Ветродвигатель Втулкина – 2

КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ 180, в котором лопасть фиксируется в рабочем положении, а также тем, что на лопастях аэродинамического профиля установлены одноплечевые рычаги, которые с помощью тяг соединены с соответствующими рычагами, закрепленными шарнирно на осях, на торцах вертикального вала установлены ограничители вращения лопастей на махах, которые выполнены в виде угольника, стороны которого контактируют с рычагом лопасти во флюгерном или рабочем положениях лопасти. Важная особенность предложенного технического решения в ветродвигателе для ЛА в том, что механизм управления лопастями разделен с шарнирно закрепленными лопастями на махах ветроколс через рычаги, соединенные тягой, что исключает непосредственное воздействие реально возникающих динамических сил от махов с лопастями при вращении ветроколс на механизм управления лопастями,обеспечивая тем самым ему нормальную работу. Технический результат - повышение аэродинамического качества ЛА.(57) Изобретение относится к ветроэнергетике и авиации, в частности, к конструкции ветродвигателей, которые могут быть использованы в летательных аппаратах (ЛА). Предложен ветродвигатель с лопастями аэродинамического профиля, используемый в ЛА, в котором управление положением лопастей, шарнирно закреплнных на махах соосных ветроколс в плоскости их вращения, выполняется механизмом управления лопастями, состоящим из осей, направленных одинаково с махами и установленных на вертикальном валу на уровне плоскости копиров, которые установлены в торцах поворотной головки, на осях шарнирно закреплены и связаны между собой лежащие в одной плоскости одноплечевой рычаг и ползун, ползуны контактируют с копиром, который выполнен в виде части диска с угловым сектором 13583 Изобретение относится к ветроэнергетике и авиации, в частности, к конструкции ветродвигателей, которые могут быть использованы в летательных аппаратах (ЛА). Известен способ полета летательного аппарата(предварительный патент Казахстана 10310, кл. В 64 С 27/02, В 64 С 23/00, 2001), заключающийся в создании подъемной аэродинамической силы от набегающего потока воздуха и силы тяги, создаваемой тянущим винтом, приводимым во вращение силовой установкой, для создания подъемной аэродинамической силы применяют ветродвигатель,плоскостям вращения лопастей ветроколес которого придают положительный угол атакиотносительно набегающего потока воздуха, при этом лопасти соосных ветроколес вращают свободно набегающим потоком воздуха с одинаковой угловой скоростьюв противоположных направлениях - режим авторотации, или принудительно от силовой установки в том же направлении, что и при авторотации, причем лопасти ветродвигателя в рабочем положении выполняют функцию лопасть-тянущий винт, лопасти во флюгерном положении выполняют функцию лопасть-динамическое крыло. Известен способ полета летательного аппарата(предварительный патент Казахстана 10532, кл. В 64 С 23/00, 2001), заключающийся в создании подъемной аэродинамической силы от набегающего потока воздуха и силы тяги, создаваемой тянущим винтом, приводимым во вращение силовой установкой, для создания подъемной аэродинамической силы применяют ветродвигатели, плоскостям вращения лопастей ветроколес которых придают положительный угол атакиотносительно набегающего потока воздуха, при этом лопасти ветроколес вращают свободно набегающим потоком воздуха - режим авторотации, или принудительно от силовой установки в том же направлении, что и при авторотации, причем лопасти ветродвигателя в рабочем положении выполняют функцию лопасть-тянущий винт, лопасти во флюгерном положении выполняют функцию лопасть - динамическое крыло. Принцип работы ветродвигателей, используемый в вышеуказанных способах полета ЛА, должен обеспечивать ориентацию лопасти аэродинамического профиля в плоскости вращения ветроколес в определенном направлении, а именно в положении лопасть-динамическое крыло, передняя кромка аэродинамического профиля лопасти должна двигаться навстречу воздушному потоку, а в положении лопасть-тянущий винт, вперед нижней плоскостью аэродинамического профиля по направлению вращения ветроколес. Однако ветродвигателя, использующего лопасти аэродинамического профиля с таким принципом работы, нет. Известен ветродвигатель (патент Казахстана 8440, кл.037/02, 2001), содержащий поворотную головку с горизонтальным валом, закрепленный на ней перпендикулярно горизонтальному валу киль для ориентации на ветер и два соосных лопастных ветроколеса, установленных на горизонтальном валу и состоящих из махов и шарнирно 2 закрепленных на их концах лопастей, выполненных в виде пластин, снабжен ползунами и копирами так,что каждая лопасть снабжена двумя взаимоперпендикулярными ползунами, из которых дальний от вала расположен в плоскости лопасти, а копиры установлены на торцах поворотной головки, при этом ползуны контактируют с копирами, имеющими два окна в виде секторов, наружный сектор с углом 180 о - 2, а внутренний сектор с углом 180 о, гдеугол между положениями начала и конца разворота лопасти, причем угола/18 о 26 при длине маха 3 а, ширине и длине пластины лопасти 2 а. Однако принцип работы этого ветродвигателя и его использования в летательных аппаратах типа мускулолет (предварительный патент Казахстана 11007 от 25.12.2000, В 64 С 31/04. Мускулолет Втулкина. Опубликован в бюллетене Промышленная собственность Казахстана, 2001,12) и (предварительный патент Казахстана 11008 от 28.03.2001, В 64 С 31/04. Мускулолет Втулкина-2. Опубликован в бюллетене Промышленная собственность Казахстана, 2001,12) не обеспечивает возможность применения в нем лопастей определенного аэродинамического профиля, например,выпукло-вогнутого, что снижает аэродинамические качества этих летательных аппаратов. Задачей изобретения является ветродвигатель с лопастями аэродинамического профиля, используемый в ЛА. Это достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем поворотную головку с валом и два соосных лопастных ветроколеса, установленных на валу и состоящих из махов и шарнирно закрепленных на их концах лопастей, снабжен ползунами и копирами, копиры установлены на торцах поворотной головки, при этом ползуны контактируют с копирами,снабжен осями, установленными на вертикальном валу, на уровне плоскости копиров и направленными одинаково с махами, на осях шарнирно закреплены и связаны между собой лежащие в одной плоскости одноплечевой рычаг и ползун, ползуны контактируют с копиром, установленным на верхнем торце вертикально расположенной поворотной головки в плоскости копира, дальней от торца, а с копиром, установленным на нижнем торце поворотной головки, ползун контактирует в плоскости копира, ближней к торцу, копир выполнен в виде части диска с угловым сектором 180 о, в котором лопасть фиксируется в рабочем положении, лопасти аэродинамического профиля, на которых установлены одноплечевые рычаги, которые с помощью тяг соединены с соответствующими рычагами, закрепленными шарнирно на осях, на которых рычаги для лопастей в рабочем положении верхнего ветроколеса направлены в сторону вращения вала, а для лопастей в рабочем положении нижнего ветроколеса рычаги на осях направлены в противоположную сторону вращения вала, при этом рычаги на лопастях верхнего ветроколеса направлены в сторону задней кромки аэродинамического профиля лопасти, а рычаги на лопастях нижнего ветроколеса на 13583 правлены в сторону передней кромки, на торцах вала установлены ограничители вращения лопастей на махах, выполненные в виде угольника, стороны которого контактируют с рычагом лопасти во флюгерном или рабочем положениях лопасти, в торцах копира расположены угловые секторы величиной ,образующие область перехода лопасти из флюгерного положения в рабочее и наоборот, где- угол между положениями начала и конца разворота лопасти. Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 - ветродвигатель, вид со стороны набегающего воздушного потока на фиг. 2 - вид А сверху, механизм управления лопастями,копир на фиг. 3 - вид В сбоку, лопасти во флюгерном положении на фиг. 4 - вид С сбоку, лопасти в рабочем положении. Ветродвигатель содержит поворотную головку 1,на торцах которой установлены копиры 2, вертикальный вал 3, на котором установлены оси 4 на уровне плоскости копиров 2, а по торцам вертикального вала 3 ограничители 5 вращения лопастей,выполненных в виде угольников, и два соосных лопастных ветроколеса 6, состоящих из махов 7 и шарнирно закрепленных на их концах лопастей 8 аэродинамического профиля, на которых установлены одноплечевые рычаги 9, которые с помощью тяг 10 соединены с соответствующими одноплечевыми рычагами 11, которые шарнирно установлены на осях 4 и связаны между собой с ползунами 12,которые контактируют с копирами 2, горизонтальный вал 13 кинематически связан с вертикальным валом 3. Ветродвигатель работает следующим образом. Набегающий воздушный поток на ветродвигатель воздействует на шарнирно закрепленные на махах 7 лопасти 8, которые в зависимости от положения махов 7 ветроколес 6 в плоскости их вращения относительно направления набегающего воздушного потока находятся в рабочем либо во флюгерном положении. Причем набегающий воздушный поток на ветродвигатель, используемый в ЛА, может создаваться относительно лопастей 8 ветроколес 6 ветродвигателя при определенных условиях от естественного перемещения воздушного потока (ветер), от поступательного движения ветродвигателя вместе с ЛА в воздушной среде, от принудительного вращения лопастей ветроколес, а также от возможной совокупности этих условий. В дальнейшем описании изобретения под набегающим воздушным потоком на ветродвигатель будет пониматься воздушный поток, образованный от ветра и поступательного движения ветродвигателя. В других случаях это будет оговариваться дополнительно. Лопасти 8 на махах 7, расположенные в плоскости вращения ветроколес 6 в области проекции угла- 2 сектора копира 2 на эту плоскость, находятся в рабочем положении и воспринимают набегающий воздушный поток всей своей плоскостью, расположенной над верхними кромками аэродинамического профиля лопасти 8 (см. фиг. 4), а все другие лопасти 8 на махах 7 этих ветроколес 6 находятся во флюгерном положении и воспринимают набегающий воздушный поток как передней кромкой, так и нижней плоскостью аэродинамического профиля лопасти 8 (см. фиг. 3) из-за устанавливаемого в ЛА положительного угла атаки (на фиг. не показан) между плоскостью вращения ветроколес 6 и направлением набегающего воздушного потока, где- угол сектора между началом и концом копира 2, а- угол между положениями начала и конца разворота лопасти 8 ( см. фиг. 2). В результате разности сил лобового сопротивления на лопастях 8 ветроколес 6 на вертикальном валу 3 возникает вращающий момент, приводя во вращательное движение установленные на нем соосные ветроколеса 6 с определенной угловой скоростью , при этом скорость воздушного потока на передней кромке лопасти 8 во флюгерном положении при расположении ее маха 7 перпендикулярно набегающему воздушному потоку будет равна сумме линейной скорости вращения ветроколеса 6 и скорости набегающего воздушного потока. Лопасть 8 в рабочем положении на махе 7 ветроколес 6 через одноплечевые рычаги 9, 11, соединенные тягой 10,удерживается (фиксируется) ползуном 12, контактирующим с копиром 2. При вращении ветроколес 6 лопасть 8 на махе 7 находится в рабочем положении до того момента, когда удерживающий ее ползун 12,контактирующий с копиром 2 при своем движении по плоскости копира 2, займет положение своим задним торцом по направлению движения, не доходя до конца копира 2 на угол . И когда мах 7 с лопастью 8 в рабочем положении повернется на угол, ползун 12, фиксирующий лопасть 8 в рабочем положении на копире 2, сойдет с копира 2, обеспечивая лопасти 8 свободу вращательного движения на махе 7 в пределах, задаваемых ограничителем 5 вращения лопасти, который выполнен в виде угольника и установлен в торцах вертикального вала 3 для каждой лопасти 8. В зависимости от величины значений линейной скорости вращения ветроколеса 6 и скорости набегающего воздушного потока на ветродвигатель, положение лопасти 8 на махе 7,находящемся в плоскости вращения ветроколеса 6 в пределах сектора углана копире 2 и далее по направлению его вращения, лопасть 8 на махе 7 может продолжать находиться в рабочем положении либо выполнить разворот и перейти во флюгерное положение. Если значение линейной скорости вращения ветроколеса 6 больше скорости набегающего воздушного потока на ветродвигатель, что выполнимо только при принудительном вращении вертикального вала 3 от привода, кинематически связанного с ним горизонтального вала 13, то за счет образованного воздушного потока, набегающего навстречу вращательного движения маха 7 с лопастью 8 в рабочем положении, будет выполнен разворот лопасти 8 на махе 7 во флюгерном положении, при сходе ползуна 12 своим задним торцом по кривой копира 2 в области сектора угла . Удержание лопасти 8 на махе 7 во флюгерном положении в плоскости вращения ветроколеса 6 обеспечивается за счет одно 3 13583 плечевого рычага 9 этой лопасти, контактирующего с горизонтальной полкой ограничителя 5 вращения лопасти, которая находится в плоскости вращения ветроколеса 6. Однако, если линейная скорость вращения ветроколеса 6 меньше скорости набегающего воздушного потока на ветродвигатель, то лопасть 8 в рабочем положении на махе 7, находящегося в области сектора углана копире 2 и далее за ним по направлению вращения, будет продолжать находиться на махе 7 в рабочем положении за счет создаваемого момента силы на лопасти 8 относительно ее маха 7, возникающей от воздействия набегающего воздушного потока на асимметрично шарнирно закрепленную на махе 7 лопасть 8 (площадь от линии шарнирного крепления лопасти до задней кромки больше площади до передней кромки), при этом удержание лопасти 8 в рабочем положении на махе 7 выполняется одноплечевым рычагом 9 этой лопасти, контактирующего с вертикальной полкой ограничителя 5 вращения лопасти. Когда мах 7 с лопастью 8 в рабочем положении при вращении ветроколеса 6 займет положение за вертикальным валом 3 навстречу направлению набегающего воздушного потока на ветродвигатель, лопасть 8 развернется на махе 7 с рабочего положения во флюгерное и будет удерживаться в плоскости вращения ветроколеса 6 за счет рычага 9 этой лопасти, контактирующего с горизонтальной полкой ограничителя 5 вращения лопасти. При вращении ветроколес 6, когда мах 7 с лопастью 8 во флюгерном положении займет положение впереди вертикального вала 3 одинаковое с направлением набегающего воздушного потока на ветродвигатель, тогда, если линейная скорость вращения ветроколеса 6 меньше скорости набегающего воздушного потока, то лопасть 8 за счет асимметричного шарнирного крепления ее на махе 7 и набегающего воздушного потока выполнит разворот из флюгерного положения в рабочее и будет удерживаться в рабочем положении рычагом 9 этой лопасти, контактирующего с вертикальной полкой ограничителя 5 вращения лопасти, а соответствующий этой лопасти 8 на оси 4 ползун 12, через рычаги 9,11, соединенные тягой 10, займет горизонтальное положение, параллельное плоскости копира 2. При этом лопасть 8 в рабочем положении на махе 7 будет находиться при вращении ветроколеса 6 до того момента, когда мах 7 займет положение за вертикальным валом 3 навстречу направлению набегающего воздушного потока на ветродвигатель. И если линейная скорость вращения ветроколеса 6 больше скорости набегающего воздушного потока на ветродвигатель, то разворот лопасти 8 на махе 7 из флюгерного положения в рабочее выполнится в тот момент, когда шарнирно закрепленный на оси 4 ползун 12, соответствующий этой лопасти 8 при вращении вертикального вала 3, зайдет на копир 2. В результате чего через одноплечевые рычаги 9, 11,соединенные тягой 10, лопасть 8 вначале выполнит разворот на махе 7 за счет захода ползуна 12 на копир 2 в области сектора угла , а затем при после 4 дующем движении ползуна 12 в плоскости копира 2 зафиксируется в рабочем положении. На этом цикл движения маха 7 с лопастью 8 в плоскости вращения ветроколеса 6 завершится, при котором, если значение линейной скорости вращения ветроколеса 6 меньше скорости набегающего воздушного потока на ветродвигатель, то лопасть 8 на махе 7 будет находиться в рабочем положении с того момента, когда мах 7 займет положение впереди вертикального вала 3, одинаковое с направлением набегающего воздушного потока, и до того момента, когда мах 7 при вращении ветроколеса 6 займет положение уже за вертикальным валом 3 навстречу направлению воздушного потока. Когда значение линейной скорости вращения ветроколеса 6 больше скорости набегающего воздушного потока на ветродвигатель, тогда лопасть 8 в рабочем положении на махе 7 будет находиться только в пределах углового сектора копира 2. Представленная конструктивная схема ветродвигателя может применяться в конструкции ЛА, использующих способ полета ЛА, основанный на применении ветродвигателей. Однако, используя в предлагаемом ветродвигателе горизонтальное положение вала 3 с поворотной головкой 1 и установленный на ней киль для ориентации на ветер, а также лопасти 8, выполненные в виде пластин или с симметричным двояковыпуклым профилем, позволит применять его в области ветроэнергетики. Причем отсутствие в ветродвигателе копиров и ползунов для фиксирования лопастей на махе во флюгерном положении позволяет исключить потери механической энергии, повышая тем самым КПД ветродвигателя. Важная особенность предложенного технического решения в ветродвигателе для ЛА - в том, что механизм управления лопастями разделен с шарнирно закрепленными лопастями на махах ветроколес через рычаги, соединенные тягой, что исключает непосредственное воздействие реально возникающих динамических сил от махов с лопастями при вращении ветроколес на механизм управления лопастями, обеспечивая тем самым ему нормальную работу. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Ветродвигатель, содержащий поворотную головку с главным силовым валом, выходной вал, кинематически связанный с главным силовым валом, и два соосных, верхнее и нижнее, лопастных ветроколеса,установленных на главном силовом валу и состоящих из махов и шарнирно закрепленных на их концах лопастей, кроме того, ветродвигатель снабжен ползунами и копирами, копиры установлены на торцах поворотной головки, при этом ползуны контактируют с копирами, отличающийся тем, что поворотная головка и главный силовой вал соосных ветроколес установлены вертикально, лопасти имеют аэродинамический профиль, ветродвигатель снабжен осями, установленными на главном силовом валу над копирами, и направленными одинаково с 13583 махами, на осях шарнирно закреплены и связаны между собой лежащие в одной плоскости одноплечевой рычаг и ползун, копир выполнен в виде дуги с угловым сектором у-180 с возможностью фиксации лопасти в рабочем положении, на лопастях установлены одноплечевые рычаги, которые с помощью тяг соединены с соответствующими рычагами, закрепленными шарнирно на осях, на которых рычаги для лопастей в рабочем положении верхнего ветроколеса направлены в сторону вращения главного силового вала, а для лопастей в рабочем положении нижнего ветроколеса рычаги на осях направлены в про тивоположную сторону вращения главного силового вала, при этом рычаги на лопастях верхнего ветроколеса направлены в сторону задних кромок лопастей, а рычаги на лопастях нижнего ветроколеса направлены в сторону передних кромок, на торцах главного силового вала установлены ограничители вращения лопастей на махах, выполненные в виде угольников, стороны которых контактируют с рычагами лопастей во флюгерном или рабочем положениях лопастей, а выходной вал установлен горизонтально.