Ротор вертикально-осевого ветродвигателя
Полезная модель относится к ветроэнергетике и направлена на повышение эффективности и коэффициента использования энергии ветра в широком диапазоне скоростей. Техническим результатом данной полезной модели является увеличение крутящего момента ротора ветродвигателя при малых оборотах и низком напоре ветра, что обеспечивает его надежный самозапуск. Для решения поставленной задачи в конструкцию ротора введен электромеханический механизм управления щитками (механизм запуска ротора). Механизм включает датчик измерения скорости и направления ветра, связанный с ним программный блок и исполнительный механизм. Программный блок предназначен для выработки и подачи сигнала на исполнительный механизм - мотор-редуктор, осуществляющий поворот щитков вокруг своих осей вращением на заданный угол и в нужный момент времени. При этом параметры сигнала автоматически корректируются в зависимости от скорости и направления набегающего потока ветра. В предложенной конструкции щитки установлены попарно на каждой из горизонтальных траверс. Оси вращения щитков снабжены шестернями, кинематически связанными между собой, то есть при вращении любого из щитков на определенный угол, другой щиток тоже вращается в противоположную сторону на такой же угол. На выходном вале мотора-редуктора установлена приводная шестерня, которая передает вращение шестерням, установленным на осях вращения щитков.
Полезная модель относится к ветроэнергетике и позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра.
Известен ротор вертикально-осевого ветродвигателя по патенту RU 2034169, который конструктивно наиболее близок к предлагаемому техническому решению, и который можно выбрать в качестве прототипа. Ротор ветродвигателя содержит вертикальный вал с траверсами, вертикальные лопасти крыльевого профиля, жестко закрепленные на концах траверс и механизм управления. Каждая лопасть снабжена щитком, расположенным на внешней поверхности лопасти и шарнирно закрепленным на ее передней крышке с возможностью поворота от 0 до 90° относительно хорды профиля. Щитки предназначены для запуска ротора при низких скоростях ветра и повторяют форму внешней поверхности лопасти. Механизм управления состоит из подпружиненного груза, установленного на траверсе с возможностью перемещения вдоль нее и барабана, закрепленного на грузе, а также троса, который связывает барабан с задней кромкой щитка противолежащей лопасти.
Недостаток приведенного ротора заключается в сложности механизма управления и низкой эффективности. Связано это с тем, что при небольших значениях напора ветра из-за циклического изменения угла атаки лопастей, ротор останавливается. Другими словами, у большинства роторов с фиксированным шагом лопастей отсутствует надежный механизм самозапуска, и только при высоких значениях напора ветра вращение ротора не останавливается.
Техническая задача, стоящая перед полезной моделью, заключается в повышение эффективности и коэффициента использования энергии ветра в широком диапазоне скоростей. Техническим результатом данной полезной модели является увеличение крутящего момента ротора ветродвигателя при малых оборотах и низком напоре ветра, что обеспечивает его надежный самозапуск.
Для решения поставленной задачи в конструкцию ротора введен механизм управления щитками (механизм запуска ротора). Механизм включает датчик измерения скорости и направления ветра, связанный с ним программный блок и исполнительный механизм. Программный блок предназначен для выработки и подачи сигнала на исполнительный механизм - мотор-редуктор, осуществляющий поворот щитков вокруг своих осей вращения на заданный угол и в нужный момент времени. При этом параметры сигнала автоматически корректируются в зависимости от скорости и направления набегающего потока ветра. В предложенной конструкции щитки установлены попарно на каждой из горизонтальных траверс. Оси вращения щитков снабжены шестернями, кинематически связанными между собой, то есть при вращении любого из щитков на определенный угол, другой щиток тоже вращается в противоположную сторону на такой же угол. На выходном вале мотора-редуктора установлена приводная шестерня, которая передает вращение шестерням, установленным на осях вращения щитков.
Конструкция ротора вертикально-осевого ветродвигателя приведена на чертежах.
На фиг.1 приведен вид ротора в изометрии.
На фиг.2 приведен местный вид ротора.
Ротор включает вертикальный вал 1 с горизонтальными траверсами 2, на концах которых жестко закреплены вертикальные лопасти 3 крыльевого профиля. На траверсах попарно установлены щитки 4-7, оси вращения 8 которых снабжены шестернями 9, попарно кинематически связанными между собой. Каждая пара шестерен приводится во вращение своим механизмом управления. Механизм управления включает датчик измерения скорости ветра и его направления, связанный с программным блоком (на чертеже не приведены), и исполнительный механизм 10 (мотор-редуктор). На выходном вале 11 исполнительного механизма установлена приводная шестерня 12, вращение которой передается шестерням 9, установленным на осях вращения 8 щитков 4-7. При этом щитки могут быть принудительно повернуты вокруг осей 8 в пределах 0-90 градусов к направлению ветрового потока, от вертикального (развернутого) до горизонтального (сложенного) положения.
Ротор вертикально-осевого ветродвигателя работает следующим образом:
В исходном положении (при вращении ротора ветродвигателя в номинальном режиме) щитки 4-7 находятся в горизонтальном (сложенном) положении, и не оказывают аэродинамического сопротивления потоку воздуха. При падении скорости ветра ниже граничного режима, или при первоначальном запуске ротора сигнал от датчика измерения скорости и направления ветра поступает на связанный с ним программный блок. Программный блок включает исполнительный механизм 10, приводя во вращение приводную шестерню 12. Вращение шестерни 12 передается на одну из кинематически связанных шестерен 9, которая вращает оси 8 и разворачивает щитки до вертикального положения, подставляя их поверхности потоку ветра. Под давлением потока ветра на щитки 4 и 5 ротор проворачивается вокруг вертикального вала 1. В то же самое время щитки 6 и 7 находятся в сложенном положении, и не оказывают сопротивления встречному потоку воздуха. По мере проворачивания ротора относительно вертикального вала 1 уменьшается и угол между направлением потока ветра и поверхностью щитков 4 и 5. Соответственно падает и величина давления. После того, как поверхности щитков станут параллельно направлению потока ветра, они складываются, чтобы не оказывать сопротивление встречному потоку воздуха, и не тормозить ротор. В то же время щитки 6 и 7 постепенно разворачиваются. После набора номинальной скорости вращения ротора необходимость в пусковом моменте отпадает. Все щитки переводятся в горизонтальное положение, и ротор начинает вращаться самостоятельно. При разгоне ротора до скоростей, превышающих номинальную скорость (например, при ураганном ветре), во избежание поломки ротора, вступает в силу обратный процесс, направленный на торможение. При этом щитки 6 и 7 разворачиваются навстречу потоку ветра, тормозя ротор, а щитки 4 и 5 складываются, чтобы не способствовать разгону ротора. Таким образом, автоматически поддерживается номинальный режим вращения ротора.
Ротор вертикально-осевого ветродвигателя, содержащий вертикальный вал с горизонтальными траверсами, на концах которых жестко закреплены вертикальные лопасти крыльевого профиля, щитки, приводимые в действие механизмом управления, отличающийся тем, что щитки установлены попарно на каждой из горизонтальных траверс, и их оси вращения снабжены шестернями, кинематически связанными между собой, а механизм управления щитками включает датчик измерения скорости и направления ветра, связанный с ним программный блок и исполнительный механизм, на выходном валу которого установлена приводная шестерня, передающая вращение шестерням, установленным на осях вращения щитков.
