Роторный ветродвигатель или универсальный ветрогенератор

Автор: Тышкевич Е.В. * Патент RU 2494284

Роторный ветродвигатель предназначен для преобразования энергии ветра в механическую энергию вращательного движения. Он может быть использован для создания крутящего момента и передачи его исполнительным рабочим органам, а также в качестве ветрогенератора для выработки электроэнергии.

Энергия ветра, наряду с солнечной, относится к числу постоянно возобновляемых источников энергии. Перемещение масс воздуха возникает вследствие неравномерного нагрева солнечными лучами земной поверхности и нижних слоев атмосферы. Потенциальные ресурсы ветровой энергии составляют миллиарды киловатт. Ветер не нужно добывать и транспортировать к месту потребления, он непременно окажется там, где на его пути установлено ветроколесо. К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Эта особенность ветра чрезвычайно важна для труднодоступных районов, удалённых от источников энергоснабжения, а также потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах.

В настоящее время, из множества устройств, преобразующих энергию ветра в механическую работу, в большинстве случаев используются лопастные агрегаты, например, ветрогенераторы с горизонтальным валом, устанавливаемым по направлению движения воздушных масс. Устройства с вертикальным валом применяются реже, но перспективы их внедрения существенно расширяют возможности ветроприводов горизонтального исполнения.

Функциональная схема роторного ветродвигателя.

На рисунке представлена функциональная схема роторного ветродвигателя с вертикальной осью вращения рабочего органа. Вид А демонстрирует устройство без передних направляющих пластин 5, закрывающих обзор конструкции. На виде Б показано движение воздуха в каналах ветродвигателя и направление вращения ротора 4 при снятом верхнем диске 1.

Роторный ветродвигатель состоит из корпуса, образованного двумя дисками 1 и 6, скрепленными с внешней стороны равноотдаленными вертикальными направляющими пластинами 5, цилиндра 2, вала 3, пустотелого ротора 4 и пластин 7. На валу 3 посредством цилиндра 2 и аксиально-расположенных пластин 7 жестко закреплен пустотелый ротор 4, внутри которого параллельно оси вращения на одинаковом расстоянии друг от друга под определенным углом размещены лопасти 8. Пластины 7 образуют аксиальные воздушные каналы 9 одинакового сечения между цилиндром 2 и ротором 4. Вал 3 установлен внутри корпуса 1, 5, 6 в осевые отверстия дисков 1 и 6. Направляющие пластины 5 расположены тангенциально по отношению к конструкции ротора 4, при этом в зависимости от направления движения ветра они формируют входные или выходные каналы для прохождения воздушного потока. Между внутренней поверхностью дисков 1, 6 и поверхностью ротора 4 с обеих сторон конструктивно образованы дефлекторные воздушные каналы h, которые имеют расчетное значение. Ротор 4 свободно вращается внутри корпуса 1, 5, 6 между пластинами 5, при этом крутящий момент может сниматься с обеих сторон вала 3. Количество пластин 5 и 7 не регламентируется, их значение зависит от габаритных размеров устройства, максимальной скорости вращения ротора и максимального крутящего момента, передаваемого в нагрузку.

Описание работы роторного ветродвигателя.

На рисунке для простоты восприятия работы устройства показано восемь направляющих пластин 5 и четыре аксиальных пластины 7.

Роторный ветродвигатель устанавливается на открытой местности, хорошо обдуваемой атмосферным воздухом со всех сторон. Воздух под давлением ветра через входные каналы, образованные направляющими пластинами 5, поступает к пустотелому ротору 4 (вид Б). Проходя сквозь лопасти 8 ротора 4 он попадает в аксиальные воздушные каналы 9 и затем через дефлекторные h и выходные каналы выбрасывается наружу. В процессе прохождения воздуха через пустотелый ротор 4 он оказывает давление на лопасти 8, находящиеся под некоторым углом по отношению к направлению движения воздушного потока, в результате чего ротор 4 приобретает вращательное движение (на рисунке показано против часовой стрелки). Чем выше давление воздуха, тем больше скорость вращения ротора 4. Таким образом, кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию ветродвигателя.

Для эффективного отвода воздуха из аксиальных каналов 9 используются дефлекторные каналы h, в которых давление имеет отрицательное значение по отношению к давлению воздуха аксиальных каналов 9 в заданном диапазоне частот вращения ветродвигателя. Благодаря этому производительность устройства на малых скоростях вращения ротора 4 повышается как минимум на 12…15%. При больших скоростях вращения ротора 4, например, при штормовых порывах ветра, давление в дефлекторных каналах h возрастает до такой степени, что происходит пневматическое подтормаживание ротора 4. Данное обстоятельство особенно актуально для ветрогенератора, значительно повышает надежность и безопасность всей конструкции.

Максимальная скорость вращения ротора 4 определяется главным образом величиной дефлекторных каналов h, размерами лопастей 8 и диаметром цилиндра 2. Цилиндр 2 совместно с аксиальными пластинами 7 предотвращает прямое прохождение воздуха от входных каналов к выходным внутри роторного объема. Тангенциальное расположение пластин 5 оптимизирует угол атаки воздушного потока к лопастям 8 ротора 4.

Использование роторного ветродвигателя.

Ветродвигатель может использоваться в промышленности, в сельском хозяйстве или в быту в качестве привода вентиляционных систем, сушильных установок, водонапорных устройств, различных исполнительных механизмов, а также для получения электроэнергии в ветрогенераторах. Он работает как в горизонтальном, так и в вертикальном положении при любом направлении ветра относительно воздушных каналов.

Конструкция сохраняет работоспособность при понижении скорости движения атмосферного воздуха до 0,7…1,2 м/сек.

Производительность устройства в климатических условиях среднесуточного скоростного движения воздуха европейской зоны РФ по регионам, имеющего диаметр ротора 2,0…2,5м, совместно с электрогенератором может достигать 0,7…2,2кВт.

Максимальная мощность, передаваемая в нагрузку при прочих равных условиях, зависит от габаритных размеров ветродвигателя и находится в диапазоне от единиц до сотен киловатт.

Роторный ветродвигатель обладает простой конструкцией, высокой надежностью, универсальностью, энергонезависимостью и широким диапазоном использования.