ВЕТРОКОЛЕСО Российский патент 1994 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к ветровым двигателям парусного действия карусельного типа с вертикальным валом. Преимущественной областью использования является применение надежной ветровой турбины для работы в блоке с электрическим генератором постоянного или переменного тока, образуя экологически чистые стационарные или передвижные ветровые электростанции (ВЭС), для которых не требуется ориентации на ветер, сооружения высотных мачт, применения дополнительных устройств по ограничению мощности при усилении ветра выше допустимого режима работы генератора и т. п.

Эти ветровые турбины повышенной надежности и заданной (фиксированной) мощности могут найти применение для привода ветровых насосных и компрессорных станций, циркуляционных пил и пилорам, мельниц, маслобоен и т. п. с использованием экологически чистой ветровой энергии.

Известны различные ветродвигатели и ветроколеса как винтового, так и парусного действия.

Однако для ветродвигателей и ветроколес винтового действия требуется сооружение высотных мачт, дополнительных устройств по ориентации на ветер, кроме того, они имеют ограниченный диапазон от начала работы и др. Поэтому более предпочтительным является использование ветровых турбин (ветроколес) парусного действия карусельного типа с вертикальным валом, при использовании которых устраняются указанные недостатки. Турбины парусного действия сравнительно с винтовыми могут быть большей мощности.

Наиболее близким к предлагаемому является ветровая турбина парусного действия, содержащая полуцилиндрические лопасти и вертикальный вал.

Недостатками прототипа являются то, что в его конструкции не предусмотрена защита от ураганных и штормовых ветров и не предусмотрена автоматическая регуляция мощности на валу ветровой турбины в зависимости от скорости (мощности) ветра.

Целью изобретения является повышение надежности (предупреждение аварийности) и техники безопасности при ее обслуживании. Даже кратковременный поры ветра штормового или ураганного уровня может вызвать разрушение как самой парусной ветровой турбины, так и оборудования, работающего в блоке с ней (генераторов, компрессоров и т. п. ), которые также могут "пойти в разнос".

Усовершенствование прототипа исключает эти нежелательные возможные явления. Кроме того, возможно поддерживать автоматические на валу ветровой турбины постоянную мощность независимо от изменения мощности (скорости) ветра.

Настоящее изобретение представляет собой конструкцию, состоящую из неподвижной и вращающейся частей ротора с вертикальным валом. Вертикальный вал по концам установлен в подшипниках, укрепленных в неподвижной части ветровой турбины. На вертикальном валу ротора имеются радиально расположенные плечи. Каждое плечо содержит две горизонтально расположенные траверсы, жестко укрепленные на вертикальном валу в верхней и нижней частях, на которых выполнены криволинейные в форме полуцилиндра лопасти. За счет разности давлений на вогнутую и выпуклую поверхности лопастей в плечах на валу создается результирующий вращающий момент. Чтобы избежать разрушения как самой ветровой турбины, так и оборудования, работающего в блоке с ней, при возникновении штормовых и ураганных ветров и для стабилизации мощности на валу ветровой турбины, каждое плечо ротора разделено на равные секции, содержащие на стойках между горизонтальными траверсами секции, состоящие из нескольких горизонтальных осей между стойками, на которых шарнирно укреплены полуцилиндрические лопасти с возможностью поворота в сторону выпуклой части полуцилиндрической лопасти. Это конструктивное изменение позволяет "стравливать" избыточное давление на вогнутую поверхность лопасти, т. е. чем больше давление ветра или нагрузка на валу турбины, тем больше будет автоматическое "стравливание" избыточного давления, т. е. на больший угол будет приоткрываться каждая секция плеча.

Способ автоматического поддержания стабильной мощности на валу ветровой турбины вышеназванными конструктивными изменениями и есть "новизна" данного изобретения. С уменьшением силы ветра при той же нагрузке под действием собственного веса поворотной лопасти или дополнительных устройств эти секции вертикально-поворотных лопастей возвращаются в исходное положение, т. е. закрываются.

Каждая отдельная вертикально-поворотная секционная лопасть содержит направляющую рейку с размещением на ней подвижного регулировочного груза со стопорным устройством-фиксатором. Это позволяет регулировать и фиксировать центр тяжести отдельной (каждой) секционной парусной лопасти, т. е. позволяет регулировать в целом ветровую турбину на заданную мощность и фиксировать на эту заданную мощность.

На чертеже показана ветровая турбина фиксированной мощности, содержащая вертикальный вал 1 ротора, горизонтальные траверсы плеч 2-5, шарнир 6 секционной полуцилиндрической лопасти, горизонтальную ось 7, направляющую рейку 8, подвижный регулируемый груз 9, фиксатор 10 груза (стопор), подшипник 11 вертикального вала ротора, вертикальные стойки 12.

При возникновении ветрового потока давление на вогнутых поверхностях плеч (траверс) 2 и 3 намного больше, чем на плечах 4 и 5. Результирующий вращающий момент равен М_р = М_а - М_п, где М_а - момент активной пары плеч; М_п - противодействующий момент. Этот результирующий момент, как и в прототипе, используется для передачи на привод энергии ветра. При возникновении ураганного или штормового ветра в прототипе не предусмотрена защита от разрушения как самих парусных лопастей, так и оборудования, работающего в блоке с ветровой турбиной. Эта защита - повышение надежности - предусмотрена указанными конструктивными изменениями, работающими следующим образом.

При превышении ветрового давления выше заданной мощности или при отдельных резких порывах секции вертикально-поворотных лопастей приоткрывается, "стравливая" избыточное давление на них. В целом ветровая турбина продолжает работать не превышая скорости, т. е. не изменяя режим работы оборудования выше номинального значения, т. е. ветровая турбина такой конструкции имеет фиксированную (заданную) мощность.

Регулирование заданной мощности производится перемещением груза 9 по направляющей рейке 8. Изменяя центр тяжести поворотной лопасти и зафиксировав его фиксатором 10, подбираем необходимую мощность в ветровой турбине. Это устройство позволяет в широких пределах регулировать ветровую турбину на определенную заданную мощность, на любой ветровой режим. Турбина вне зависимости от скорости (мощности) ветра на валу автоматически поддерживает заданную зафиксированную мощность, т. е. оборудование, работающее в блоке с ней, работает в определенном заданном режиме. Это свойство и повышение надежности и являются целью данного изобретения.

Предлагаемая ветровая турбина фиксированной мощности - надежная, экологически чистая, простая в изготовлении, имеет практическое предназначение и может быть массово использована в любых климатических условиях с любыми энергопотребляющими механизмами (эл. генераторами, насосами, компрессорами, мельницами, циркульными пилами и т. п. ) с использованием экологически чистого вида энергии - ветровой, не затрачивая горючего, топлива и т. п. и не затрачивая средств на его доставку.

Экономия будет зависеть от массовости внедрения. (56) Патент США N 4037989, кл. F 03 D 3/06, опубл. 1977.

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветроколесо содержит полуцилиндрические лопасти, связанные с вертикальным валом верхними и нижними горизонтальными траверсами, между которыми расположены вертикальные стойки. Лопасти выполнены в виде нескольких секций, каждая из которых шарнирно установлена на вертикальной стойке, снабжена регулировочным грузом с фиксатором и направляющей рейкой, при этом груз установлен с возможностью перемещения по рейке. 1 ил.

ВЕТРОКОЛЕСО, содержащее полуцилиндрические лопасти, удаленные от вертикального вала и связанные с ним верхними и нижними горизонтальными траверсами, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и точности регулирования на заданную мощность, оно снабжено вертикальными стойками, размещенными между верхними и нижними траверсами, лопасти расположены на стойках при помощи шарнирно установленных горизонтальных осей и выполнены в виде нескольких секций, каждая из которых снабжена регулировочным грузом с фиксатором и направляющей рейкой, при этом груз установлен с возможностью перемещения по рейке.