Ветрогидродвигатель
Использование: получение механической энергии, ветррэнергетические установки, ветрогидронасосные установки. Сущность модели: Роторный многолопастной двигатель, каждая лопасть которого подпружинена вдоль своей плоскости с помощью индивидуального натяжителя и гибкой тяги. Лопасти имеют возможность перемещения как во внутрь так и наружу ротора. При отсутствии потока лопасти занимают исходное положение, при этом корпус двигателя превращается в бочку-многоугольник. Индивидуальные натяжители позволяют тарировать (настроить) усилия пружин и, соответственно, - обеспечить отклонение лопастей на одинаковые углы («углы атаки») при равных силовых воздействиях на лопасти. Использование дополнительного общего натяжителя обеспечивает одновременное изменение жесткости (усилия пружин) в зависимости от скорости потока. Это дает возможность задействовать в работе почти все лопасти, повысить КПД устройства и упростить регулирование его оборотов под конкретную энергию потока. Ожидается, что предлагаемый ветрогидродвигатель будет востребован на малых и средних мощностях энегосистем для автономного пользования.
Предлагаемая полезная модель относится к ветрогидроустановкам и может быть использована для получения механической или электрической энергии от потока движущейся среды: ветра или воды.
Известные конструкции с неподвижными лопастями [1, 2, 3, 4] имеют низкий коэффициент использования энергии потока.
Известны также конструкции с подвижными лопастями, в которых лопасти, движущиеся навстречу потоку, поворачиваются для уменьшения их аэродинамического торможения [5, 6, 7, 8]. В такого рода устройствах участвует в передаче энергии потока только лопасть, идущая под поток, а остальные лопасти, перемещающиеся поперек или навстречу потока, только тормозят двигатель, что обуславливает также их низкий коэффициент использования энергии потока.
Наиболее близким по технической сути к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа «Ротор «Хвост дельфина» [9]. Прототип содержит вал, соединенный с обедами-дисками, между которыми установлены по периферии на своих осях жесткие лопасти, вращающиеся на своих втулках и соединенные с пружинами противоположной крутки. Натяжение пружин осуществляется от специального механизма, содержащего систему шестеренок, цепей или других гибких связей, связанных со шкивами на осях лопастей.
Недостатком прототипа является сложность его реализации, необходимость иметь двойное (по количеству лопастей) число пружин разной крутки (левой и правой). Кроме того, исключена регулировка натяжения каждой отдельной пружины в процессе работы, т.к. их разбалансировка приведет к разным углам раскрытия лопастей (разным «углам атаки»), что снижает КПД устройства. Для того, чтобы обеспечить равные условия для каждой лопасти, пружины разной крутки необходимо подбирать в пары и т.д.
Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с известными устройствами заключаются в следующем:
- с целью упрощения конструкции для каждой лопасти введен рычаг, гибкая тяга и одна пружина на растяжение, усилие которое направлено вдоль плоскости лопасти;
- для уменьшения габаритов конструкции и обеспечения индивидуальной тарировки пружин введены поворотные опоры для гибких тяг и натяжители пружин;
- применен простой механизм натяжения, состоящий из шпильки-винта с левой и правой резьбой, а также двух пластин-гаек, аналогично, с левой и правой резьбой;
- рычаг лопасти может быть выполнен в виде сектора диска с заданным профилем укладки гибкой тяги под конкретные условия скорости потока;
- просто, без дополнительной тарировки пружин решается вопрос подключения гибких тяг от каждой лопасти к общему (суммирующему) натяжителю или центробежному регулятору оборотов.
Это позволяет значительно упростить конструкцию устройства, повысить коэффициент использования энергии потока и облегчить его регулировку.
На фиг.1 изображен «Ветрогидродвигатель», вид сверху с условно прозрачным верхним диском и вариантом размещения на нем основных узлов, а на фиг.2 - вариант исполнения рычага лопасти в виде сектора диска.
Ветрогидродвигатель содержит центральный вал 1, соединенный с дисками 2, между которыми на осях 3 установлены поворотные лопасти 4. Лопасти имеют рычаги 5, соединенные гибкими тягами 6 чрез пружины 7 и индивидуальный натяжитель 8 с корпусом или диском устройства. Опоры 9 изменяют для гибких тяг угол их натяжения. Индивидуальный натяжитель имеет крепление 10 к диску или корпусу. Между индивидуальным натяжителем пружин и корпусом могут быть подсоединены дополнительные тяги к общему натяжителю, одновременно увеличивающему или уменьшающему жесткость (усилия) всех пружин (на фиг. не показан).
Ветрогидродвигатель работает следующим образом. В нейтральном положении при отсутствии потока среды лопасти устройства образуют собой усеченную бочку-многогранник. Усилие «F» каждой пружины 7 направлено вдоль рычага 5 и плоскости лопасти 4. Чтобы не увеличивать размеры диска 2 в направлении вектора «F», применены поворотные опоры 9, изменяющие для гибких тяг 6 угол их натяжения от пружин 7.
При наличии потока «V» лопасти, первыми его воспринимающие, отклоняются во внутрь ротора, а лопасти, воспринимающие поток уже прошедший через полость двигателя, отклоняются наружу (на фиг.1, обозначено пунктирными линиями). В цепь: рычаг, гибкая тяга, пружина, диск (корпус) включен последовательно с ними индивидуальный натяжитель 8 каждой пружины, закрепленный в точке 10 на диске. Для упрощения конструкции натяжитель выполнен в виде шпильки-винта с левой и правой резьбой, а также двух пластин-гаек, соответственно, с левой и правой резьбой. С помощью индивидуальных натяжителей удобно и просто в процессе наладки отрегулировать силу натяжения пружин и, соответственно,
- отклонение лопастей на одинаковый угол при одинаковой силе воздействия на них.
Известно, что энергия потока зависит от его скорости в кубической форме, поэтому при установке двигателя в потоки с разными параметрами скорости возникает необходимость в увеличении или уменьшении жесткости (усилия натяжения) всех пружин одновременно. В данной конструкции это, при необходимости, обеспечивается введением еще одного общего натяжителя, подсоединяемого между диском и индивидуальными натяжителями через дополнительные тяги (на фиг. не показано).
Для создания не пропорциональной, а более сложной функциональной зависимости угла поворота лопастей от скорости потока и усилия натяжения пружин, рычаги лопастей (фиг.2) могут быть выполнены в виде сектора кругового, элипсного или другой формы диска с заданным профилем укладки гибких тяг.
С целью автоматической одновременной установки жесткости пружин и, соответственно, - сопротивления лопастей потоку, в качестве общего натяжителя может быть использован центробежный регулятор оборотов или его исполнительный механизм. Это позволяет регулировать число оборотов двигателя в автоматическом режиме.
Существенное отличие предлагаемого решения от известных заключается, как в увеличении КПД использования энергии потока, поскольку находятся одновременно в работе большинство лопастей, так и - в сравнительной простоте конструктивного исполнения и последующих регулировках.
Испытания лабораторных макетов подтвердили преимущества предлагаемого изобретения, описанные выше (см. фото).
Предлагаемый ветрогидродвигатель имеет невысокую стоимость изготовления, прост в регулировании и следует ожидать его широкое применение для привода электрических генераторов, насосов и т.п. в
индивидуальных хозяйствах, а также - в регионах, лишенных централизованного энергоснабжения.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Б.В.Кажинский. Свободнопоточные гидроэлектростанции малой мощности. Под редакцией Берга, вып.57, М., 1950 г., стр.31: «Роторная турбина системы Кажинского Б.В.».
2. Там же, стр.33, «Роторная турбина системы Угринского».
3. Описание изобретения к патенту РФ №2118703, МПК F 03 Д 3/00. «Роторный ветродвигатель» (аналог).
4. Описание изобретения РФ №2246634, МПК F 03 Д 3/00. «Ротор» (аналог).
5. Описание изобретения к патенту РФ №2057969, МПК F 03 Д 3/00, 7/06. «Карусельное ветроколесо» (аналог).
6. Описание изобретения к патенту РФ №2069795, МПК F 03 Д 3/00, 3/06. «Ветроколесо» (аналог).
7. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР, МПК F 03 Д 3/00. «Карусельный ветродвигатель» (аналог), №1537885
8. Описание изобретения к патенту СССР, МПК F 03 Д 3/00. «Преобразователь энергии» (аналог), №1362405
9. Описание патента РФ №34653, МПК F 03 B 3/12; F 03 Д 5/00; F 03 Д 3/06; F 03 Д 1/00. «Ротор «Хвост дельфина» (прототип).
1. Ветрогидродвигатель, содержащий вал, соединенный с ободами-дисками, между которыми установлены по периферии на своих осях лопасти с возможностью их поворота во внутрь и наружу дисков, отличающийся тем, что для каждой лопасти введены рычаги, гибкие тяги и пружины, причем рычаг каждой лопасти соединен с одним из дисков через последовательно соединенные гибкую тягу и пружину.
2. Ветрогидродвигатель по п.1, отличающийся тем, что для каждой гибкой тяги на диске установлены поворотные опоры и последовательно с рычагом, тягой и пружиной подключен натяжитель пружины.
3. Ветрогидродвигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что натяжитель выполнен в виде шпильки-винта с левой и правой резьбой, а также - двух пластин (гаек) с левой и правой резьбой.
4. Ветрогидродвигатель по п.1, отличающийся тем, что рычаг лопасти выполнен в виде сектора диска с заданным профилем укладки гибкой тяги.
5. Ветрогидродвигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что для каждой лопасти в цепь, содержащую последовательно соединенные рычаг, гибкую тягу, пружину, натяжитель, подключены дополнительные тяги, каждая из которых соединена с дополнительным общим натяжителем пружин лопастей.
6. Ветрогидродвигатель по пп.1 и 5, отличающийся тем, что в качестве общего натяжителя использован центробежный регулятор оборотов.
