Ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси

(51) 03 3/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ 2007/0605.1 08.05.2007 15.12.2009, бюл.12 Казыбек Жумабай Жарасулы 2141576 С 1, 20.11.19992225061 А, 23.05.19901307081 А 1, 30.04.19872106525 С 1, 10.03.1998 280318, 17.11.1927(54) ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВРАЩЕНИЕМ ВОКРУГ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСИ(57) Изобретение относится к ветротехнике, а,именно к ветряным двигателям с вращением вокруг вертикальной оси. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение его надежности при применении и мощности двигателя. Это достигается тем, что в предлагаемом ветряном двигателе с вращением вокруг вертикальной оси, содержащем ротор, включающий лопатки, способный вращаться под действием ветра вокруг своей оси, и поворотный вал, связанный с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором и приспособленный для передачи энергии, полученной этим ротором от ветра, согласно изобретению, он дополнительно снабжен предохранительным устройством, а ротор образован из ряда стержней, выполненных с возможностью разворота на угол, равный 90 вокруг своей горизонтальной оси, соединенных с поворотным валом через фланцы посредством муфты с гнездами,надетой на поворотный вал, на каждом из которых посредством оси закреплены лопатки, выполненные в форме дуг с возможностью вращения вокруг своей вертикальной оси, размещенные в противоположных направлениях относительно горизонтальной оси в вертикальной плоскости стержня, образующие крыло, а поворотный вал, нижний конец которого соединен с энергетической машиной, связан с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором вокруг вертикальной оси по или против часовой стрелки, предохранительное устройство образовано из последовательно установленных на поворотном вале пружины с крышкой, снабженной центральным отверстием,фланца с крылышками, снабженного центральным отверстием и выполненного с возможностью вращения против ветра, крышки вертикального вала, и двух чек, вставленных в отверстия фланца и крышки поворотного вала, установленных с возможностью срыва при превышении скорости ветра выше расчетной. При этом гнезда муфты расположены крестообразно, каждое гнездо муфты по бокам снабжено отверстиями с резьбой для фиксации болтами фланца стержня, фланец стержня имеет фигурные отверстия для его фиксации в гнезде муфты, в нижней части крышки пружины крестообразно закреплены штыри, имеющие конусообразную форму,штыри установлены острыми концами в совмещенные конусообразные отверстия, выполненные в каждом стержне и в каждом гнезде муфты, поворотный вал образован из двух частейнижней, на которой выполнены канавки для установления шпонок,на которых закреплена и подвешена муфта и верхней части меньшего диаметра, на которой установлено предохранительное устройство, на верхней части крышки пружины выполнен поперечный вырез, по ее диаметру, для размещения крылышек фланца при превышении скорости ветра выше расчетной для приведения в действие предохранительного устройства. 21969 Изобретение относится к ветротехнике, а, именно к ветряным двигателям с вращением вокруг вертикальной оси. Известна ветроустановка, содержащая поворотные лопасти, планетарный редуктор, центральная коническая шестерня которого размещена на полой вертикальной опоре, и установленный в опоре вертикальный вал, первый конец которого соединен с энергетической машиной, а на втором закреплены основные полуоси, расположенные перпендикулярно валу, связанные с поворотными лопастями и коническими шестернями, взаимодействующими с центральной шестерней с передаточным отношением 11, причем лопасти расположены перпендикулярно полуосям. При этом установка снабжена двумя дополнительными полуосями, закрепленными на втором конце вала, расположенными в плоскости основных полуосей и перпендикулярными им, дополнительными поворотными лопастями, связанными с дополнительными полуосями и дополнительными коническими шестернями, взаимодействующими с шестернями основных полуосей, причем лопасти основных полуосей расположены в вертикальной плоскости и направлены в противоположные стороны, а лопасти дополнительных полуосей размещены в горизонтальной плоскости и ориентированы в одном направлении.(А.с. СССР 1652643, кл.035/00, 1991). К недостаткам известной ветроустановки относятся недостаточная надежность, сложность и несовершенство конструкции, недостаточная мощность,а также отсутствие предохранительного устройства,обеспечивающего безопасность работы при превышении скорости ветра выше расчетной. Известная конструкция не рассчитана на изменение направления ветра на противоположное после внезапной остановки при безветрии, имеет большой вес и предполагает применение такого сложного конструктивного элемента как планетарный редуктор. Кроме того, в конструкции отсутствуют конструктивные элементы, выполняющие функцию рычага для увеличения мощности установки. Известен также ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси, содержащий ротор, способный вращаться под действием ветра вокруг своей вертикальной оси по отношению к горизонту, и поворотный вал, связанный с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором и приспособленный для передачи энергии, полученной этим ротором от ветра. Ротор содержит корпус цилиндрической формы полый внутри, боковые стенки которого образованы в основном лопатками, установленный в вертикальном положении так,чтобы ветер имел возможность войти в полый внутри цилиндрический корпус и привести его во вращательное движение, а также поворотный передаточный вал с которым этот цилиндрический корпус связан.(Пат.2 165 034, кл.033/00, 2001). К недостаткам известного ветряного двигателя также относятся сложность конструкции, недостаточная надежность и недостаточная мощность, а также, отсутствие предохранительного устройства,2 обеспечивающего безопасность работы при превышении скорости ветра выше расчетной, цилиндрическая форма ротора вызывает большое лобовое сопротивление к ураганным ветрам, отсутствуют конструктивные элементы, имеющие функцию рычага для увеличения мощности двигателя. Кроме того, двигатель имеет большой вес. Задачей изобретения является создание ветряного двигателя с вращением вокруг вертикальной оси,позволяющего упростить конструкцию, повысить его надежность при применении и мощность двигателя. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции, повышение его надежности при применении и мощности двигателя. Это достигается тем, что в предлагаемом ветряном двигателе с вращением вокруг вертикальной оси, содержащем ротор, включающий лопатки, способный вращаться под действием ветра вокруг своей оси, и поворотный вал, связанный с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором и приспособленный для передачи энергии, полученной этим ротором от ветра, согласно изобретению, он дополнительно снабжен предохранительным устройством, а ротор образован из ряда стержней, выполненных с возможностью разворота на угол, равный 90, вокруг своей горизонтальной оси, соединенных с поворотным валом через фланцы посредством муфты с гнездами,надетой на поворотный вал, на каждом из которых посредством оси закреплены лопатки, выполненные в форме дуг с возможностью вращения вокруг своей вертикальной оси, размещенные в противоположных направлениях относительно горизонтальной оси в вертикальной плоскости стержня, образующие крыло, а поворотный вал, нижний конец которого соединен с энергетической машиной, связан с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором вокруг вертикальной оси по или против часовой стрелки, предохранительное устройство образовано из последовательно установленных на поворотном вале пружины с крышкой, снабженной центральным отверстием,фланца с крылышками, снабженного центральным отверстием и выполненного с возможностью вращения против ветра, крышки вертикального вала, и двух чек, вставленных в отверстия фланца и крышки поворотного вала, установленных с возможностью срыва при превышении скорости ветра выше расчетной. Технический результат обеспечивается выполнением ротора и предохранительного устройства. Предлагаемый ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси представлен на чертежах. На фиг.1 представлен схематично общий вид устройства, вид спереди На фиг.2 - то же на фиг. 1, вид сверху На фиг.3 - поворотный вал, вид сбоку На фиг.4 - поворотный вал, вид сверху На фиг.5 - муфта, вид сверху На фиг.6 - то же на фиг.5, вид сбоку На фиг.7 - стержень, вид сбоку 21969 На фиг.8 - то же на фиг.7, вид сверху На фиг.9 - то же на фиг.7, вид с торца На фиг. 10 - крышка пружины, вид сбоку На фиг.11 - то же на фиг.10, вид снизу На фиг.12 - то же на фиг. 10, вид сверху На фиг. 13 - фланец с крылышками, вид с торца На фиг.14 - то же на фиг.13, вид сверху На фиг.15 - то же на фиг.13, вид сбоку На фиг. 16 - крышка поворотного вала, поперечный разрез, вид сбоку На фиг. 17 - то же на фиг. 16, вид сверху На фиг. 18 - шпонки, установленные в канавках поворотного вала, вид сбоку На фиг. 19 - то же на фиг. 18, вид сверху На фиг.20 - муфта, закрепленная и навешанная на поворотном вале, вид сверху На фиг.21 - то же на фиг.20, вид сбоку На фиг.22 - стержень, установленный в гнезде муфты, вид сбоку На фиг.23 - установка в стержень крыла На фиг.24 - то же на фиг.23, вид сверху На фиг.25 - установка фланца стержня в гнезде муфты, вид сверху На фиг.26 - лопатки с перемычками На фиг.27 - стержень с лопаткой в рабочем положении На фиг.28 - положение ротора при вращении двигателя против часовой стрелки на угол , равный 90 север-запад. (направление ветра условно север юг) На фиг.29 - положение лопаток ротора при повороте поворотного вала на угол , равный 270, север-юг-восток На фиг.30 - пружина и крышка пружины, установленные на поворотном вале На фиг.31 - то же на фиг.30, вид сверху На фиг. 32 - фланец с крылышками, установленный на поворотном вале На фиг.33 - то же на фиг.32, вид сверху На фиг.34 - крышка поворотного вала, установленная на его торце, вид сбоку На фиг.35 - то же на фиг.34 и установка чек, в отверстиях крышки поворотного вала и фланца с крылышками На фиг.36 - то же на фиг.35, вид сбоку На фиг.37 - поворот фланца с крылышками по часовой стрелке условно на угол 45 по направлению ветра после срыва чеки На фиг.38 - то же на фиг.37 вид сверху На фиг.39 - разворот фланца с крылышками параллельно по направлению ветра и совмещение крылышек фланца с вырезом крышки пружины На фиг.40 - то же на фиг.39, вид сверху На фиг.41- завершение работы предохранительного устройства, установка крылышек фланца с вырезом верхней части крышки пружины На фиг.42 - завершение работы предохранительного устройства, вид сбоку, установка пружины между крылышками фланца На фиг.43 - общий вид двигателя после завершения работы предохранительного устройства, вид сбоку На фиг.44 - общий вид двигателя в положении остановки, вид сбоку Предлагаемый ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси содержит ротор 1, включающий лопатки 2, способные вращаться под действием ветра вокруг своей вертикальной оси (до 180),и поворотный вал 3 (фиг.3), связанный с ротором 1 с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором 1 и приспособленный для передачи энергии, полученной этим ротором от ветра и предохранительное устройство, защищающее двигатель и энергетическую машину от поломок 4. Ротор 1 образован из ряда (четыре стержня) стержней 5 (фиг.7-9, 26, 27), выполненных с возможностью разворота вокруг своей горизонтальной оси на угол , равный 90, при превышении скорости ветра выше расчетной (фиг.44), каждый из которых одним концом через фланец 27 соединен с поворотным валом 3 посредством муфты 6, снабженной центральным отверстием 36, закрепленной и подвешенной на поворотном вале 3 с гнездами 7 (4 гнезда(фиг.5, 6, 20, 21). Гнезда 7 муфты 6 расположены крестообразно. Каждое гнездо 7 муфты 6 по бокам снабжено отверстиями 25 с резьбой для фиксации шайбой и болтами 26 фланца 27 стержня 5, который выполнен с возможностью разворота на угол , равный 90, вокруг горизонтальной оси для остановки ротора 1 предохранительным устройством 4 и имеет 2 фигурных отверстия 28 для его фиксации в гнезде 7 муфты 6 (фиг.22-25). На одном конце первой ровной части каждого стержня 5 выполнены конусообразные отверстия 40,совпадающие по диаметру с отверстиями 39, выполненными в гнездах 7 муфты 6 и фланец 27,предназначенный для фиксации стержня 5 в гнезде 7 муфты 6. На конце второй части каждого стержня 5, приподнятой по отношению к горизонтальной оси, закреплены на верхней и нижней вертикальных осях 32, жестко соединенных со стержнем 5, две лопатки 2, выполненные в форме дуг с возможностью вращения вокруг своей вертикальной оси до 180, размещенные в противоположных направлениях в вертикальной плоскости, образующие крыло 8 (фиг.26, 27, направление ветра условно север-юг). При такой установке лопаток 2 на стержне 5 поворотный вал 3 вращается против часовой стрелки. Для изменения направления вращения поворотного вала 3, по часовой стрелке, лопатки 2 устанавливают на стержне 5 на осях 32 с другой стороны(не показаны). Каждая лопатка 2 жестко соединена с двумя перемычками между собой, одной 33, выполненной по центру, с вогнутой стороны лопатки 2 для исключения возможности вращения вокруг горизонтальной оси на угол, равный 360, и другой 34, выполненной на конце каждой лопатки 2 со стороны зафиксированного в муфте 6 конца стержня 5, на ее выпуклой стороне (фиг.26), связан с ротором 1 с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором 1 вокруг вертикальной оси по или против часовой стрелки. 3 21969 Поворотный вал 3, нижний конец которого соединен с энергетической машиной (не показана),связан с ротором 1 с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором 1 вокруг вертикальной оси по или против часовой стрелки и образован из двух частейнижней 9, на которой выполнены канавки 11 для установления шпонок и закреплена и подвешена муфта 6 посредством шпонок 12 (фиг.3-4) и верхней части 10 меньшего диаметра. По верхней линии канавок 11 поворотный вал 3 уменьшается в диаметре на глубину канавок 11(фиг.3). В верхней части 10 поворотного вала 3 закреплено предохранительное устройство 4, которое образовано из последовательно одетых на поворотный вал 3 пружины 13 с крышкой 14, снабженной центральным отверстием 15, фланца 16 с крылышками 17, снабженного центральным отверстием 18 и выполненного с возможностью вращения против ветра, крышки 19 поворотного вала 3, и двух чек 21 и 22, вставленных в отверстия 23 фланца 16 и отверстия 24 крышки 19 поворотного вала 3, установленных с возможностью срыва при превышении скорости ветра выше расчетной (фиг.10- 17, 37-44). В нижней части 37 крышки 14 пружины 13, выполненной в форме перевернутой миски крестообразно закреплены штыри 29, имеющие, конусообразную форму, установленные острыми концами вниз в совмещенных конусообразных отверстиях 40 и 39 для фиксации стержня 5 в гнезде муфты 6, выполненных в каждом стержне 5 и каждом гнезде 7 муфты 6. На верхней части 38 крышки 14 выполнен поперечный вырез 30, по ее диаметру, для размещения крылышек 17 фланца 16. Диаметр центрального отверстия 15 крышки 14 пружины 13 равен диаметру верхней части 10 поворотного вала 3 (фиг.30, 31). Вырез 30 верхней части 38 крышки 14 пружины 13 выполнен параллельно одной противоположной паре стержней 5 с крыльями 8, крылышки 17 фланца 16 выполнены параллельно к другой противоположной паре стержней 5 с крыльями 8 (не показаны). Вырез 30 и крылышки 17 фланца 16 установлены взаимно перпендикулярно (под углом 90). На противоположных концах поперечной оси фланца 16 выполнены крылышки 17, расстояние 20 между которыми соответствует диаметру пружины 13. Под углом , равным 90 к крылышкам 17 на продольной оси фланца 16 выполнены два отверстия 23 для установки чек 21 и 22 (фиг.32-36). На верхнем конце поворотного вала 3 установлена крышка 19 поворотного вала 3, на продольной оси которой выполнены 4 отверстия (фиг. 16, 17). Два крайние отверстия 24, предназначенные для установки чек 21 и 22, совпадают по диаметру с отверстиями 23 фланца 16, а два средних отверстия 31 предназначены для закрепления шайбой и болтами 41 на торце поворотного вала 3, снабженного отверстиями 35. Предлагаемый ветряной двигатель работает следующим образом. 4 Под действием ветра стержни 5 с лопатками 2(четыре стержня), образующие ротор 1, перемещаются вокруг поворотного вала 3. Ротор 1 приводит в движении поворотный вал 3,который передает вращение к энергетической машине (например, электрогенератор, мельница, водяной насос, пилорама). Крылья 8 ротора 1 (работа двигателя показана на примере одного стержня 5 с крылом 8) обращены к ветру фронтально (перпендикулярно к направлению ветра), поэтому сила ветра воздействуя на крыло 8,вращает поворотный вал 3. При повороте одного крыла 8 со стержнем 5 на 90, против ветра будет направлено следующее крыло 8. В результате чего,перемещаясь под действием силы ветра вокруг поворотного вала 3, лопатки 2 поочередно, используя энергию ветра, передают движение посредством стержней 5 поворотному валу 3 в нужном направлении (по или против часовой стрелки фиг. 21-28). Один свободный конец каждого стержня 5 приподнят по отношению к горизонтальной оси, в связи с этим при внезапной остановке ветра, крылья 8, повернутые параллельно к направлению ветра самопроизвольно возвращаются в свое исходное рабочее положение. В результате чего все четыре крыла 8 ротора 1 будут обращены фронтально (перпендикулярно) к направлению ветра и находиться в режиме ожидания ветра. После возникновения ветра одно из крыльев 8 ротора 1, которое повернуто в его направлении фронтально, вращает поворотный вал 3, второе крыло 8 будет находиться в нейтральной зоне в тени первого крыла 8 и перекрыто от ветра первым крылом 8. При этом остальные два крыла 8 ротора 1 повернутся параллельно к направлению ветра, так как ветер воздействует на них с тыльной стороны (фиг.29). При превышении скорости ветра выше расчетной приводится в работу предохранительное устройство 4, которое защищает ветряной двигатель и энергетическую машину от поломок. При этом фланец 16 с крылышками 17 больше не может преодолеть силу ветра и срывает чеки 21, 22,так как вращается против направления ветра при любом направлении вращения поворотного вала 3 по или против часовой стрелки. После срыва чек 21,22 фланец 16 с крылышками 17 начинает вращаться в направлении обратном направлению поворотного вала 3, пока не развернется параллельно к направлению ветра (условно на север) (фиг.37, 38). А поворотный вал 3 в то же время вращается навстречу к направлению движения фланца 16 с крылышками 17 до совмещения крылышек 17 фланца 16 с вырезом 30 крышки 14 пружины 13 (фиг.39, 40,41). После совпадения крылышек 17 фланца 16 с вырезом 30, пружина 13 приподнимает в верх крышку 14 пружины 13 до упора с фланцем 16 с крылышками 17 и они будут установлены в вырезе 30 крышки 14 пружины 13. Пружина 13 будет установлена между крылышками 17 фланца 16, так ее диаметр равен расстоянию 20 между крылышками 17. В результате чего,штыри 29, установленные на нижней части 37 крышки 14 пружины 13, выйдут из отверстий 39 21969 гнезд 7 муфты 6, освобождая стержни 5 с крыльями 8 от фиксации (фиг. 41, 42, 43). После освобождения от фиксации стержни 5 с крыльями 8 повернуться на угол , равный 90, вокруг своей горизонтальной оси, под тяжестью крыльев 8, и лопатки 2 будут направлены ребрами на север, что приведет к моментальной остановке двигателя из-за тормозящего действия энергетической машины (не показана) (фиг.44). Для запуска двигателя вновь приводят ротор 1 в рабочее положение разворотом стержней 5 на угол, равный 90, в обратном направлении. При этом штыри 29 вновь занимают свое положение в совмещенных конусообразных отверстиях 40 и 39, выполненных в стержнях 5 и гнездах 7 муфты 6. Совмещают отверстия 23 для чеки на фланце 16 с крылышками 17 и отверстия 24, предназначенные Изобретение Ветряной двигатель по ближайшему аналогу Вращение лопаток ротора вокруг вертикальной оси Вращение лопаток ротора вокруг горизонталь ной оси для чек 21 и 22, выполненные в крышке 19 поворотного вала 3 и устанавливают чеки 21 и 22 в них вновь, далее работа двигателя повторяется аналогично. За счет регулирования длины стержней 5 ротора 1, которые выполняют функцию рычага, и площади лопаток 2 создается возможность регулирования чувствительности двигателя к любой скорости ветра и получения предельно максимальной мощности.(Двигатель начинает работать при минимальной скорости ветра 0,5 м/сек, предельная расчетная скорость ветра устанавливается опытным путем продувкой аэродинамической трубкой). Для сравнения предлагаемого ветряного двигателя с ближайшим аналогом приводим таблицу. Вращение поворотного вала Вращение вокруг вертикальной оси Вращение вокруг вертикальной оси Предохранительное устройство установленное над муфтой,в верхней части поворотного вала Как видно из таблицы, предлагаемый ветряной двигатель позволяет увеличить его мощность в два раза, так как крылья образованы из двух одинаковых лопаток, упростить конструкцию, обеспечить благодаря простому предохранительному устройству, защищающему двигатель и энергетическую машину от поломок, надежность и долговечность его работы. Таким образом предлагаемый ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси позволяет упростить конструкцию, повысить его надежность при применении и мощность двигателя. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ветряной двигатель с вращением вокруг вертикальной оси, содержащий ротор, включающий лопатки, способный вращаться под действием ветра вокруг своей оси, и поворотный вал, связанный с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором и приспособленный для передачи энергии, полученной этим ротором от ветра, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен предохранительным устройством, а ротор образован из ряда стержней, выполненных с возможностью разворота на угол, равный 90, вокруг своей горизонтальной оси, соединенных с поворот Мощность двигателя,100 ным валом через фланцы посредством муфты с гнездами, надетой на поворотный вал, на каждом из которых посредством оси закреплены лопатки, выполненные в форме дуг с возможностью вращения вокруг своей вертикальной оси, размещенные в противоположных направлениях относительно горизонтальной оси в вертикальной плоскости стержня,образующие крыло, а поворотный вал, нижний конец которого соединен с энергетической машиной,связан с ротором с возможностью приведения его во вращательное движение этим ротором вокруг вертикальной оси по или против часовой стрелки, предохранительное устройство образовано из последовательно установленных на поворотном вале пружины с крышкой, снабженной центральным отверстием, фланца с крылышками, снабженного центральным отверстием и выполненного с возможностью вращения против ветра, крышки вертикального вала и двух чек, вставленных в отверстия фланца и крышки поворотного вала, установленных с возможностью срыва при превышении скорости ветра выше расчетной для приведения в действие предохранительного устройства. 2. Ветряной двигатель по п.1, отличающийся тем, что гнезда муфты расположены крестообразно. 3. Ветряной двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждое гнездо муфты по бокам снабжено 5 21969 отверстиями с резьбой для фиксации болтами фланца стержня. 4. Ветряной двигатель по п.1, отличающийся тем, что фланец стержня имеет фигурные отверстия для его фиксации в гнезде муфты. 5. Ветряной двигатель по п.1, отличающийся тем, что в нижней части крышки пружины крестообразно закреплены штыри, имеющие конусообразную форму. 6. Ветряной двигатель по п.1, отличающийся тем, что штыри установлены острыми концами в совмещенных конусообразных отверстиях, выполненных в каждом стержне и в каждом гнезде муфты. 7. Ветряной двигатель по п.1, отличающийся тем, что поворотный вал образован из двух частей нижней, на которой выполнены канавки для установления шпонок, на которых закреплена и подвешена муфта и верхней части меньшего диаметра, на которой установлено предохранительное устройство. 8. Ветряной двигатель по п.1, отличающийся тем, что на верхней части крышки пружины выполнен поперечный вырез по ее диаметру для размещения крылышек фланца при превышении скорости ветра выше расчетной.