Ветроводяное колесо

Полезная модель относится к преобразователям энергии, работающим на основе использования энергии ветра или воды, обладающей повышенным значением КПД преобразования. Ветроводяное колесо содержит ротор с осью (1) вращения, перпендикулярной направлению потока воды или ветра, как минимум, две пары лопастей (3, 4 и 5, 6), расположенных на концах парных рычажных реек (7, 8), перемещающихся в отверстиях (10) оси (1) в зависимости от фазы вращательного движения ротора. При этом изменяется длина рычагов каждой пары лопастей (3, 4 и 5, 6). Рычаг лопасти (4), движущейся попутно с течением ветра или воды за счет его смещения в отверстиях (10) ротора становится больше чем рычаг с лопастью (3), движущейся на встречу потоку среды, что приводит к увеличению результирующего момента вращения. Соотношения длин рычагов противоположных лопастей (3 и 4) определяются формой и размещением относительно оси (1) вращения опорного обода (14), на который изнутри через ролики опираются вращающиеся парные рычажные рейки (7, 8) с противолежащими лопастями.

Использование лопастей с формой поперечного сечения крыла летательного аппарата и направления выпуклости, совпадающего с направлением результирующего момента вращения ротора за счет аэродинамических сил в совокупности с повышением результирующего момента за счет смещения центра вращения ротора позволяет повысить КПД преобразования энергии без увеличения габаритов колеса.

Полезная модель относится к преобразователям энергии, работающим на основе использования энергии ветра или воды, предназначена для использования в энергетических установках.

Известно устройство, работающее на основе использования энергии ветра или воды, содержащее, как и предполагаемое устройство, ротор с осью вращения, рычаги с лопастями, размещенными на поворотных осях, создающими вращающий момент для электрического генератора, кинематически связанного с осью вращения ротора преобразователя. В известном устройстве рычаги жестко закреплены на оси вращения ротора (см. патент RU №2168652), прототип.

Недостатком прототипа является невысокая эффективность преобразования энергии течений во вращающий момент на оси ротора, возможное повышение которого приводит к увеличению габаритов преобразователей - диаметра их ветровых и водяных колес, веса, стоимости и т.д.

Технический результат заключается в повышении вращающего момента на оси ротора ветроводяного колеса за счет использования смещенной оси вращения колеса и переменной длине рычагов при практически неизменных габаритных размеров и формы лопастей ветроводяных колес этих преобразователей.

Технический результат достигается тем, что ветроводяное колесо, содержит ротор с осью и, как минимум, четыре лопасти на поворотных осях, размещенный на парных рычажных рейках, свободно проходящих через отверстия в оси, статор, содержащий раму с размещенным внутри нее ротором, опорный обод, размещенный в плоскости, перпендикулярной оси ротора, и закрепленной сверху и снизу внутри рамы по ее середине. Особенностью является то, что обод имеет только одну ось симметрии, по

которой он смещен относительно центра оси вращения ротора, а расстояние между двумя точками пересечения рабочей поверхности обода с прямой, проходящей через центр оси ротора, при любом угле наклона прямой постоянно и равно расстоянию между точками соприкосновения рабочей поверхности опорного обода и противолежащих опорных роликов, размещенных по центру на внешних кромках противолежащих пар поперечных планок, скрепляющих консоли парных рычажных реек и опирающимися изнутри на опорный обод, а связывающие противолежащие лопасти пара рычажных реек может перемещаться в отверстиях оси ротора при его повороте, изменяя соотношения длин противолежащих рычагов и их моменты вращения, и, что поворотные лопасти в поперечном сечении представляют собой профиль крыла летательного аппарата с выпуклостью, совпадающей с направлением результирующего вращающего момента ротора.

Сущность полезной модели поясняется графическими материалами на которых изображено: фиг.1 - ветроводяное колесо со смещенной осью вращения; фиг.2 - ось ротора с парными рычажными рейками; фиг.3 -конструкция консоли рычага с поворотной лопастью.

Ветроводяное колесо (фиг.1) имеет ротор с осью 1, статор в виде рамы 2, четыре лопасти 3, 4 и 5, 6, закрепленные на концах парных рычажных реек 7 и 8, концы каждой пары которых скреплены поперечными планками 9, которые по отверстиям 10 в оси 1 ротора могут перемещаться в обе стороны, меняя соотношение длин противолежащих рычагов R1/R2, длина которых отсчитывается от центра оси 1 до центров противоположных лопастей 3 и 4. С целью уменьшения трения оси 1 ротора на ее концевиках 11 и 12 посажены подшипники 13. Внутри рамы 2 в плоскости, перпендикулярной оси 1 ротора, размещен опорный обод 14, закрепленный сверху и снизу по ее середине. Опорный обод 14 имеет только одну ось симметрии, которая является линией пересечения двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостей - плоскости опорного обода 14 и плоскости, проходящей через ось

1 ротора. Конфигурация опорного обода 14, в плоскости его образующей, выбрана таким образом, чтобы расстояние Д между двумя точками пересечения К и С опорного обода 14 с прямой, проходящей через ось 1 ротора при любом угле поворота а было постоянным и равно расстоянию между точками соприкосновения противолежащих опорных роликов 15, установленных по середине поперечных планок 9 на внешних сторонах, с внутренней поверхностью опорного обода 14.

На фиг.2 изображена схематически ось 1 ротора с проходящими через нее парными рычажными рейками 7 и 8, установленная в раме 2 колеса. Отверстия 10 в оси 1 ротора для различных пар рычажных реек 7 и 8 расположены симметрично относительно центра. Расстояния между парами отверстий 10 L1 и L2 выбраны таким образом, что бы исключить касание между рейками 7 и 8 при их движении во время вращения колеса.

На фиг.3 изображена схематически конструкция консоли одной пары рычажных реек 7 с поворотной лопастью 4, создающей вращающий момент, опирающейся через опорный ролик 15 на опорный обод 14. Опорный ролик 15 с помощью кронштейнов 16, как и в остальных случаях, установлен по центру на внешней стороне от их консолей, а на рычажных рейках 7, на расстоянии четверти длины лопасти 4 от их консолей на стороне, противоположной направлению вращения ротора, закреплены ушки 17 для осей 18, поворачивающихся на угол от 0° до 90° лопастей 3, 4, 5, 6, которые имеют в поперечном сечении профиль крыла летательного аппарата с выпуклостью, совпадающей с направлением результирующего момента вращения ротора. Длина лопастей 3, 4, 5, 6 не должна превышать минимальное расстояние между осью 1 и, смещенным относительно ее, опорным ободом. Оси 18 закреплены по бокам лопастей 3-6 и отстоят от их внешних кромок на одну четверть длины этих лопастей. Опорный обод 14 в поперечном сечении может быть в виде кольца, квадрата, прямоугольника или швеллера, опорные ролики 15 в осевой продольном сечении профилированы по форме внутреннего обвода сечения опорного обода 14.

При воздействии течения воды или ветра с силой F на лопасти 3 и 4 возникают моменты вращения относительно оси 1 ротора. У каждой из противолежащих лопастей 3 и 4 моменты вращения направлены в противоположные стороны. Результирующий момент для пары лопастей 3, 4 будет определяться разностью моментов вращения этих лопастей. При смещенном положении опорного обода 14 вдоль его оси симметрии парные рычажные рейки 7 с лопастями 3, 4, прокатываясь на опорных роликах 15 по опорному ободу 14, буду смещаться в отверстиях 10 оси 1, что приведет к изменению длины рычагов R1 и R2, отсчитываемых от центра оси 1 до центра лопастей 3 и 4. Рычаг с длиной R1 лопасти 4, находящийся на стороне совпадающей с направлением смещения опорного обода 14 относительно центра оси 1, будет больше рычага лопасти 3 с длиной R2, расположенной на другой стороне оси 1. В соответствии с этим при равенстве площадей противолежащих лопастей 3 и 4 и равенстве сил F, воздействующих на них, вращающие моменты M1 и М2 противолежащих лопастей 3 и 4 будут разные по величине и противоположные по направлению. Момент М2 будет тормозящим. Результирующий момент вращения пары лопастей 3, 4 будет равен разности моментов M_peз=M1-M2=F×(R1-R2).

За счет размещения лопастей на поворотных осях 18 лопасть 3 под действием набегающего потока ветра или воды может отклонятся на угол до 90°, в результате чего произойдет уменьшение эффективной площади лопасти 3, что в свою очередь приведет к еще большему уменьшению тормозящего момента М2. Максимальное значение результирующего вращающего момента ветроводяного колеса будет равно сумме разностных моментов всех пар противолежащих лопастей. При строго горизонтальном положении рычажных реек Вив пределах угла отклонения от горизонтали, не превышающего некоторого критического значения, за счет аэродинамических сил при выбранном профиле всех лопастей, крутящие моменты лопастей 5 и 6 будут совпадать по направлению, т.е. крутящие моменты лопастей 5 и 6 в пределах некоторого угла будут суммироваться,

что дополнительно повысит результирующий вращающий момент колеса. При одинаковых площадях лопастей и их конфигурации максимальный вращающий момент предложенной полезной модели в 1,5 раза больше, чем у прототипа.

Таким образом, конструкция предложенной модели, используя аэродинамику одних пар лопастей и варьирование длин рычагов R1/R2 других пар лопастей позволят достичь более высокого КПД преобразователя энергии.

1. Ветроводяное колесо, содержащее ротор с осью, статор в виде рамы и как минимум четыре лопасти, размещенные на концах парных рычажных реек, скрепленных поперечными планками, свободно проходящих через отверстия в оси, перемещающихся при вращении ротора, опорный обод, размещенный в плоскости, перпендикулярной оси ротора, закрепленный сверху и снизу внутри рамы по ее середине, опорные ролики рычажных рам, размещенные по середине поперечных планок с внешней стороны и опирающиеся на опорный обод изнутри, отличающееся тем, что обод имеет одну ось симметрии, по которой он смещен относительно центра оси вращения ротора, а расстояние между двумя точками пересечения рабочей поверхности опорного обода с прямой, проходящей через центр оси ротора, при любом угле наклона прямой постоянно и равно расстоянию между точками соприкосновения противолежащих опорных роликов с внутренней поверхностью опорного обода.

2. Ветроводяное колесо по п.1, отличающееся тем, что лопасти в поперечном сечении представляют собой профиль крыла летательного аппарата с выпуклостью, совпадающей с направлением результирующего вращающегося момента ротора, установленные на осях, закрепленных на рычажных рейках, отстоящих на одну четверть длины лопастей от их консолей, на стороне, противоположной направлению вращения ротора, опирающиеся на рычажные рейки и способные поворачиваться по ветру на угол от 0 до 90°.

3. Ветроводяное колесо по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что длина лопастей не превышает минимальное расстояние между осью и опорным ободом, а оси вращения лопастей отстоят от их внешних кромок на четверть длины этих лопастей.