Ветродвигатель баялиева

009184 Изобретение относится к ветродвигателям и предназначено для преобразования энергии ветра в энергию, полезную для использования в народном хозяйстве. Известные ветродвигатели можно разделить на 2 вида. 1. Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые). 2. Ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные и ортогональные). Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время у карусельных - намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра. Распространение крыльчатых ветродвигателей объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с крыльчатыми. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. По данному типу спроектирована и одна из ВЭС в Белоруссии номинальной мощностью 250 кВт. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки. Ортогональные ветродвигатели, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед поклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска. В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете. Самолет, прежде чем "опереться" на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14-16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20000 кВт. Конструкция ветродвигателя карусельного типа содержит лопасти, жестко закрепленные на направляющих с возможностью вращения всей конструкции вокруг общей оси, являющейся осью привода двигателя. Основным недостатком ветроэлектростанций на сегодняшний день является их высокая стоимость,которая определяет высокую цену 1 кВт/ч электроэнергии, полученной от ветрогенератора. Недостатком ветродвигателя крыльчатого типа является необходимость его постоянной ориентации в направлении ветра и применение специального устройства для его разворота. Вторым недостатком является большая высота конструкции, так как это необходимо для его нормальной работы. Это создат сложности при монтаже и требует дополнительных затрат на надежную фиксацию в месте эксплуатации. Недостатком карусельного ветродвигателя ортогонального типа является необходимость его принудительного разгона до определенной величины. Это связано с тем, что момент передачи усилия за один оборот в данных ветродвигателях достаточно мал для создания усилия на генератор тока. Чтобы создать достаточное усилие необходимо увеличить количество оборотов, то есть увеличить количество данных моментов, тогда суммарный момент будет достаточен для вращения генератора. Вторым недостатком является высокая парусность конструкции. Недостатком карусельного ветродвигателя лопастного типа является то, что лопасти расположены под углом к скорости вращения. Это приводит к тому, что при возрастании скорости вращения ветродвигателя возрастает сопротивление воздуха, находящегося между лопастями, и двигатель начинает работать как центробежный насос. То есть часть энергии ветра расходуется на разгон воздушной массы от оси вращения. Этим объясняется тихоходность данного типа двигателя. Вторым недостатком является высокая парусность конструкции, что приводит к дополнительным затратам металла на повышение е жесткости, а значит к е удорожанию. Ближайшим аналогом является ветроколесо, описанное в патенте России 2018029, 1994 г., кл.F 03D 3/00, содержащее лопасти, закрепленные на горизонтальных кронштейнах с возможностью вращения вокруг оси двигателя и вокруг собственных осей, кронштейны снабжены упорами, лопасти разделены осями на части, соотношение площадей которых составляет 1:1,3, а упоры удалены от вала на расстояние меньше ширины большей части лопасти. Недостатком этого ветродвигателя является неконтролируемое перекидывание лопасти при переходе из зоны холостого хода в рабочую зону, это приводит к ударам лопастей по упорам, которое усиливается при усилении ветра и может привести к разрушению лопастей и упоров. Кроме того, наличие постоянных упоров не дает лопастям располагаться вдоль направления ветра при превышении предельных ветровых нагрузок, что также может привести к разрушению конструкции. В предлагаемом устройстве ветродвигателя решается задача на основе конструкции ветродвигателей карусельного типа (лопастного и ортогонального) создать конструкцию, в значительной степени лишенную недостатков, характерных для этих конструкций. Задача решается тем, что в предлагаемом устройстве в конструкцию ветродвигателя введены возможность вращения каждой лопасти вокруг дополнительной поворотной собственной оси О 1 и возвратный механизм, который стремится возвратить лопасти в исходное положение (когда скорость ветра равна нулю). Давление ветра приводит к тому, что в первоначальный момент работы одни лопасти располагают под углом к направлению ветра, а другие стремятся повернуться по направлению ветра. Это снижает сопротивление ветру с одной из сторон и ветродвигатель начинает вращаться. Таким образом, работа ветродвигателя в начальный момент аналогична работе карусельного лопастного ветродвигателя. Это позволяет создать максимальный момент вращения в начале движения. По мере разгона ветродвигателя лопасти под действием центробежной силы и силы сопротивления воздушной массы между ними будут стремиться занять направление по касательной к траектории (на боковой поверхности цилиндра или конуса) вращения. То есть займут положение, характерное для ветродвигателя ортогонального типа. Это позволит ветродвигателю набрать максимальную скорость вращения в установившемся режиме. Ограничители ограничивают положение лопастей на малых скоростях ветра. Если их сделать упругими, то это позволяет сделать этот процесс наиболее плавным, а также позволяет лопастям занять положение по направлению ветра в случае превышения скорости ветра VVmax, где Vmax - скорость ветра во время бури,которая может привести к разрушению конструкции ветродвигателя. Как известно, количество энергии вращения прямо пропорционально произведению момента вращения на скорость вращения. Данная конструкция ветродвигателя позволяет увеличить это количество энергии за счт увеличения скорости вращения при большом моменте, что является преимуществом по сравнению с традиционной конструкцией. Вторым преимуществом является то, что поворот лопастей по направлению вектора скорости ветра или скорости вращения ветродвигателя (в зависимости от того, какое усилие больше) снижает нагрузки на его корпус, а значит уменьшает габариты, снижает вес конструкции и е стоимость. Небольшие размеры и малый вес ветродвигателя создают третье преимущество при его транспортировке и монтаже без применения специальных устройств. Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых фиг. 1 - различные типы ветродвигателей; фиг. 2 [А, Б, В, Г, Д] - схематичное изображение принципа действия заявляемой ветроустановки; фиг. 3 [А, Б, В] - схематичное изображение точки покоя лопастей без воздействия ветра; фиг. 4 - схематичное изображение варианта ветродвигателя, когда лопасть находится под углом к оси вращения O1; фиг. 5 - схематичное изображение варианта ветродвигателя, когда ось вращения лопасти О 1 находится под углом к оси двигателя; фиг. 6 - схематичное изображение варианта ветродвигателя, когда ось вращения лопасти перпендикулярна оси вращения всего ветродвигателя; фиг. 7 - схематичное изображение варианта ветродвигателя, когда ось вращения ветродвигателя расположена горизонтально; фиг. 8 и 9 - вариант применения ветродвигателя в потоке воды и морского прибоя. Направляющие 1 одним концом закреплены вблизи оси вращения ветродвигателя О [фиг. 2 А-Д]. На другом конце каждой направляющей 1 размещены лопасти 2, выполненные с возможностью вращения вокруг собственной оси О 1. Движение лопастей 2 ограничивается возвратными механизмами 4 и ограничителями 3, закреплнными на направляющих. Возвратный механизм 4 может быть выполнен в виде пружины, размещенной вблизи оси вращения О 1, один конец которой закрепляется на направляющей 1, а другой на лопасти 2. Ось вращения лопастей должна быть смещена относительно оси симметрии лопасти для обеспечения усилия поворота лопасти относительно оси О 1. При этом возвратные механизмы дают возможность поворота плоскости лопасти на угол Y относительно точки покоя Т. Точка покоя Т - это положение плоскости лопасти при отсутствии ветра. Она может быть расположена под углом X к направляющей 1 (фиг. 3) или к оси вращения О (фиг. 5 и 6). При-2 009184 этом плоскость лопасти может располагаться под углом Z к оси вращения О 1 (фиг. 4). Так как центр тяжести лопасти находится не на оси вращения О 1, это создат биение, связанное с действием центробежной силы. Биения можно компенсировать любым известным промышленности способом, например, размещением на лопасти компенсирующих грузов. При появлении ветра в направлении, указанном на фиг. 2 Б, лопасти 2 занимают положение либо по направлению ветра, либо прижимаются к ограничителю 3. Это приводит к появлению усилия вращения ветродвигателя, так как сопротивление лопастей ветру с одной стороны относительно оси О всегда будут больше, чем с другой. Ветродвигатель начинает вращаться. При достижении положения вращения (фиг. 2 Б) за счет набегающего потока ветра происходит перекидывание лопасти, ограничиваемое усилием возвратного механизма 4. Промежуточные положения лопасти изображены тонкими линиями. Ветродвигатель продолжает свое вращение до перекидывания следующей лопасти и так далее. Крайние положения лопасти в момент перекидывания изображены на фиг. 2 Г и Д. Возвращающее усилие возвратных механизмов 4 и положение ограничителей 3 подбираются таким образом, чтобы при достижении скорости ветра величины Vmax, они не смогли ограничивать движение лопасти. В этом случае направление лопастей будет совпадать с направлением ветра и движение ветродвигателя остановится (фиг. 2 Д). Сопротивление лопастей ветру будет минимальным и это обезопасит конструкцию ветродвигателя от разрушения во время бури. Положение точки покоя можно регулировать и возвратными механизмами 4 и ограничителями 3. На фиг. 3 (А, Б и В) показаны различные положения точки покоя Т. Из чертежей видно, что при положении точки покоя Т 2, когда угол X равен или близок к 90, от ограничителя 3 можно отказаться, если возвращающее усилие возвратных механизмов будет достаточно высоким. При вертикальном положении оси вращения О собственные оси вращения лопастей О 1 могут не быть вертикальными. Частные случаи показаны на фиг. 5 и 6. Как видно из чертежей лопасти в исходном состоянии без воздействия силы ветра будут стремиться занять положение, при котором центр тяжести лопасти будет максимально приближен к земле. На фиг. 5 оси О и О 1 расположены под углом друг к другу и находятся в одной плоскости. Вид сверху будет аналогичен положению на фиг. 3 (Б). Это дат возможность использовать силу притяжения Земли в качестве силы возвратного механизма и отказаться от использования пружин. Угол наклона осей вращения О 1 подбирается таким образом, чтобы обеспечить расположение лопастей в направлении ветра при скорости VVmax. Если ось О 1 расположена под углом к вертикали и не находится в одной плоскости с осью О, то есть вид сверху соответствует положению фиг. 3 (В), то при соответствующем угле наклона и распределении массы лопасти можно отказаться от изготовления возвратных механизмов и ограничителей. Это дат возможность упростить конструкцию, повысить наджность эксплуатации и снизить стоимость изготовления ветродвигателя. В случае расположения осей вращения О 1 перпендикулярно направлению оси вращения ветродвигателя О и расположением точки покоя под углом X к оси О (фиг. 6), можно также отказаться от применения ограничителей, при достаточном возвращающем усилии возвратных механизмов. Если при перпендикулярном расположении осей вращения ось вращения О совпадает с направлением ветра и точки покоя расположены под углом X к оси О (фиг. 7), установка может работать как ветродвигатель крыльчатого типа, переходя в режим работы ветродвигателей карусельного типа, в случае изменения направления ветра под углом к оси О (фиг. 6). Аналогичным образом можно настроить ветродвигатель при любом положении осей О и О 1 за счет изменения положения точки покоя Т и угла наклона плоскости лопасти Z к оси вращения О 1. Как видно из вышеописанных примеров, конструкция ветродвигателя Баялиева совмещает в себе характеристики и преимущества всех известных в настоящее время типов ветродвигателей, которые являются частными случаями различных режимов его работы. Переход из одного режима работы в другой зависит от силы и направления ветра, расположения точек покоя Т, углов наклона плоскостей лопастей Z к осям вращения О 1 и происходит автоматически. Расположение ветродвигателя на месте монтажа подбирается с учетом розы ветров в данном районе. Данный ветродвигатель можно также использовать для преобразования энергии воды в реках с небольшой глубиной или для преобразования энергии приливов и отливов без строительства плотины (фиг. 8). На фиг. 9 показано применение ветродвигателя для преобразования энергии волн. Момент вращения двигателя можно передавать для использования на любой известный механизм(например, генератор электрического тока или водяной насос). Момент вращения передается с помощью любого известного редуктора. Коэффициент передачи редуктора определяется условиями эксплуатации. Лопасти ветродвигателя могут изготавливаться из любого материала и иметь любую форму, обеспечивающую достаточную прочность и разворот лопасти по направлению ветра. Лопасти могут располагаться под углом к оси вращения О 1. Направляющие ветродвигателя могут изготавливаться из любого материала и иметь любую форму,обеспечивающую наименьшее сопротивление ветру при сохранении неизменности взаимного расположения плоскости лопастей, осей вращения двигателя О и лопастей О 1.-3 009184 Возвратные механизмы и ограничители могут изготавливаться из любого материала с различными механическими свойствами и иметь любую форму, обеспечивающие достаточную прочность и разворот лопасти по направлению ветра в случае скорости ветра VVmax и возвращение лопастей в точки покоя Т. Точки покоя регулируются при монтаже ветродвигателя в зависимости от условий его эксплуатации. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ветродвигатель, содержащий лопасти, закрепленные на направляющих, выполненные с возможностью вращения вокруг оси О двигателя, и каждая лопасть выполнена с возможностью вращения вокруг собственной оси, отличающийся тем, что лопасти снабжены возвратными механизмами, установленными с возможностью передачи момента вращения на вал двигателя. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что ветродвигатель содержит ограничители движения лопастей.