Вітродвигун

Реферат: Вітродвигун з горизонтальною віссю обертання складається з робочих елементів, закріплених на несучому елементі, що встановлений на валу генератора. Робочі елементи виконані у вигляді порожнистих півциліндрів в кількості переважно від двох до чотирьох, кожен з яких основою увігнутої частини закріплений під кутом до несучого елемента щодо його площини обертання. UA 100817 C2 (12) UA 100817 C2 UA 100817 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області вітроенергетики, зокрема до пристроїв для отримання електроенергії з використанням енергії вітру, конкретно до конструкції вітряного двигуна з горизонтальною віссю обертання. Існуючі вітродвигуни діляться на пристрої з горизонтальною і вертикальною віссю обертання, швидкохідні і тихохідні. Відомі вітродвигуни, які містять в своїй конструкції вітроколесо з дугоподібними лопатями, які мають повітряні канали, які утворені дугоподібними перегородками і нижньою і верхньою кришками. Вітроколеса, що скріплені між собою, мають три дугоподібні лопаті, які 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 кромку однакового радіуса в частині, яка формує лопать вітроколеса по лінії радіуса, а центри радіусів рознесені щодо один одного під кутом від 20° до 50°. У однієї половини вітроколеса центр дугоподібної увігнутої кромки нижньої кришки відносно до центру дугоподібної увігнутої кромки верхньої кришки зміщений за годинниковою стрілкою, а у іншої половини - проти годинникової стрілки (див. патент Російської Федерації на винахід № 2285148). Конструкція даного вітродвигуна дуже складна, а також має невеликий коефіцієнт використання енергії вітру (КВЕВ). Найбільш близьким до винаходу, який заявляється, за принципом роботи і конструктивними елементами є вітряний трилопатевий генератор ВЕУ-3/5, який випускається ТОВ «ЗАВОД ЕЛІПС», Сальци, Новгородська обл., Росія (див. Рекламний проспект ТОВ «ЗАВОД ЕЛІПС», 2009 р. або сайт в Інтернеті http://www.ellips-zavod.ru/375). Вказаний вітрогенератор містить робочі елементи - три лопаті у вигляді пропелера, які закріплені на несучому елементі, розташованому на валу генератора. Генератор закріплений на вежі, а до задньої його частини прикріплений флюгер для орієнтації робочих елементів щодо напряму вітру. Конструкція даного вітрогенератора вибрана як прототип. Прототип і винахід, який заявляється, мають наступні загальні ознаки: - генератор; - несучий елемент, який встановлений на валу генератора; - робочі елементи, які закріплені на несучому елементі. Потужність трилопатевого вітряного генератора ВЕУ-3/5 - 3 кВт при вітрі 10 м/с, КВЕВ досягає 25-30%. Проте, відомий вітродвигун має ряд великих недоліків. 1. Достатньо вузький робочий діапазон співвідношення швидкості обертання лопатей і швидкості набігаючого потоку. При короткочасному ослабленні вітру або при повільному обертанні вала внаслідок зростання навантаження, співвідношення швидкості лопатей і вітру стає неоптимальним і відбувається зрив потоку вітру з лопатей. У такі моменти КВЕВ падає в рази і робота вітродвигуна стає неефективною. 2. Обмеження в розмірах, а значить і в потужності. Діаметр обертання лопатей недоцільно збільшувати більш ніж на 5 метрів, через те, що установка такого вітродвигуна пов'язана з небезпекою при експлуатації. 3. Обертання лопатей такого вітродвигуна супроводжується свистом, а тому його не можна встановлювати в безпосередній близькості до житлових районів. 4. На великих установках з пропелерами необхідно встановлювати додатковий електродвигун для запуску установки, тому що дуже часто вони не запускаються від вітру. 5. Виготовлення лопатей пропелерів є дуже складним і дорогим. 6. Загальна площа лопатей пропелера будь-якого розміру буде завжди значно менше площі жорстких вітрил у вигляді порожнистих півциліндрів при аналогічному діаметрі обертання робочого колеса. У основу винаходу поставлено задачу розробити конструкцію вітряного двигуна, в якому шляхом застосування жорстких «вітрил» у вигляді порожнистих півциліндрів, в основному пластмасових, як робочих елементів для контакту з вітром, а також оригінального способу і кута кріплення їх, забезпечити могутнє і стабільне обертання робочого колеса і, як наслідок, забезпечити підвищення ефективності вітряного двигуна за рахунок збільшення коефіцієнта використання енергії вітру. Поставлена задача вирішене конструкцією вітродвигуна з горизонтальною віссю обертання, що складається з робочих елементів, закріплених на несучому елементі, який встановлений на 1 UA 100817 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 валу генератора, відповідно до винаходу, робочі елементи виконані у вигляді порожнистих півциліндрів в кількості переважно від двох до чотирьох, кожен з яких основою увігнутої частини закріплений під кутом 40-50°до несучого елемента, щодо його площини обертання. Крім того, співвідношення довжини півциліндра до його діаметра не менше 1,5:1,0. Крім того, півциліндри виготовлені переважно з пластмаси. У основі винаходу, який заявляється, є чинник впливу потоку повітря на увігнуту (внутрішню) частину півциліндра. Вітродвигун зображений на кресленні, де: фіг. 1 - загальний вигляд; фіг. 2 - вигляд спереду; фіг. 3 - спосіб кріплення одного півциліндра; фіг. 4 - схематичне зображення взаємодії потоку вітру і півциліндра. Вітродвигун з горизонтальною віссю обертання складається з робочих елементів, виконаних у вигляді, в основному чотирьох пластмасових півциліндрів 1, прикріплених до хрестовини 2 за допомогою елементів кріплення 3. Хрестовина 2 жорстко прикріплена на маточині 4, яка встановлена на валу 5 генератора 6. Кожен півциліндр 1 закріплений на хрестовині 2 так, щоб основа увігнутої частини півциліндра була розташована під кутом 45° відносно до хрестовини 2. Кількість півциліндрів швидкохідного горизонтального вітродвигуна вибрана з таких міркувань. Оптимальний розмір жорсткого півциліндра буде тоді, коли його довжина в 1,5 разу більше, ніж ширина увігнутої частини (діаметра півциліндра). Більше, ніж в 1,5 разу можна, менше - ні. Цей висновок зроблений із-за особливостей дії вітру на внутрішню увігнуту частину півциліндра. Виходячи з цього, в будь-якому діаметрі обертання максимальну площу дають чотири вітрила з такими співвідношеннями розмірів при щільному розміщенні усередині колеса, що обертається. Зменшити кількість вітрил або збільшити можна, але при цьому ми зменшимо загальну площу вітрил, а значить і потужність вітродвигуна. Вибір кута, під яким встановлена відкрита основа увігнутої частини напівциліндра відносно до хрестовини (площини обертання), на якій вони закріплені, пояснюється таким чином. Використовуючи вплив потоку повітря на порожнисту увігнуту частину півциліндра, було відмічено, що змінюючи кут атаки потоку повітря в увігнутій частині полого півциліндра щодо його основи від 20° до 70°, потік прагне до центру і по кругу в протилежну частину півциліндра (фіг. 4). Це примушує півциліндри рухатися опуклою частиною вперед під кутом ≈ 90° щодо напряму потоку повітря. Цей ефект дає можливість крутити жорсткі порожнисті півциліндри у вертикальному положенні. У заявленій конструкції на хрестовині розмістили чотири півциліндри максимально щільно одним торцем один до одного, основою увігнутої частини вітрила під кутом 45° відносно до напряму вітру і опуклою частиною півциліндрів в одному напрямі (фіг. 1, 2). Експериментально встановлено, що кут 45° дає максимальний ефект дії вітру на півциліндр для вертикального обертання колеса. В результаті виготовлена модель дуже чутлива до впливу вітру, яка стабільно обертається і залежно від швидкості вітру змінює швидкість обертання. Крім того, при зміні кута атаки вітру по відношенню до колеса, яке обертається, воно не втрачає обертання навіть при розвороті опуклої частини півциліндрів на 180° по відношенню до напряму вітру. Це дає можливість при великих руйнуючих вітрах, розгортаючи установку (частину, що обертається) на 180°, максимально зменшити опір півциліндрів вітру, без втрат роботи установки. Вітродвигун працює таким чином. Направляючи установку фронтальною частиною (фіг. 1) проти напряму вітру кожен півциліндр 1 рухатиметься під впливом потоку вітру опуклою частиною вперед. Оскільки кожен півциліндр 1 встановлений підставою паралельно осям плечей хрестовини 2 і в одному напрямі по кругу обертання, а також опуклою частиною півциліндра під кутом 90° щодо осей плечей хрестовини 2, то і сили дії на півциліндр 1 будуть під кутом 90° щодо осей хрестовини 2. Таким чином, отримаємо обертання колеса і разом з ним валу 5. Порівнюючи можливості вітродвигуна, який заявляється, і прототип - вітродвигун з трьома лопатями, ми бачимо істотну різницю. Це можна пояснити наступним. Як відомо, сила, що впливає на лопать пропелера і сила, яка діє на вітрило, розраховуються по одних і тих же формулах: Fx  Cx  S 2 S 2   Fy  Cy   2 2 ; - це в Ньютонах 2 UA 100817 C2 або 2 Fx  0,0625  Cx  S  2 Fy  0,0625  C y  S   Cy 5 10 15 ; - в кгс. де і - аеродинамічні коефіцієнти підйомної сили і сили лобового опору;  - швидкість вітру, який діє на вітрило (пропелер); S - площа поверхні вітрила (пропелера);  - щільність повітря. Виходячи з цих формул ясно, що потужність вітродвигуна прямо пропорціональна площі дії вітру. Звідси робимо вивід, що в будь-якому діаметрі обертання колеса площа півциліндрів буде завжди набагато більша, ніж площа пропелера. Це означає, що і потужність буде набагато більша. Виготовляти такі установки дуже просто і рентабельно. Півциліндри можна виготовляти з армованого пластика, з якого виготовляють пляшки, що дозволить утилізувати тару з-під напоїв. Напівциліндри повинні максимально відповідати формі півциліндра, тобто сегменту круга 180°. Для цього пластиковий лист кріпиться на заздалегідь виготовлені легкі, жорсткі металеві сегменти, які відповідають радіусу 180° і прикріплені до хрестовин робочого колеса. Оскільки ці установки будуть безшумними їх можна встановлювати на територіях житлових масивів і навіть на дахах висотних будинків великих мегаполісів. Cx ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 1. Вітродвигун з горизонтальною віссю обертання, що складається з робочих елементів, закріплених на несучому елементі, що встановлений на валу генератора, який відрізняється тим, що робочі елементи виконані у вигляді порожнистих півциліндрів в кількості переважно від двох до чотирьох, кожен з яких основою увігнутої частини закріплений під кутом 40-50° до несучого елемента щодо його площини обертання. 2. Вітродвигун за п. 1, який відрізняється тим, що співвідношення довжини півциліндра до його діаметра не менше 1,5:1,0. 3. Вітродвигун за п. 1, який відрізняється тим, що півциліндри виготовлені переважно з пластмаси. 3 UA 100817 C2 4 UA 100817 C2 5 UA 100817 C2 6 UA 100817 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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