Роторное ветроколесо с комбинированными лопастями для ветродвигателя

Полезная модель относиться к энергетике и может быть использована в ветродвигателях для превращения энергии ветра, в механическую энергию. Задачей полезной модели является повышение аэродинамического качества рабочего ветроколеса ветродвигателя с роторными лопастями, использующего эффект Магнуса, в качестве основного для приведения во вращение рабочего ветроколеса. Технический результат заключается в совмещении в одном рабочем ветроколесе роторных лопастей разного назначения, самовращающихся - ведущих и приводимых во вращение ведущими - ведомых лопастей. Поставленная задача достигается тем, что роторное ветроколесо ветродвигателя, содержит не менее двух, радиально расположенных вокруг бобышки и жестко скрепленных с ней лопастей двух разных типов: ведущей и ведомой, кинематически связанных между собой с помощью передаточного механизма, передаточное отношение которого выбрано из условий оптимального режима работы ведомой лопасти, при этом бобышка выполнена с возможностью закрепления на рабочем валу ветродвигателя. 9 п.ф. 5 илл.

Полезная модель относиться к энергетике и может быть использована в ветродвигателях для превращения энергии ветра, в механическую энергию.

Известно рабочее (роторное) ветроколесо, работающее за счет эффекта Магнуса (с числом лопастей более одной). Лопасти ветроколеса представляют собой роторы Савониуса, как имеющие аэродинамические концевые шайбы, так и без них, расположенные радиально по отношению к рабочему валу и жестко с ним скреплены (см. Б.Н.Кондрашов, В.В.Антонов, «Два аэродинамических эффекта роторных ветродвигателей», Межвузовский сборник. Вопросы прикладной физики, СГУ, Вып.7, 2001, с.16).

Недостатками такого ветроколеса является более низкое аэродинамическое качество самовращающегося ротора Савониуса по сравнению с принудительно вращающимися цилиндрами.

Известен роторный ветродвигатель, работающий на эффекте Магнуса, в котором роторы-цилиндры, входящие в состав рабочего колеса, приводятся во вращение, через систему передач, традиционным лопастным ветроколесом, расположенным перед роторным ветроколесом и соосным ему (см. патент РФ 2067211, МПК F03D 1/00, F03D 1/06).

Однако разделение в ветродвигателях рабочих колес на приводное и рабочее, по существу, приводит к объединению двух расположенных друг за другом веторколес. Причем роторное ветроколесо оказывается расположенным в возмущенном потоке воздуха, создаваемым лопастным ветроколесом, что отрицательно сказывается на аэродинамике роторов рабочего колеса.

Известен ветродвигатель с роторами Магнуса, содержащее ветроколесо с горизонтальным валом, радиальные лопасти в виде цилиндров с торцевыми дисками, приводы для вращения цилиндров и электрогенератор, причем приводы выполнены в виде роторов типа Савониуса, которые установлены на осях вращения цилиндров и жестко связаны с ними (см. патент РФ 2189494, МПК F03D 1/00).

Однако при сочетании в одной лопасти и ротора-цилиндра, и жестко связанного с ним ротора Савониуса не удается создать оптимальный режим между угловой скоростью вращения разнородных по конструкции роторов и скоростью набегающего потока.

Известен ветродвигатель с роторными лопастями и тремя степенями свободы, рабочее ветроколесо, которого состоит из ротора Савониуса и ротора-цилиндра Флетнера, жестко скрепленных на общей оси и расположенных на противоположных сторонах от бобышки относительно рабочего вала. Введенная дополнительная ось превращает роторы в систему с тремя степенями свободы, и рабочее движение ветроколеса осуществляется за счет сил Магнуса и гироскопических сил (см. патент РФ 2317440, МПК F03D 1/00).

Однако совмещение на одной общей оси двух роторов - самовращающегося - Савониуса и вращаемого им ротора-цилиндра Флетнера, расположенных по разные стороны относительно оси рабочего вала приводит к возникновению сил, действующих в противоположных направлениях, тем самым, уменьшая вклад аэродинамических сил в рабочее движение ветроколеса и основной вклад в движение осуществляют гироскопические силы.

Задачей полезной модели является повышение аэродинамического качества рабочего (роторного) ветроколеса ветродвигателя с роторными лопастями, использующего эффект Магнуса, в качестве основного для приведения во вращение рабочего ветроколеса.

Технический результат заключается в совмещении в одном рабочем ветроколесе роторных лопастей разного назначения, самовращающихся - ведущих и приводимых во вращение ведущими - ведомых лопастей.

Поставленная задача достигается тем, что роторное ветроколесо ветродвигателя, содержит не менее двух, радиально расположенных вокруг бобышки и жестко скрепленных с ней лопастей двух разных типов: ведущей и ведомой, кинематически связанных между собой с помощью передаточного механизма, передаточное отношение которого выбрано из условий оптимального режима работы ведомой лопасти, при этом бобышка выполнена с возможностью закрепления на рабочем валу ветродвигателя.

Ведущая лопасть содержит самовращающийся ротора Савониуса, а ведомая лопасть выполнена в виде ротора-цилиндра Флетнера.

Передаточный механизм выполнен в виде ременной передачи или в виде шестеренчатой передачи.

Кинематическая связь лопастей осуществлена посредством лобовой фрикционной передачи.

В конструкцию как ведущих, так и ведомых роторов включена рама жесткости.

Роторное ветроколесо снабжено маховиком-аккумулятором, размещенным на раме жесткости.

В состав ведущих роторов включен разобщающий механизм фрикционной центробежной муфты, расположенный между ведущим ротором и введенной угловой шестеренчатой передачей.

Ведущий ротор снабжен электрогенератором, а ведомый ротор содержит электродвигатель.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 - приведен общий вид двухлопастного ветроколеса с ременной передачей (приводом) вращающего момента от ведущей лопасти к ведомой (вид сбоку); на фиг.2 - приведен общий вид двухлопастного ветроколеса с шестеренчатой передачей вращающего момента от ведущей лопасти к ведомой (вид сбоку); на фиг.3 - приведен общий вид ветроколеса с любым числом лопастей и приводом от ведущей лопасти к ведомой с помощью лобовой фрикционной передачи (вид сбоку); на фиг.4 - приведен общий вид ветроколеса с любым числом лопастей угловой конической передачей, центробежной фрикционной муфтой сцепления, рамой жесткости и маховиком (вид сбоку); на фиг.5 - приведен общий вид роторного ветроколеса с любым количеством лопастей и электрической передачей крутящего момента (вид сбоку),

где

1. ось ведущего ротора;

2. ведущий ротор (ротор Савониуса);

3. ведущий шкив;

4. промежуточный шкив;

5. ведомый ротор (ротор-цилиндр Флетнера);

6. ось ведомого ротора;

7. бобышка;

8. рабочий вал;

9. рама жесткости;

10. ось промежуточных шкивов;

11. ведомый шкив;

12. ведущая шестерня;

13. промежуточные шестерни;

14. ведомая шестерня;

15. ведущее колесо лобовой передачи;

16. промежуточный диск лобовой передачи;

17. ведомое колесо лобовой передачи;

18. маховик-аккумулятор (обечайка);

19. фрикционная центробежная муфта;

20. ротор электрогенератора;

21. электродвигатель.

Лопасть роторного ветроколеса это ветроприемный элемент ветродвигателя, входящий в конструкцию ветроколеса, представляющий собой тот, или иной тип вращающегося ротора, ось которого расположена радиально относительно оси рабочего вала и скреплена с ним тем, или иным способом, с тем, что бы передать вращающий момент, возникающий от взаимодействия потока воздуха с вращающимся ротором рабочему валу.

В заявляемой полезной модели лопасти разделены по их назначению на два типа - ведущие и ведомые.

Ведущая лопасть содержит самовращающийся ротор Савониуса, который при взаимодействии с набегающим потоком воздуха создает большой крутящий момент относительно оси ротора, но не слишком большой крутящий момент относительно рабочего вала возникающий за счет силы Магнуса, при взаимодействии набегающего потока с ротором Савониуса.

Вращающийся в потоке воздуха ротор Савониуса, так называемый вингротор, не требует внешнего привода и является самовращающимся устройством.

Цилиндр Флетнера приводится во вращение каким-нибудь внешним по отношению к нему двигателем, в нашем случае эту функцию выполняет ротор Савониуса.

Ведущая лопасть состоит из самовращающегося на оси ведущего ротора 1 ротора Савониуса 2, причем ось ротора 1 тем или иным способом соединена с бобышкой 7, обеспечивающей передачу крутящего момента от ротора Савониуса 2 к рабочему валу ветродвигателя 8.

Ведомая лопасть содержит вращаемый вокруг оси 6, каким-либо, внешним устройством цилиндр 5, так называемый ротор-цилиндр Флетнера, который при взаимодействии с набегающим потоком воздуха создает за счет силы Магнуса максимально возможный для роторов крутящий момент относительно оси рабочего вала 8.

Устройство (фиг.1) представляет собой рабочее ветроколесо ветродвигателя, состоящее из двух лопастей, расположенных радиально и симметрично относительно бобышки 7, скрепленной с рабочим валом 8 ветродвигателя. Причем, согласно решению, одна из лопастей представляет из себя самовращающийся ротор - например, ротор Савониуса 2, снабженный торцевыми аэродинамическими шайбами, вращающийся вокруг оси 1, жестко скрепленной с бобышкой 7 - это ведущая лопасть. Вторая лопасть - ведомая, представляющая собой цилиндр с торцевыми аэродинамическими шайбами - ротор-цилиндр Флетнера 5, который может вращаться вокруг оси 6, жестко скрепленной с бобышкой 7. Передача крутящего момента от ведущей лопасти к ведомой осуществляется за счет ременной передачи, состоящей из ведущего шкива 3, жестко сцепленного с самовращающимся ротором 2, промежуточных шкивов 4 скрепленных с осью промежуточных шкивов 10 и ведомого шкива 11, жестко связанного с ротором-цилиндром Флетнера 5, причем вращение ведущей и ведомой лопастей происходит в противоположные стороны.

Устройство (фиг.2) представляет собой двухлопастное рабочее ветроколесо аналогичное вышеописанному, но передача крутящего момента от ведущей лопасти 2 к ведомой 5 осуществляется за счет шестеренчатой передачи, состоящей из ведущей шестерни 12, жестко связанной ротором Савониуса 2, ведущей лопасти, промежуточных шестерен 13 и ведомой шестерни 14, жестко связанной с ротором-цилиндром Флетнера 6 - ведомой лопасти.

Устройство (фиг.3) представляет собой рабочее ветроколесо, состоящее из любого количества лопастей, расположенных радиально относительно бобышки 7, скрепленной с рабочим валом 8. Часть лопастей представляют самовращающиеся вокруг осей 1, жестко скрепленных с бобышкой 7 роторы Савониуса 2, а часть лопастей роторы-цилиндры Флетнера 5, способные вращаться вокруг осей 6, жестко скрепленных с бобышкой 7. Передача крутящего (вращательного) момента от роторов Савониуса 2 роторам-цилиндрам Флетнера 5 осуществляется за счет лобовой фрикционной передачи, состоящей из ведущего колеса 15, жестко скрепленного с ротором Савониуса 2, ведомого колеса 17, жестко связанного с ротором-цилиндром Флетнера 5 и промежуточного диска лобовой фрикционной передачи 16.

Устройство (фиг.4) представляет собой рабочее ветроколесо, состоящее из любого количества лопастей расположенных радиально относительно бобышки 7, жестко скрепленной с рабочим валом 8, как и в предыдущем случае, лопасти делятся на ведомые и ведущие. Но, в отличие от предыдущего варианта оси лопастей 1 и 6 имеют дополнительные точки опоры за счет введения в состав лопастей рабочего ветроколеса рамы жесткости 9, скрепленной с бобышкой 7. Помимо этого в состав рабочего ветроколеса согласно решению вводится маховик-аккумулятор 18, представляющий собой обруч, охватывающий лопасти рабочего ветроколеса, скрепленный с дальним от бобышки 7 концом рамы жесткости 9 и расположенный симметрично относительно оси рабочего вала 8. Передача крутящего момента от ведущей лопасти 2 к ведомой 5 осуществляется косозубой шестеренчатой передачей, состоящей из ведущей шестерни 12, связанной с ротором Савониуса 2 через фрикционную центробежную муфту 19, ведомой шестерни 14, жестко связанной с ротором-цилиндром Флетнера 5 и промежуточной шестерни 13.

Устройство (фиг.5) представляет собой рабочее ветроколесо, состоящее из любого количества лопастей, расположенных радиально относительно бобышки 7, жестко скрепленной с рабочим валом 8, как и в предыдущих случаях. Но здесь ведущая лопасть приводит во вращение генератор тока, жестко, или через посредство, например, фрикционной центробежной муфты, соединенный с ротором Савониуса 2 (не указанной на фиг.5, но аналогичной муфте 19, изображенной на фиг.4). Полученная генератором энергия передается на ведомые лопасти, включающие в себя роторы-цилиндры Флетнера 5, приводимые во вращение электромоторами приводов, оси которых соединены с осями электромоторов (чтобы не загружать фигуру на ней отсутствуют провода, передающие электроэнергию от генератора к мотору и электронные блоки управления электромотором). Одна ведущая лопасть с генератором, может обеспечить энергией от одной до нескольких ведомых лопастей.

На фигурах 1-5, чтобы не загружать их, не изображены устройства, ограничивающие осевое смещение деталей рабочего ветроколеса, например, стопорные кольца, а число изображенных роторов ограничивается двумя. Кроме всего прочего для самовращающихся роторов - используется название ротор Савониуса, хотя возможно использование любых других самовращающихся роторов и турбин, например турбин Горлова.

Рабочее ветроколесо, приведенное на фиг.1, работает следующим образом.

Рабочее колесо ориентируется на ветер, т.е, таким образом, чтобы ось рабочего вала 8 совпадала с направлением ветра, рабочим ветроколесом навстречу ветру. Набегающий на ветроколесо поток воздуха раскручивает свободно вращающийся ротор Савониуса 2, входящий в ведущую лопасть, вокруг оси 1 и передает крутящий момент через передаточный механизм от ротора Савониуса 2, через ведущий 3, промежуточные 4 и ведомый 11 шкивы ременной передачи на ротор-цилиндр Флетнера 5, входящего в ведомую лопасть. Лопасти, ведущая и ведомая, начинают вращаться вокруг своих осей 1 и 6, причем, в противоположные стороны и, взаимодействуя с набегающим потоком воздуха, под действием силы Магнуса создают пару сил, крутящий момент которых заставляет рабочее ветроколесо, а вместе с ним и рабочий вал 8, вращаться вокруг оси рабочего вала.

Аналогичным образом работает и двухлопастное рабочее ветроколесо, приведенное на фиг.2. Отличие от предыдущего варианта в том, что крутящий момент от ведущей лопасти 2 к ведомой 5 осуществляется шестеренчатой передачей от ведущей шестерни 12, сцепленной с ротором Савониуса 2, через промежуточные шестерни 13, к ведомой шестерне 14, сцепленной с ротором-цилиндром Флетнера 5.

Рабочее ветроколесо, приведенное на фиг.3 может содержать любое количество ведущих и ведомых лопастей, как четное, так и нечетное количество, причем один ротор Савониуса 2, может приводить во вращение не менее одного ротора-цилиндра Флетнера 5.

Рабочее ветроколесо, приведенное на фиг.3, работает следующим образом.

Рабочее ветроколесо ориентируется, как и в предыдущие варианты, на ветер, набегающий поток воздуха раскручивает ротор Савониуса 2, который передает крутящий момент от ведущего колеса 15, жестко сцепленного с ротором Савониуса 2 через промежуточный диск 16 лобовой фрикционной передачи ведомому колесу 17, жестко связанному с ротором-цилиндром Флетнера 5 через лобовую фрикционную передачу. Раскрученные роторы Савониуса 2 и роторы-цилиндры Флетнера 5, взаимодействуя с набегающим потоком воздуха, под действием аэродинамической силы Магнуса придают всему рабочему ветроколесу и жестко связанному с ним рабочему валу 8 крутящий момент, вокруг оси рабочего вала 1 или 6.

Рабочее ветроколесо, приведенное на фиг.4, может включать в себя любое число лопастей, как ведущих, так и ведомых, но не менее двух, одна из которых обязательно должна быть ведущей. Работает ветроколесо следующим образом.

Рабочее ветроколесо ориентируется на ветер, т.е. таким образом, чтобы ось рабочего вала совпадала с направлением ветра, рабочим ветроколесом навстречу ветру. Набегающий на ветроколесо поток воздуха раскручивает свободно вращающийся на оси 1 ротор Савониуса 2. Крутящий момент, возникший при этом, передается на фрикционную центробежную муфту 19, которая первоначально разобщает ротор Савониуса 2 от механизма, передающего крутящий момент от ведущей лопасти к ведомой, что уменьшает величину страгивающего момента и позволяет свести к минимальному, для данного типа самовращающегося ротора, скорость воздушного потока, при котором ротор приводится в движение. При достижении ротором расчетной скорости вращения, фрикционная центробежная муфта 19 сцепляет ротор Савониуса 2 с ведущей шестерней 12 угловой зубчатой передачи и та, передает крутящий момент через промежуточную шестерню 13, ведомой шестерне 14, жестко сцепленной с ротором-цилиндром Флетнера 5. Передаточный механизм не только обеспечивает передачу крутящего момента от ведущей лопасти 2 к ведомой 5, но и определяет нужное направление вращения и оптимальную скорость вращения ротора-цилиндра Флетнера 5, что определяется конструкцией передаточного механизма и его редукцией. Пришедшие во вращение лопасти как ведомые, так и ведущие при взаимодействии с набегающим потоком воздуха создают под действием аэродинамической силы Магнуса, момент вращения роторов входящих в состав как ведущих, так и ведомых лопастей, а, следовательно, и всего рабочего ветроколеса, жестко, через бобышку 7, связанного с рабочим валом 8, относительно оси рабочего вала. Таким образом, осуществляется рабочее движение ветроколеса.

Рабочее ветроколесо, приведенное на фиг.5 работает следующим образом. Набегающий поток воздуха раскручивает ротор Савониуса 2. Он передает крутящий момент ротору электрогенератора 20, который через блок управления передает электроэнергию электродвигателю 21 ведомой лопасти. Электродвигатель 21 приводит во вращения жестко связанный с ним ротор-цилиндр Флетнера 5, который может включать любое число лопастей, как ведущих, так и ведомых, но не менее двух, но при любом числе лопастей, не менее чем одна из них должна быть ведущей. Самовращающийся ротор, например, ротор Савониуса 2, входящий в состав ведущей лопасти, приводит во вращение ротор электрогенератора 20, ось которого жестко, или через посредство муфт и редуктора не показанных на фигуре связана с самовращающимся ротором. Электроэнергия, полученная в электрогенераторе 20, через электронный блок управления (не показанный на фиг.5) передается на электродвигатель 21, входящий в состав ведомой лопасти, причем ось электродвигателя жестко связана с ротором Савониуса 2.

Комбинация роторных лопастей разного назначения позволяет получить максимальный крутящий момент на ведущих лопастях и максимальный аэродинамический эффект на ведомых лопастях.

1. Роторное ветроколесо ветродвигателя, характеризующееся тем, что содержит не менее двух радиально расположенных вокруг бобышки и жестко скрепленных с ней лопастей двух разных типов: ведущей и ведомой, кинематически связанных между собой с помощью передаточного механизма, передаточное отношение которого выбрано из условий оптимального режима работы ведомой лопасти, при этом бобышка выполнена с возможностью закрепления на рабочем валу ветродвигателя.

2. Роторное ветроколесо по п.1, характеризующееся тем, что ведущая лопасть содержит самовращающийся ротор Савониуса, а ведомая лопасть выполнена в виде ротора-цилиндра Флетнера.

3. Роторное ветроколесо по п.1, характеризующееся тем, что передаточный механизм выполнен в виде ременной передачи.

4. Роторное ветроколесо по п.1, характеризующееся тем, что передаточный механизм выполнен в виде шестеренчатой передачи.

5. Роторное ветроколесо по п.1, характеризующееся тем, что кинематическая связь лопастей осуществлена посредством лобовой фрикционной передачи.

6. Роторное ветроколесо по п.2, характеризующееся тем, что в конструкцию как ведущих, так и ведомых роторов включена рама жесткости.

7. Роторное ветроколесо по п.2, характеризующееся тем, что в состав ведущих роторов включен разобщающий механизм фрикционной центробежной муфты, расположенный между ведущим ротором и введенной угловой шестеренчатой передачей.

8. Роторное ветроколесо по п.2, характеризующееся тем, что ведущий ротор снабжен электрогенератором, а ведомый ротор содержит электродвигатель.

9. Роторное ветроколесо по п.6, характеризующееся тем, что оно снабжено маховиком-аккумулятором, размещенным на раме жесткости.