й спосіб кріплення порожнистих півсфер до обертового вертикального вала. Це забезпечує положення, при якому під час обертання площа ввігнутої частини однієї півсфери в середньому постійно перебуває під 100 %-м впливом повітряного потоку. Вітровий рушій зображений на кресленні, де: фіг. 1 - вид одномодульного вітрорушія з генератором; фіг. 2 - вид спереду одного модуля; фіг. 3 - вид зверху одного модуля; фіг.4 - схема кріплення півсфер до вала, вид зверху; фіг. 5 - схема кріплення Γ-подібних кронштейнів до вала й між собою; фіг. 6 - схема кріплення півсфер зі зсувом; фіг. 7 - загальний вигляд многомодульного вітрорушія 1 UA 100631 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Вітровий рушій містить робочі елементи, виконані у вигляді чотирьох (переважно пластмасових) порожнистих півсфер 1, прикріплених до вертикального вала 2 за допомогою елементів кріплення, виконаних у вигляді Г-подібних кронштейнів 3. Г-подібні кронштейни 3 у свою чергу жорстко закріплені на валу 2. На кінцях вала 2 установлені підшипники 6, вмонтовані в корпус і закріплені на хрестовинах 4 каркаса 5. Вал 2 з порожнистими півсферами 1 передає обертання генератору 7 через конусоподібну шестерінчасту пару 8. Кількість порожнистих півсфер 1 вітрового рушія вибрано з наступних міркувань. Для будь-якого діаметра обертання зберігаючи в середньому 100 %-у відкритість вітру площі однієї порожнистої півсфери при максимально близькій відстані кріплення її до вала можна розмістити не більше чотирьох порожнистих півсфер. Менше чотирьох можна, але при цьому зменшується площа безперервного контакту з вітром, знижуючи продуктивність рушія. Оптимальна схема розташування порожнистих півсфер на валу для одержання максимального ефекту обертання наступна. На вертикальному валу 2 радіально під кутом 90° щодо вала й під кутом 90° між собою кріпляться чотири Г-подібних кронштейни 3, які мають однакові розміри. Довжина короткого плеча Г-подібного кронштейна 3, що кріпитися безпосередньо до вертикального вала 2, 1 дорівнює висоті порожнистої півсфери 1. На відстані /2 діаметра порожнистої півсфери 1 симетрично кріпляться на вертикальному валу 2 ще чотири Г-подібні кронштейни 3 таких же розмірів. Чотири верхні Г-подібні кронштейни 3 і чотири нижні Г-подібні кронштейни 3 з'єднуються між собою (фіг. 5). На утвореній Г-подібній конструкції порожниста півсфера 1 кріпиться опуклою частиною до короткого плеча Г-подібних кронштейнів 3, а підставою до довгого плеча наступних Г-подібних кронштейнів 3. Всі порожнисті півсфери 1 кріпляться опуклою частиною в одному напрямку щодо обертання робочого колеса (фіг. 3, 5). Такий зсув щодо центра обертання робочого колеса, дає можливість кріпити великі порожнисті півсфери 1 максимально близько друг до друга, зберігаючи відкритість порожнистих півсфер 1 впливу повітряного потоку. При такому компактному й твердому кріпленні порожнистих півсфер 1 до вертикального вала 2 при обертанні виключається можливість руйнування робочого колеса під час сильних вітрів. Невеликі порожнисті півсфери 1 кріпляться таким же способом, як і великі, віддаляючи їх від центра обертання (фіг. 6). Всі елементи кріплення повинні бути максимально полегшені. У результаті виготовлена модель, що дуже чутлива до впливу вітру й зберігає своє обертання й напрямок обертання при будь-яких вітрах (рвучких, крутних). Такий вітрорушій не має потреби в корекції його напрямку щодо напрямку вітру, що спрощує конструкцію й не має потреби в постійному догляді. Вітровий рушій працює в такий спосіб: Вітер будь-якого напрямку діє на ввігнуту (внутрішню) частина порожнистої півсфери 1. Порожниста півсфера 1 починає кутове обертання, що передається обертовому вертикальному валу 2 і при цьому обертанні кожна із чотирьох порожнистих півсфер 1 попадає в зону дії вітру вигнутою частиною півсфери, передаючи зусилля вертикальному валу 2. Вертикальний вал 2 через конусоподібну шестерінчасту пару 8 передає своє обертання генератору 7 або навантаженню. Потужність таких установок залежить від швидкості вітру й сумарної площі робочих органів, на яку він впливає. Розрахунок проводять по формулі для розрахунку сили, що діє на будь-яке вітрило: S 2 Fy  C y    - це в Ньютонах, 2 . . . або Fy=0,0625 Су S  2 - у кгс. де Су - аеродинамічній коефіцієнт підйомної сили;  - швидкість вітру, що діє на вітрило (пропелер); S - площа поверхні вітрила (пропелера);  - щільність повітря. Із цього значення віднімають силу лобового опору опуклої частини півсфери, що при обертанні попадає під вплив вітру. S 2 Fx  C x    - це в Ньютонах, 2 . . . або Fx=0,0625 Сх S  2 - у кгс. де Сх - аеродинамічній коефіцієнт сили лобового опору. 2 UA 100631 C2 5 10 15 З теорії аеродинаміки відомо, що коефіцієнт лобового опору (щодо коефіцієнта для плоского предмета) у кулі 0,48, у півсфери, що рухається вперед своєю ввігнутою стороною - 1,49, а для обтічного тіла у вигляді краплі - 0,05. При запропонованих способах кріплення опір опуклої частини півсфери вітру буде ближче до обтічного об'єкта, чим до опору кулі, тому що прикутовому обертанні час опору вітру повного діаметра півсфери дуже мало, а завихрення повітря, що виникає під час обертання, допомагає позад півсфері, що йде, переборювати опір вітру. При кутовому обертанні процес "прилипання" повітря до тіла дуже короткочасний і не буде створювати серйозний опір. Робити такі вітрорушії доцільно модулями (фіг. 1,2) з можливістю кріпити їх між собою, створюючи потужні установки (фіг.7). Обертові вали з'єднуються між собою півмуфтами або карданними валами. Каркас таких установок можна використовувати для трансмісії своєї електроенергії або від інших джерел електроенергії. Оскільки ці установки будуть безшумними, то їх можна установлювати в межах населених пунктів. Робити такі установки буде просто й рентабельно. Порожнисті півсфери необхідно виготовляти із пластмаси. Пластмасу можна армувати для міцності. На виготовлення таких півсфер цілком підійдуть пластикові пляшки з під напоїв, що дозволить утилізувати тару. Пропонований вітрорушій доцільно робити з діаметрами півсфер від трьох метрів і більше. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 Вітровий рушій, що містить вертикальний вал з радіально закріпленими на ньому елементами кріплення, на яких закріплені робочі елементи, який відрізняється тим, що робочі елементи виконані у вигляді порожнистих півсфер, а елементи кріплення - у вигляді Γ-подібних кронштейнів, причому випуклі частини порожнистих півсфер прикріплені до коротких плечей, а основи - до довгих плечей Г-подібних кронштейнів, при цьому основа кожної порожнистої 1 півсфери зміщена відносно сегмента вектора перерізу центру осі обертання на /2 діаметра півсфери. 3 UA 100631 C2 4 UA 100631 C2 5 UA 100631 C2 6 UA 100631 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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 7