Ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси - RU2165034C2

Описание

Предлагаемое изобретение касается ветряного двигателя с вращением вокруг вертикальной оси.

Вот уже в течение многих лет потребности в энергии для хозяйственных нужд постоянно возрастают, тогда как используемые в настоящее время источники энергии в основной своей массе представляют собой истощаемые и невозобновляемые или загрязняющие окружающую среду источники.

Для того чтобы иметь возможность не только получить дополнительную энергию, но и предохранить от загрязнения окружающую среду, постоянно проводятся многочисленные исследования, направленные на разработку систем, позволяющих производить энергию естественными и экологически чистыми способами.

Ветровая энергия, которая представляет собой часть энергии, возникающей в результате движения воздуха по отношению к земле, и которая может быть перехвачена и преобразована в другие виды энергии при помощи некоторого вращающегося под действием ветра ротора, представляет собой один из таких естественных и не загрязняющих окружающую среду источников энергии.

Энергия ветра используется человеком с незапамятных времен в ветряных мельницах, предназначенных для размола зерна. Значительно позже были найдены возможности преобразования энергии ветра в электрическую энергию при помощи электрических генераторов, вращаемых ветряками. Однако, эта форма энергии не получила широкого распространения вследствие малой производительности и низкого коэффициента полезного действия ветряных энергетических установок.

Известны два типа ветряных двигателей. Наибольшее распространение получили ветряные двигатели первого типа, в которых ротор под действием ветра вращается вокруг некоторой горизонтальной оси. Эти ветряные двигатели были объектом многочисленных исследований, направленных на их совершенствование. Такие ветряные двигатели могут быть использованы, например, для подзарядки аккумуляторных батарей или для производства электрической энергии.

Ко второму типу относятся ветряные двигатели, у которых ротор под действием ветра вращается относительно вертикальной оси, но где лопасти установлены под некоторым специально подобранным углом, что позволяет такому ветряному двигателю вращаться при возникновении ветра. Ветряные двигатели этого типа используются главным образом для производства электрической энергии.

Хотя эти ветряные двигатели производят энергию естественного характера и не загрязняют окружающую среду, они так и не получили достаточно широкого распространения, в частности, из-за того, что они еще и сегодня обладают множеством недостатков, часть из которых будет перечислена ниже.

Эти ветряные двигатели требуют больших площадей на местности для их вращения, поскольку их лопасти, хотя и немногочисленные, охватывают достаточно большую поверхность. Вследствие этого ветряные двигатели такого типа не могут быть установлены на местности близко друг к другу.

Лопасти таких ветряных двигателей должны быть очень большими и очень широкими для того, чтобы двигатель развивал достаточно большую мощность.

Ветряные двигатели могут быть использованы только на открытых пространствах, где ветры имеют достаточную скорость для приведения лопастей во вращение.

Зоны лопастей, омываемые ветром, слишком малы по отношению к их объему, в результате чего их эффективность ограничена.

Движение лопастей в воздушной среде ограничивает скорость их вращения.

Вращение ветряного двигателя относительно вертикальной оси не позволяет использовать большое количество лопастей, поскольку это вызывает возмущения во вращательном движении.

По причине большой высоты таких ветряных двигателей оказывается невозможным осуществлять операции технического обслуживания непосредственно на них. Следовательно, требующий технического обслуживания ветряной двигатель должен быть демонтирован для проведения соответствующих операций на земле, что делает операции технического обслуживания весьма дорогостоящими.

Направление ветра имеет большое влияние на вращение лопастей таких ветряных двигателей.

Если ветры дуют с резкими порывами, механическая прочность лопастей ветряных двигателей может оказаться недостаточной, что может привести к их разрушению, поскольку они закреплены на втулке только одним своим концом и их поверхность, подвергающаяся воздействию сильного ветра, недостаточно укреплена.

Направление вращения лопастей ветряного двигателя зависит от направления ветра. Это означает, что вращение лопастей может происходить в двух противоположных направлениях. Понятно, что это неудобно для нормальной выработки электрической энергии, поскольку требует применения специальных дополнительных устройств, обеспечивающих возможность нормального функционирования электрического генератора при любом направлении вращения лопастей, что снижает эффективность ветряного двигателя.

Цель данного изобретения состоит в том, чтобы предложить ветряной двигатель, который не имеет перечисленных выше недостатков, присущих известным ветряным двигателям.

Ветряной двигатель в соответствии с предлагаемым изобретением содержит ротор, способный вращаться под действием ветра вокруг своей вертикальной оси по отношению к земле, и поворотный вал, который может быть приведен во вращательное движение упомянутым ротором и который способен передавать механическую энергию, полученную ротором (см. FR 2298706 A, 24.09.1976, фиг. 1) - прототип.

Предлагаемый ветряной двигатель отличается тем, что его ротор содержит полый внутри корпус, имеющий в целом цилиндрическую форму, стенки которого в основном сформированы лопатками, расположенными вертикально таким образом, чтобы движущийся поток воздуха или ветер имел возможность войти внутрь упомянутого полого цилиндрического корпуса для того, чтобы привести этот корпус во вращательное движение и, следовательно, привести во вращение упомянутый поворотный передаточный вал, с которым он связан.

Этот полый внутри цилиндрический корпус может содержать один или несколько наложенных друг на друга и жестко связанных между собой цилиндрических элементов, причем каждый из этих элементов содержит нижнюю круглую жесткую часть и верхнюю круглую жесткую часть, между которыми закреплены в вертикальном положении лопатки, образующие упорядоченную совокупность или ряд лопаток.

В предпочтительном варианте реализации этот полый внутри цилиндрический корпус имеет в своем составе, по меньшей мере, один первый цилиндрический элемент, содержащий нижний круглый и жесткий элемент, центр которого жестко связан с передаточным поворотным валом, и верхнюю круглую и жесткую часть, между которыми закреплены в вертикальном положении лопатки, образующие первую упорядоченную совокупность или ряд лопаток.

Этот полый внутри цилиндрический корпус дополнительно может иметь в своем составе второй цилиндрический элемент, содержащий нижнюю круглую и жесткую часть, жестко связанную с упомянутой верхней круглой и жесткой частью первого цилиндрического элемента, и верхнюю круглую и жесткую часть, между которыми закреплены в вертикальном положении лопатки, образующие вторую упорядоченную совокупность или ряд лопаток, располагающийся над первым рядом лопаток.

Верхняя круглая и жесткая часть первого цилиндрического элемента и нижняя круглая и жесткая часть второго цилиндрического элемента могут представлять собой один и тот же круглый и жесткий элемент.

Этот полый внутри цилиндрический корпус дополнительно может иметь в своем составе и третий цилиндрический элемент, содержащий нижнюю круглую и жесткую часть, жестко связанную с упомянутой верхней круглой и жесткой частью второго цилиндрического элемента, и верхний круглый и жесткий элемент, между которыми закреплены в вертикальном положении лопатки, образующие третью упорядоченную совокупность или ряд лопаток, располагающийся над упомянутым вторым рядом лопаток.

Верхняя круглая и жесткая часть второго цилиндрического элемента и нижняя круглая и жесткая часть третьего цилиндрического элемента могут представлять собой один и тот же круглый и жесткий элемент.

Нижняя круглая и жесткая часть первого цилиндрического элемента в предпочтительном варианте реализации представляет собой сплошной диск.

В предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения упомянутый поворотный вал, приводимый во вращательное движение в результате вращения полого цилиндрического корпуса с лопатками под действием ветра, воздействует на зубчатую передачу для того, чтобы сформировать движение, пригодное для использования в целях приведения в действие того или иного механического устройства или для выработки электрической энергии.

Ветряной двигатель по данному изобретению в предпочтительном варианте реализации используется для выработки электрической энергии, для заряда аккумуляторных батарей или для приведения в действие насоса.

Теперь предлагаемое изобретение будет описано более подробно со ссылками на приведенную в приложении в качестве примера единственную фигуру.

На этой единственной фигуре схематически представлен предпочтительный вариант реализации ветряного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением.

На приведенной в приложении фигуре ветряной двигатель в соответствии с предлагаемым изобретением содержит полый внутри корпус 1 в целом цилиндрической формы, боковые стенки которого образованы лопатками 2a, 2b, 2c, установленными в вертикальном положении таким образом, чтобы движущийся поток атмосферного воздуха, или ветер, мог войти внутрь упомянутого полого цилиндрического корпуса для того, чтобы привести этот корпус 1 во вращательное движение и, следовательно, привести во вращательное движение поворотный передаточный вал 3, с которым этот корпус жестко связан.

В приведенном на фигуре схематическом примере реализации ветряного двигателя в соответствии с данным изобретением этот полый внутри цилиндрический корпус 1 состоит из трех цилиндрических элементов 4, 5 и 6.

Первый цилиндрический элемент 4 содержит нижний круглый и жесткий элемент 7, центр которого жестко связан с поворотным приводным валом 3, и верхнюю круглую и жесткую часть 8, между которыми закреплены в вертикальном положении лопатки 2а, образующие первый ряд лопаток.

В этом примере реализации упомянутый нижний круглый и жесткий элемент 7 первого цилиндрического элемента представляет собой сплошной диск. Однако, в других возможных случаях реализации этот нижний круглый и жесткий элемент первого цилиндрического элемента может представлять собой круглый элемент со спицами, содержащий втулку, жестко связанную с приводным поворотным валом 3.

Второй цилиндрический элемент 5 содержит нижнюю круглую и жесткую часть 9, жестко связанную с верхней круглой и жесткой частью 8 первого цилиндрического элемента 4, и верхнюю круглую и жесткую часть 10, между которыми закреплены в вертикальном положении лопатки 2b, образующие второй ряд лопаток, располагающийся над первым рядом лопаток 2a.

Третий цилиндрический элемент 6 содержит нижнюю круглую и жесткую часть 11, жестко связанную с верхней круглой и жесткой частью 10 второго цилиндрического элемента 5, и верхнюю круглую и жесткую часть 12, между которыми закреплены в вертикальном положении лопатки 2c, образующие третий ряд лопаток, располагающийся над вторым рядом лопаток 2b.

Здесь следует отметить, что верхняя круглая и жесткая часть 8 первого цилиндрического элемента 4 и нижняя круглая и жесткая часть 9 второго цилиндрического элемента 5, которые жестко связаны между собой, могут представлять собой два различных круглых элемента, жестко прикрепленных друг к другу, либо один общий круглый элемент.

Кроме того, верхняя круглая и жесткая часть 10 второго цилиндрического элемента 5 и нижняя круглая и жесткая часть 11 третьего цилиндрического элемента 6, которые жестко связаны друг с другом, могут представлять собой либо два различных круглых элемента, жестко скрепленных между собой, либо один единственный общий круглый элемент.

Необходимо также отметить, что круглая жесткая часть 12, образующая верхнюю часть полого внутри цилиндрического корпуса 1, может представлять собой либо некоторый круглый элемент, например, типа кольца, оставляющий вершину упомянутого цилиндрического корпуса 1 открытой, либо круглый элемент типа сплошного диска, закрывающего вершину этого цилиндрического корпуса 1.

Выше уже был описан в качестве примера ветряной двигатель в соответствии с предлагаемым изобретением, в котором цилиндрический корпус 1 имеет в своем составе первый цилиндрический элемент 4, поверх которого установлены и жестко связаны с ним второй цилиндрический элемент 5 и третий цилиндрический элемент 6, образующие вместе единый цилиндрический корпус данного ветряного двигателя.

Однако, здесь следует отметить, что упомянутый цилиндрический корпус 1 ветряного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением может также содержать и более двух цилиндрических элементов 5 и 6, установленных поверх упомянутого первого цилиндрического элемента 4.

Кроме того, цилиндрический корпус 1 ветряного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением может содержать, например, либо только один первый цилиндрический элемент 4, либо первый цилиндрический элемент 4 и второй цилиндрический элемент 5, располагающийся поверх упомянутого первого цилиндрического элемента и жестко связанный с ним.

То обстоятельство, что в соответствии с предлагаемым изобретением имеется возможность устанавливать друг на друга и жестко связывать между собой несколько цилиндрических элементов, позволяет увеличить размеры данного цилиндрического корпуса 1 при сохранении достаточного уровня его механической прочности, а также позволяет обеспечить стабилизацию лопаток 2a, 2b, 2c при больших скоростях вращения цилиндрического корпуса 1 в случае сильного ветра.

Кроме того, это позволяет улучшить захват ветра цилиндрическим корпусом, вследствие чего увеличивается центробежная сила и прочность по отношению к этой силе.

И еще, упомянутое выше обстоятельство повышает эффективность данного ветряного двигателя, поскольку необходимо отметить, что чем большие размеры имеет упомянутый цилиндрический корпус ветряного двигателя, тем большую мощность он способен развить. Кроме того, упомянутое обстоятельство также облегчает техническое обслуживание данного ветряного двигателя.

Количество используемых в данном ветряном двигателе лопаток меняется в зависимости от предъявляемых к нему требований и будет увеличиваться при увеличении диаметра его цилиндрического корпуса.

Цилиндрический корпус ветряного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением может быть изготовлен из различных материалов, но отвечающих одному единственному требованию, которое состоит в том, чтобы соответствующий материал имел достаточно высокую прочность на растяжение при возможно меньшем удельном весе.

Действительно, используемые для изготовления элементов ветряного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением конструкционные материалы должны иметь достаточно высокую механическую прочность для того, чтобы надежно противостоять давлению максимально сильного ветра, возможного в данной местности, и изменениям давления воздуха внутри упомянутого цилиндрического корпуса этого двигателя, и эти конструкционные материалы должны быть достаточно легкими для того, чтобы эффективно использовать наибольшую часть количества движения образующего ветер потока атмосферного воздуха с тем, чтобы обеспечить наилучшую эффективность данного ветряного двигателя.

Упомянутые выше лопатки ветряного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением могут быть установлены в его цилиндрическом корпусе под некоторым специфическим углом таким образом, чтобы в случае, когда поток воздуха будет входить внутрь упомянутого цилиндрического корпуса, приводя его во вращательное движение, там создавалась определенная разность давлений между двумя частями этого цилиндрического корпуса, что будет увеличивать скорость его вращения и, следовательно, развиваемую данным ветряным двигателем мощность.

Ветряной двигатель в соответствии с предлагаемым изобретением имеет множество преимуществ по сравнению с известными и эксплуатирующимися в настоящее время ветряными двигателями. Ниже эти преимущества будут сформулированы более конкретно.

Упомянутый цилиндрический корпус предлагаемого ветряного двигателя под действием ветра вращается вокруг своей вертикальной оси, что позволяет существенно сократить размеры пространства, необходимого для его функционирования. Таким образом, по сравнению с существующими конструкциями ветряных двигателей на одной и той же площади можно использовать большее количество ветряных двигателей и более эффективно использовать энергию ветра, а следовательно, и производить больше полезных видов энергии, например, электрической.

Поскольку лопатки цилиндрического корпуса предлагаемого ветряного двигателя закреплены в вертикальном положении, все они установлены под одним и тем же углом по всей их высоте, что обеспечивает наилучшие условия захвата ветра и, следовательно, повышение эффективности данного ветряного двигателя.

Вследствие того, что лопатки предлагаемого ветряного двигателя располагаются в вертикальном положении, имеется возможность установить большее число таких лопаток, чем в существующих конструкциях ветряных двигателей, что позволяет увеличить количество воздуха, используемого для приведения данного ветряного двигателя во вращательное движение, вследствие чего повышается эффективность использования воздушных течений или ветра.

Поскольку цилиндрический корпус предлагаемого ветряного двигателя может вращаться вокруг своей вертикальной оси, он приводится во вращательное движение при любом направлении ветра. Таким образом, направление ветра не оказывает никакого влияния на вращение данного ветряного двигателя.

Поскольку в данном случае лопатки закреплены на двух своих концах, они оказываются значительно более эффективными и значительно более прочными, чем лопасти известных ветряных двигателей.

В том случае, когда происходит движение потоков атмосферного воздуха, то есть дует ветер, он проникает внутрь цилиндрического корпуса и благодаря наличию лопаток приводит его во вращательное движение, в результате чего приводится во вращательное движение поворотный передаточный вал 3, который воздействует на зубчатую передачу 13 для того, чтобы сформировать движение, пригодное для использования либо с целью непосредственного приведения в действие того или иного механического устройства, либо для выработки электрической энергии.

Таким образом, ветряной двигатель в соответствии с предлагаемым изобретением может быть использован, например, для выработки электрической энергии, для заряда аккумуляторных батарей или для приведения в действие какого-либо насоса.

Реферат

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветряным двигателям с вращением вокруг вертикальной оси. Технический результат, заключающийся в повышении мощности и эффективности работы лопастей, упрощении технического обслуживания и монтажа, достигается за счет того, что в ветряном двигателе, содержащем ротор, способный вращаться под действием ветра вокруг своей вертикальной оси по отношению к горизонту, и поворотный вал, связанный с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором и приспособленный для передачи энергии, полученной эти ротором от ветра, согласно изобретению, ротор содержит корпус цилиндрической формы, полый внутри, боковые стенки которого образованы в основном лопатками, установленными в вертикальном положении таким образом, чтобы ветер имел возможность войти в полый внутри цилиндрический корпус и привести его во вращательное движение, а также поворотный передаточный вал, с которым этот цилиндрический корпус связан. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула