ВЕТРОАГРЕГАТ С ПАРУСНО-ВИНТОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 1994 года по МПК F03D1/00 F03D1/02 F03D1/06 F03D7/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может найти широкое применение во всех регионах страны.

Ветроагрегат предназначен для установки как на ровных плоских поверхностях (земля, вода - на платформах, плотах или морских судах-катамаранах), так и на возвышенных поверхностях.

Известен ветроагрегат барабанного типа с продольными винтовыми лопастями, расположенный на поворотной платформе [1] .

Недостатки известной конструкции - малая удельная мощность, необходимость наличия флюгерной пластины, а также низкая надежность поворотной платформы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является ветроустановка, содержащая вал, на котором на односторонней опоре закреплено ветроколесо с коаксиально расположенными ярусами с лопастями между ними [2] .

Недостатки известной конструкции - стационарность, большая нагрузка на поворотную головку и башню-опору при попытке увеличения габаритов колеса - с увеличением парусности возрастает по экспоненте нагрузка на опору и опрокидывающий момент. Наличие односторонней опоры ограничивает размеры ветроколеса как по диаметру, так и по его вершине.

Данная конструкция требует дополнительных ориентирующих по ветру устройств (флюгеров и т. п. ). Кроме того, конструкция материалоемка, габаритная, сложна, а также низкотехнологична, а также немобильна и сложна в эксплуатации.

Цель изобретения - повышение мощности, прочности, мобильности, упрощение конструкции, технологичности и эксплуатации.

Указанная цель достигается тем, что ветроагрегат с парусно-винтовым двигателем, содержащий горизонтальный вал с опорами и коаксиально расположенными ободьями, на которых закреплены винтовые лопасти, генератор, кинематически связанный с валом, и токосъемник, снабжен основными радиальными спицами, на которых закреплены ободья, а между противоположными спицами закреплены под углом упоры-растяжки, а вал установлен между двумя устойчивыми к боковым нагрузкам опорами, закрепленными на поворотной платформе, удерживаемой с помощью якоря, закрепленного относительно центра поворота платформы и соединенного через поворотную втулку, на которой закреплены консоли, с платформой и с помощью растяжки-упора с верхней частью передней опоры, а лопасти по их длине ориентированы под углом к оси вала.

Кроме того, при увеличении диаметра колеса между основными радиальными спицами закреплены дополнительные радиальные спицы.

С целью повышения надежности работы при повышении ветровых нагрузок и увеличении количества ярусов с лопастями, задние основные радиальные спицы закреплены на подвижной вдоль оси вала и поворотной вокруг этой оси втулке, имеющей ограничительные винтовые прорези, в которых установлены направляющие штифты, закрепленные на валу, при этом упоры и растяжки установлены под углом к оси вала, равным углу установки лопастей.
На фиг. 1 представлена схема ветроагрегата, вид сбоку; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - профили лопастей; на фиг. 4 - узел снижения ветровой нагрузки, продольное сечение; на фиг. 5 - вид по стрелке Б на фиг. 4 (выполнение винтовых пазов на подвижной поворотной втулке); на фиг. 6 - расположение и ориентация лопастей и упоров-растяжек и изменение угла атаки лопастей и угла наклона упоров-растяжек при ветровой нагрузке выше допустимой; на фиг. 7 - вид сверху на платформу и колесные опоры; на фиг. 8 - вид спереди на лопасти; на фиг. 9 - сечение В-В на фиг. 8; на фиг. 10 - вид сверху на тягу синхронного поворота и пружину управления; на фиг. 11 - вид спереди на ветровое колесо; на фиг. 12 - то же, вид сверху.

Ветроагрегат содержит вал 1 с радиальными основными спицами 2, на которых закреплены коаксиальные ободья 3 (в данном примере выполнения использовано три обода), соединенные наклонными к оси вала 1 упорами 4 и растяжками 5.

На ободьях 3 и спицах 2 закреплены лопасти 6, которые по длине ориентированы под углом к оси вала 1. Упоры 4 и растяжки 5 ориентированы под тем же углом, что и лопасти 6.

Лопасти 6 имеют первоначально прямоугольную форму с последующим профилированием и различное сечение (фиг. 3), а ободья меньшего диаметра имеют по длине закрутку на некоторый угол.

При увеличении числа ярусов и количества ободьев 3 устанавливают промежуточные спицы 7 между основными спицами 2, которые в этом случае увеличивают по длине с целью увеличения пространственной прочности ветроколеса.

Вал 1 расположен на подшипниковых опорах 8 и установлен на двух устойчивых к боковым нагрузкам опорах 9 и 10, соответственно передней и задней, например, треугольной формы, закрепленных на поворотной платформе 11, которая может иметь различные опоры, например колеса 12.

Платформа 11 удерживается якорем 13, выполненным для облегчения его заглубления и упрочнения фиксации в грунте фиксируемым в центре оси вращения платформы 11 и соединенным через шарнирную втулку 14 с консолями 15 с платформой и по меньшей мере одной растяжкой-упором 16 с верхней частью передней опоры 9 вала 1. На валу 1 установлен шкив 17, связанный кинематически например ременной трансмиссией 18, со шкивом 19 генератора 20, вырабатывающего электрический ток, который через токосъемник (щеточный узел) 21, смонтированный на якоре 13, передается потребителю.

Для предотвращения ветровых перегрузок спицы 2 со стороны задней опоры 10 закреплены на подвижной вдоль вала 1 и поворотной вокруг его оси втулке 22, имеющей ограничительные винтовые пазы 23, в которых расположены штифты 24, закрепленные на валу 1.

Втулка 22 установлена на пружинах растяжения 25, зафиксированных относительно вала 1 или спиц 2. Между торцом втулки 22 и опорой 8 со стороны задней опоры 10 выполняется промежуток-рабочий зазор Х на длину развертки винтового паза 23.

Каждая из лопастей 6 в зависимости от длины разделена на несколько частей, в данном примере выполнения - на две части (жалюзи) 6₁ и 6₂.

На поперечинах 26 установлены рамки 27, на которых на осях 28 жестко закреплена каждая из частей лопасти 6, причем так, что часть - делится на два неравных по длине участка, один длиной L₁, а другой длиной L₂.

На осях 28 также закреплены рычаги поворота 29, с одним из которых соединена пружина 30 управления ветровой нагрузкой. Рычаги 29 соединены между собой тягой 31 синхронного поворота.

Ветроагрегат работает следующим образом.

Предварительно выбирают место для его установки, желательно плоское или возвышенное место и достаточно твердое основание - окружность для перемещения тележки - платформы 11. Фиксируют якорь 13 и производят все необходимые электрические соединения.

Под воздействием ветра колесо начинает вращаться и одновременно ориентироваться на ветер. Этому способствует устойчивое смещенное положение центра тяжести колеса относительно точки опоры оси якоря 13. При совпадении направления ветра с осью вала 1 имеет место наибольшая производительность ветродвигателя.

При увеличении скорости ветра нагрузка на ветроколесо увеличивается, однако это не влияет на прочность установки, поскольку система консоли 15 и растяжка 16 работают на растяжение, а на опоры 9 и 10 приходится нагрузка практически от веса ветроколеса. Это обстоятельство позволяет существенно облегчить конструкцию, не применяя тяжелой и громоздкой башни - основы, что традиционно используется в известных конструкциях.

Если ветровая нагрузка все же превышает предельное значение, влияющее на допустимую прочность колеса, то под воздействием ветра подвижная задняя часть ветроколеса начинает относительно неподвижной передней части одновременно поворачиваться и смещаться, соответственно вокруг и вдоль оси вала 1, преодолевая сопротивление пружин 25, за счет направленного движения втулки 22, на которой и смонтирована вся задняя часть колеса, с пазами 23 по штифтам 24.

Вместе с задней частью начинают pазвоpот лопасти 6, упоры 4 и растяжки 5, и в результате этого уменьшается угол атаки лопастей 6 преимущественно больших диаметров, на ярусы которых приходится наибольшая нагрузка.

При ветре со скоростью, превышающей допустимую, в результате воздействия ветрового потока на части 6₁ и 6₂ лопасти происходит их синхронный поворот и пропуск потока мимо частей 6₁ и 6₂.

При большом удалении коаксиальных ярусов n= 36, 42, 48. . . с лопастями 6 от центра вращения ветроколеса достигается значительная парусность, а значит и мощность.

При большом удалении коаксиальных ярусов целесообразна установка генератора 20 на оси 1 ветроколеса с дополнительным щеточным узлом 32.

При уменьшении угла ветровой атаки лопастей 6 количество их на ярусах можно увеличивать или устанавливать лопасти 6 большой длины. Ветровое колесо можно изготовить большой шириной и пространственной прочности.

Ветроагрегат не требует дефицитных материалов в большом количестве, а также сложного оборудования для его изготовления и установки. Надежность работы и долговечность делают данный ветроагрегат перспективным для использования в экологически чистой и беззатратной, с точки зрения топливных ресурсов, энергетике.

(56) 1. Патент США N 4086026, кл. F 03 D 1/06, опублик. 1978.

2. Заявка ФРГ N 2909781, кл. F 03 D 1/06, опублик. 1980.

Использование: ветроэнергетика. Сущность изобретения: ветроагрегат с парусно-винтовым двигателем снабжен закрепленными на втулке 22 горизонтального вала 1 основными радиальными спицами 2, размещенными в два ряда, между которыми размещены ободья 3 с закрепленными на них винтовыми лопастями 6, консолями 15, связывающими шарнирную втулку 14 с поворотной платформой 11, на которой размещен ветроагрегат, и растяжкой-упором 16, соединенной с верхней частью передней опоры 9 вала 1. Ободья 3 соединены с противоположно расположенными радиальными спицами упорами 4 и растяжками 5. Горизонтальный вал 1 установлен на двух опорах 9, 10. Поворотная платформа 11 снабжена якорем 13. Предусмотрена установка дополнительных радиальных спиц , расположенных между основными радиальными спицами 2. Задние основные радиальные спицы 2 закреплены на подвижной вдоль оси вала 1 втулке 22, имеющей ограничительные винтовые прорези 23, в которых установлены направляющие штифты, закрепленные на валу 1. 2 з. п. ф-лы, 12 ил.

1. ВЕТРОАГРЕГАТ С ПАРУСНО-ВИНТОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ, содержащий установленный на поворотной платформе горизонтальный вал с втулкой и с коаксиально расположенными ободьями, на которых закреплены винтовые лопасти, генератор, кинематически связанный с валом, и токосъемник, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и увеличения мощности, он снабжен закрепленными на втулке в два ряда основными радиальными спицами, между которыми установлены ободья, соединенные с противоположно расположенными спицами упорами-растяжками, вал установлен между двумя опорами, размещенными на поворотной платформе, удерживаемой с помощью якоря, закрепленного относительно центра поворота платформы и соединенного через шарнирный узел, консолями, связывающими шарнирный узел с платформой, и растяжкой-упором, соединенной с верхней частью передней опоры, причем лопасти по их длине ориентированы под углом к оси вала. 2. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что между основными радиальными спицами установлены дополнительные радиальные спицы. 3. Ветроагрегат по п. 1, отличающийся тем, что задние основные радиальные спицы укреплены на подвижной вдоль оси вала и поворотной вокруг этой оси втулкой, имеющей ограничительные винтовые прорези, в которых установлены направляющие штифты, закрепленные на валу, при этом упоры и растяжки установлены под углом к оси вала, равным углу установки лопастей.