КАРУСЕЛЬНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к ветродвигателям, работающим при любой скорости ветра, включая ураганный.

Целью изобретения является повышение КПД и надежности в работе при любой скорости ветра, включая ураганный.

На фиг. 1 изображен предлагаемый ветродвигатель, вертикальный разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3а - горизонтальный вал с лопастями и другими деталями; на фиг. 3в - водило; на фиг. 4 - кулиса; на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 1.

Карусельный ветродвигатель содержит полый вертикальный вращающийся вал 1 с диаметром d, оканчивающийся шипом 2, общей высотой H + Н₁ с взаимоперпендикулярными ступенчатыми отверстиями 3, выполненными на двух уровнях с высотой h (фиг. 1 и 3) и взаимодействующими с взаимоперпендикулярными горизонтальными валами 4. Один конец последних оканчивается шипом 5 и резьбой, а другой конец - таким же шипом 5, затем шлицами и резьбой. В противоположной стороне отверстий 3 выполняются окна 6 (фиг. 1 и 3), закрывающиеся через регулировочные прокладки крышками 7, закрепленными болтами (осевые линии). На крышках 7 выполнены отверстия, взаимодействующие с валами 4. Для предотвращения осевого перемещения вала 4 на него насаживается втулка 8, закрепленная на валу 4 болтом (осевая линия). Торцы втулки 8 взаимодействуют с внутренней стенкой вала 1 и внутренней стенкой крышки 7. Если диаметр вала 1 позволяет пройти человеку, то окно 6 на валу 1 не выполняется, так как втулку 8 на вал 4 насаживает человек, находясь внутри вала 1. Валы 4 выполняются с двумя взаимоперпендикулярными щелями 9, в которые насаживаются лопасти 10, крепящиеся болтами (осевые линии). Шипы 5 валов 4 насаживаются в отверстия, выполненные на стойках 11 и их левые концы через шайбы крепятся гайками (фиг. 1-3). На шлицы (правые концы валов 4) через шайбы насаживаются водила 12 (фиг. 1-3) и через шайбы крепятся гайками. На гладкое отверстие водила 12 насаживается палец 13 и через шайбу крепится гайкой (не показана), а на другой конец пальца 13 насаживается подшипник 14, взаимодействующий с кулисой 15 П-образного сечения, закрепленный на ветронаправляющие стойки 16. Для того, чтобы подшипник 14, насаженный на палец 13, точно двигался по кривой дорожке (фиг. 4), т. е. по кулисе 15, ее сечение выполняется обязательно П-образным. Вертикальные стойки 11 крепятся (осевая линия) на торцы радиальных балок 17, внутренние концы которых крепятся на кольцо 18, закрепленное сваркой (болтами) на вал 1. Верхние концы вертикальных стоек 11 крепятся на наружные торцы верхних радиальных балок 19 (осевая линия), а их внутренние концы крепятся на кольцо 20 (осевые линии), надетое на шип 2 и закрепленное болтами (осевые линии). С целью повышения жесткости наружные концы радиальных балок 17 соединяются дугами 21, образующими кольцо. Нижние концы вертикальных ветронаправляющих стоек 16 крепятся (осевые линии) на торцы радиальных балок 22, внутренние концы которых крепятся (осевые линии) на кольцо 23 (фиг. 1), взаимодействующее через ролики (не показаны) с валом 1 и кольцом 18. Радиальные балки 22 соединяются такими же дугами, как дуги 21, образующими кольцо, взаимодействующее через ролики со сплошным кольцом 24, закрепленным на крышке. Верхние концы ветронаправляющих стояков 16 крепятся на торцы радиальных балок 25, крепящихся на кольцо 26, взаимодействующие через подшипник (не показан) с шипом 2 и через ролики с кольцом 20. Радиальные балки 19 и 25 соединяются дугами как дуги 21 (фиг. 5).

Направляющий хвост 27 (фиг. 2) крепится на ветронаправляющую стойку 16 и с целью горизонтального направления ветра на радиальные балки 25 крепится кровля 28.

Если высота ветродвигателя (Н + Н₁) более 50 м, устанавливается крестовина 29, взаимодействующая через ролики с кольцом 26, и на нее крепится заглушка 30. Крестовина натягивается тросами 31.

Для повышения мощности ветродвигателя к ветронаправляющим стойкам 16 крепится вертикальный щит 32 с длиной В и под углом β = 15^о и вертикальный щит 33 под углом β = 45^о и длиной С. Расстояние между торцами щитов 32 и 32 составляет e. Продолжением щита 32 является дуговой щит 34, закрепленный на ветронаправляющие стойки 16, занимающий сектор с углом охвата α = 90^о, дуговой щит 35 с углом охвата α₁ = 50^о. Между вертикальными щитами 32 и 33 образуется диффузор 36 (e = 2R).

Для передачи крутящего момента на вал 1 крепятся шкив 37, шестерня 38, к которым присоединяются потребители энергии: электрогенератор 39, компрессор 40, установленные в помещении, содержащем фундамент 41 со стенами и закрывающимся потолком 42, где установлено кольцо 24. В отверстие потолка 42 установлен подшипник 43, а на фундамент - подшипник 44, взаимодействующие с валом 1.

Для поворота цилиндрической ветронаправляющей рамы, состоящей из вертикальных стоек 16, на которые закреплены дуговые щиты 34 и 35 и вертикальные щиты 32 и 33, направленные против (вдоль) ветра, служит хвост 27. Для ликвидации массивного металлоемкого хвоста 27 выполняют флюгер, точно определяющий направление ветра. Автоматически выполняет функции хвоста 27 электромотор 45, выполненный с червяком 46, взаимодействующий с червячным колесом 47, закрепленным на нижние ребра радиальные балок 22.

Веpхние концы вертикальных ветронаправляющих стоек 16, закреплены на радиальных балках 25, внутренние концы которых закреплены на кольце 26, взаимодействующем через ролики с кольцом 20. Нижние концы ветронаправляющих стоек 16 закреплены на наружные торцы радиальных балок 22, а внутренние концы закреплены на кольцо 23, взаимодействующее с валом 1 и через ролики с кольцом 18. Кольцо, образованное дугами, закрепленными на радиальные балки 22, взаимодействует через ролики с кольцом 24, закрепленным на потолке 42, предотвращающем раскачивание вала 1 в вертикальном направлении. Благодаря хвосту 27 ветродвигатель всегда находится в рабочем состоянии, т. е. диффузор 36 всегда направлен против ветра.

Если установлен флюгер, соединенный автоматом, то направление диффузора 36 против ветра выполняется электромотором 45, выполненным с червяком 45, взаимодействующим с червячным колесом 47, закрепленным на радиальные балки 22.

Поток ветра (стрелки), движущийся ниже кровли 28, входящие в диффузор 36 с шириной e (e = 2R), обрушивается на правую лопасть 10, закрепленную на щели 9 вала 4, шипы 5 которого взаимодействуют с отверстиями, выполненными на стойках 11, закрепленных на радиальных балках 17, закрепленных дугами 21 на кольцо 18, закрепленное на вал 1, вращающийся по часовой стрелке ω . Ветер, ударяясь о щит 33, находящийся под углом β₁, рикошетом ударяется о лопасть 10, находящуюся параллельно к ветру, вращает вал 1 по часовой стрелке, часть ветра движется между дуговым щитом 35 и верхней лопастью 10. Ввиду того, что щит 32 - под меньшим углом β(β<β₁), ветер, ударяясь с незначительным рикошетом, увеличивает скорость (закон Бернулли) и двигается к правой лопасти 10, длина лопасти 10 - R = e: 2. Следовательно, скорость v ветра увеличится в 2 раза. При скорости ветра v = 8 м/с, при массе проходящего за 1 с 10 т энергия ветра составит E = = = 320 т. При скорости (8˙ 2 = 16 м/с) энергия ветра составит Е = = 1280 т. По мере вращения правой лопасти 10 масса ветра оказывается между двумя лопастями и дуговым щитом 34, создающим крутящий момент на валу 1, до тех пор, пока лопасть 10 не пройдет нижнего торца дугового щита 32. Kогда лопаcть 10 пройдет ветровую тень, создаваемую валом 1 (линия Оe, образующая угол α₃), вал 4, на торце которого закреплено шлицами водило 12, а на другом конце крепится палец 13 с подшипником 14, взаимодействующим с кулисой 15, проходя по ее наклонной части, начнет поворачивать лопасть 10 (пунктиры в наклонной части кулисы, фиг. 4) в горизонтальное положение (левая часть от вала 1), до тех пор пока она не станет в горизонтальное положение (параллельно к листу) к движению ветра. Благодаря взаимодействию торцов втулки 8 с внутренней поверхностью вала 1 и крышки 7, закрывающей окно 6, вал 4, взаимодействующий с отверстием 3, не может перемещаться осевом направлении.

На левой стороне (фиг. 1 и 2) от вала 1 лопасть 10 двигается параллельно к движению ветра до тех пор, пока вал 4 не дойдет (около 10^о) до линии ОС, лопасть 10 принимает вертикальное положение к листу и ветер от щита 33 рикошетом начинает двигать лопасть по часовой стрелке. Цикл повторяется. Таким образом, рабочий ход лопасти 10 длится около α₂= 220^о (фиг. 2).

С целью предотвращения вала 1 от вертикальной качки, когда Н₁ + Н = 50 м и более, ветродвигатель выполняется с крестовиной 29, закрытой фланцем 30, натянутой тросами 31, взаимодействующей через подшипник с шипом 2 и через ролики с кольцом 26.

От вала 1 крутящий момент передается шкиву 37, шестерне 38, электрогенератору 39, компрессору 40 и другим потребителям энергии, установленным в помещении, содержащем фундамент 41, стен, потолок 42, в отверстие которого установлен подшипник 43 и подшипник 44, установленный в фундаменте 41. Подшипники взаимодействуют с валом 1.

Удобно, безопасно через шкив и шестерню снимать мощность и подключать любого потребителя. Мощность можно снять от известных крыльчатых ветряков.

КПД использования энергии ветра известных карусельных и барабанных ветродвигателей, выполненных с ширмами, составляют около 10% . Лопасти ветродвигателя системы Савониуса, выполненные выпуклыми и вогнутыми поверхностями, находятся перпендикулярно к движению ветра, поэтому по выпуклой поверхности ветер скользит и действует на изогнутую поверхность. Рабочий ход составляет 180^о поворота вала. Но несмотря на это КПД составляет 0,23.

КПД использования энергии ветра современными быстроходными крыльчатками (винтовыми) ветродвигателями составляет около 40% (0,4), и они трогаются при скорости ветра 4-6 м/с. У предложенного ветродвигателя одна половина лопасти (от оси вала 1) находится перпендикулярно к направлению ветра, а другая половина лопасти - горизонтально. Благодаря диффузору скорость ветра увеличивается в 2 раза, а рабочий ход равен 220^о поворота вала, что позволяет резко повысить КПД использования ветра, он составит более 0,9. Для расчета КПД примем η_исп.в. = 0,5.

Номинальная мощность всех типов ветродвигателей рассчитывается при скорости ветра около 8 м/с.

Коэффициент завихрения ветра примем 0,95, механический КПД (вал 1 вращается на подшипниках качения) η_м = 0,92-0,98. Общее КПД η_общ = 0,95 (0,92 + 0,98): 2 = 0,9. Скорость ветра 8 м/с, высота Н = 100 м, диаметр вала 1 d = 4 м с учетом диаметра d радиус R = 10 м.

При скорости ветра v = 8 м/с на один кв. метр лопасти давление Р ветра составит 110 кгс/м². При указанных параметрах частота вращения вала 1 без нагрузки составит n = 60_c/πA (об. /мин), n = (8·60)/(3,14·20) = 8 об. /мин.

С учетом повышения скорости ветра в районе лопасти 10 в 2 раза частота вращения вала 1 составит 16 об. /мин, но под нагрузкой вал 1 вращает n = 8 об. /мин. Общее давление ветра на одну половину лопасти 10 составит Р_общ = 100х10х110 = 110000 кг. Сила приложения давления R: 2.

Определим крутящий момент M_кр= P_общ· = 110000 = 550000 (кг·м) = 550000 (кг ˙ м). Мощность N = ·η_общ·η_исп.в.= 0,9·0,5 = 2031 кВТ, где 975 - переводной коэффициент на кВт.

При скорости ветра 16 м/с давление Р на один кв. метр составит около 140 кг, скорость вращения вала 1 под нагрузкой составит 16 об. /мин.

М_кр = 140х100х10х5 = 700000 кгм, N = (700000·16)/975 0,95 ˙ 0,5 = 5482 кВт.

Следует напомнить, что энергия ветра пропорционально кубу его скорости. При повышении скорости ветра в 2 раза, энергия возрастает (16/8)³ = 8 раз, следовательно, мощность тоже должна возрастать - 2031х8 = = 16248 кВт. Подсчитывая заниженными цифрами, получили 5482 кВт.

На острове Новая Земля скорость ветра (Новоземельская бора) достигает 50 м/с. При скорости ветра давление Р на один кв. метр составит более Р = 400 кгс/м², М_кр = 400х100х10х5 = 2000000 кг, N = (2000000·85)/(975·0,9·0,5) = 78000 кВт.

На Новой Земле среднюю скорость ветра примем 10 м/с, тогда n = 10 об. /м, давление Р = 120 кгс/м². Получим М_кр = 120х100х10х5 = 600000 кгм, N = (6000000·10)/975х0,9х0,5 = 2700 кВт. В течение года (за 360 дней) он выработает энергию - Е = 2700х24х360 = 23328000 кВт.

Для выработки 2 трлн кВт электроэнергии (в СССР вырабатывается около 2 трлн кВт) необходимо построить 2000000000000: 23328000 = 86000 шт ветроэлектростанций. При стоимости одной станции 100 тыс. руб. со всем оборудованием, то для строительства всех потребуется 8,6 млрд. руб. - это стоимость двух АЭС.

Предложенные ветродвигатели вырабатывают водород для всего вида транспорта, а кислород для промышленности.

Ветры дуют везде, даже в районе Крылатском (г. Москва, на метеостанции Крылатское (на берегу гребного канала), средняя скорость ветра за 1987 год составила 7,5 м/с, 1988 г. - 7 м/с, 1989 г. - 7,2 м/с.

На вершине Хадум-горы, где функционирует Чиркейская ГЭС, Дагестанская АССР, ветры дуют также, как на Новой Земле.

Объем Q предложенного ветродвигателя составит Q = π R²H = 3,14х10²х100 = 30000 м³ - это половина объема только одного железнодорожного тупика ТЭС, мощностью 1,2 млн. кВт, которая содержит девять крупных объектов, начиная от главного здания ТЭС, кончая подземным бункером топлива, глубоко нарушающая экологию. (56) Фатеев Е. Ф. Ветродвигатели и ветроустановки. М. : Сельхозгиз, 1957.

Заявка Франции N 2288878, кл. F 03 D 3/00, опубл. 1976.

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит вертикальный полый вал, установленные на нем горизонтальные поворотные валы с лопастями, ветронаправляющее устройство, вертикальные стойки, каркас, выполненный в виде связанных между собой дугами радиальных траверс, соединенных с вертикальными стойками, укрепленные на стойках кулисы с П-образным сечением, водило с пальцем, подшипником и отверстиями, одно из которых выполнено шлицевым. Горизонтальные валы связаны со стойками с одной стороны при помощи резьбового соединения, а с другой шлицевым соединением и связаны с водилом, соединенным через палец и подшипник с кулисой. Ветронаправляющее устройство укреплено на стойках. 5 ил.

КАРУСЕЛЬНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий вертикальный полый вал, установленные на нем горизонтальные поворотные валы с лопастями, ветронаправляющее устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности, он снабжен вертикальными стойками, каркасом, выполненным в виде связанных между собой дугами радиальных траверс, соединенных с вертикальными стойками, укрепленными на стойках кулисами с П-образным сечением, водилом с пальцем, подшипником и отверстиями, одно из которых выполнено шлицевым, горизонтальные валы связаны со стойками с одной стороны при помощи резьбового соединения, а с другой - шлицевым соединением и связаны с водилом, соединенным через палец и подшипник с кулисой, а ветронаправляющее устройство укреплено на стойках.