ТУРБИНА ВЕТРЯНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1994 года по МПК F03D3/00 F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для использования энергии ветра при выработке механической или электрической энергии.

Среди ветродвигателей с вертикальными осями наиболее перспективны турбины и роторы с активно-пассивными лопастями, так как они не нуждаются в системах ориентации на ветер, достаточно энергичны и способны выдавать большие энергомощности.

Известен ротор, который состоит из металлической оси, расположенной вертикально и закрепленной стационарно на основании. Вокруг оси, с расчетом на свободное вращение, равноудаленно установлены три рамы, которые имеют подвижные плоскости лопастей. Вращение лопастей в сторону центральной оси ограничивают рамы, а вращение их в противоположную сторону до 140^о относительно рам ограничивают приспособления. Каждая рама может содержать одну или несколько лопастей, образуя единое крыло. Работу ротора обеспечивает наличие ветра, который, с одной стороны, относительно центральной оси, прижимает лопасти к раме и тем самым, образуя активные крылья, принуждает их к вращению вокруг центральной оси. С противоположной стороны, относительно центральной оси, ветер отжимает лопасти от рам, располагая их параллельно своему направлению и этим образуя пассивные крылья, которые под действием активных возвращаются к активному положению. Периодически подменяя свои функции актива и пассива, крылья совершают непрерывное вращение вокруг центральной оси. Ограничение угла разворота лопастей до 140^о относительно рам позволяет устанавливать их в рабочее положение непосредственно ветру при смене его направления.

Недостатки известного ротора заключаются в невыявленной возможности увеличения мощности конструкции при том же ее объеме в пространстве.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что турбина ветряного двигателя, содержащая центральную ось со ступицей, несущей четыре вогнутых крыла, на которых шарнирно установлены вертикальные лопасти, согласно изобретению, имеет крылья, снабженные подвижными верхними и нижними подкрылками, средними неподвижными подкрылками-стабилизаторами, а плоскости ступицы выполняют роль отражателей потоков воздуха, причем конструкция активных крыльев максимально приближена к форме паруса.

На фиг. 1 изображена турбина, общий вид; на фиг. 2 - вид части активного крыла относительно оси справа; на фиг. 3 - вид части пассивного крыла; на фиг. 4 и 5 - схематический вид крыльев турбины сверху с различным положением лопастей.

Турбина состоит из центральной оси 1 в виде стальной трубы с опорными подшипниками (не показаны) в нижней и верхней части. Вокруг центральной оси равноудаленно по окружности и несколько смещенные по радиусу располагаются четыре крыла 2, состоящие из рам 3, закрепленных на ступице 4, которая насажена на подшипники центральной оси 1. Жесткость рам 3 по окружности обеспечивается связующими 5 крыльев 2 и перемычками 6 и 7. Лопасти 8, 9, 10 шарнирно закреплены на вертикалях рам 3, при этом ось лопасти 9 смещена по ширине на 1/10, образуя предкрылок 11 с целью фиксации в рабочем положении лопасти 10. Лопасть 8 фиксируется в рабочем положении опорной планкой 13, а лопасть 9 - вертикалью рамы 3. Средний подкрылок-стабилизатор 12 неподвижен. Верхние и нижние подкрылки состоят из четырех секторов А, В, С, D и являются подвижными благодаря шарнирному креплению на горизонталях рам 3. Секторы верхних подкрылков налегают один на другой (расположены "внахлестку") в следующем порядке: В на А и на С; С на D. Секторы нижних подкрылков расположены симметрично верхним. Опорные планки 14 удерживают подкрылки в горизонтальном положении при движении крыльев 2 вокруг оси 1 против ветра (нижние подкрылки могут поддерживаться в пассивном состоянии при том же движении крыльев возвратными пружинами). Ограничительные планки 15 фиксируют рабочее положение секторов подкрылков А, В, С, D. К перемычкам 6 и 7 крепятся ограничители 16 угла разворота лопастей 8 и 9. Внешние вертикали рам внизу опираются посредством колес-катков 17 на кольцевой рельс 18, установленный на опорах.

При вращении в сторону центральной оси 1 лопасть 10 налегает на предкрылок 11, лопасть 9 - на вертикаль рамы 3, а лопасть 8 - на опорную планку 13. При вращении в противоположную сторону лопасти 8 и 9 налегают на ограничители 16 угла разворота, а лопасть 10 свободно вращается вокруг внешней вертикали рамы 3. Ограничение угла разворота лопастей увеличивает активность крыльев до 270^о при вращении их вокруг центральной оси 1, что повышает КПД конструкции, а также позволяет устанавливать лопасти 8, 9, 10 в рабочее положение непосредственно ветру при смене его направления.

Работу турбины обеспечивает ветер, который с левой стороны относительно центральной оси 1 прижимает лопасти 8 к опорным планкам 13, лопасти 9 - к вертикалям рам 3, а лопасти 10 - к предкрылкам 11. При этом под давлением ветра секторы А, В, С, D, подвижных подкрылков поворачиваются на шарнирах до ограничительных планок 14, средний подкрылок 12 стабилизирует потоки воздуха, а плоскость ступицы 4 удерживает потоки воздуха первые 90^о движения вокруг оси на рабочей поверхности крыла 2. Под давлением ветра крылья поворачиваются на 180^о, а затем, под действием центробежной силы и встречных потоков воздуха, лопасти 8 и 9 поворачиваются на собственных шарнирах и, удерживаемые ограничителями угла разворота 16, вновь становятся активными еще 90^о вращения вокруг центральной оси. При этом освобожденные от опор подкрылков 11 лопасти 10 становятся в положение флюгера, а секторы А, В, С, D подвижных подкрылков возвращаются в исходное положение (горизонтальное). При отсутствии возвратных пружин, нижние подкрылки удерживаются в горизонтальном положении встречным потоком воздуха. На последней четверти оборота крыла вокруг центральной оси 1 лопасти 8 и 9 располагаются параллельно направлению ветра, т. е. находятся в пассивном состоянии, но благодаря активным крыльям вновь возвращаются к активному положению. Таким образом, крылья, сменяя свои функции актива и пассива, будут непрерывно вращаться вокруг центральной оси 1. В процессе работы турбины рамы крыльев внизу опираются на кольцевой рельс, установленный на опоры, через колеса-катки.

Подвижные подкрылки изменяют угол захвата потока воздуха, что существенно улучшает наполнение крыла-паруса. В отличие от традиционного, жесткий парус той же площади обладает большей мощностью ввиду его пониженной обтекаемости. Смещение крыльев по радиусу дает возможность использовать плоскости ступицы в качестве отражателей, способствующих удержанию потоков воздуха на рабочей поверхности крыла первые 90^о вращения вокруг центральной оси. Неподвижные подкрылки стабилизируют потоки воздуха на рабочей поверхности крыла, не позволяя им стекать выше или ниже середины крыла, что очень важно при неравномерном ветре. Все эти перечисленные факторы позволяют увеличить давление воздуха на рабочую поверхность крыла и разрежение на внешней его стороне, что в значительной мере повышает выдаваемую конструкцией мощность без увеличения ее объема в пространстве.

В нижней части ступицы может быть установлена шестерня или шкив для энергосъема.

(56) Заявка Франции N 2324896, кл. F 03 D 3/02, опубл. 1977.

Использование: ветроэнергетика. Сущность изобретения: турбина ветряного двигателя содержит центральную вертикальную ось 1 со ступицей 4 и закрепленные на ней вогнутые крылья 2 с шарнирно установленными на последних лопастях. Каждое из крыльев 2 снабжено горизонтальными подкрылками 12. Средний подкрылок жестко закреплен, а верхний и нижний выполнены в виде подвижных секторов, установленных внахлестку с рабочей поверхностью крыльев 2. 5 ил.

ТУРБИНА ВЕТРЯНОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащая центральную вертикальную ось со ступицей и закрепленные на ней вогнутые крылья с шарнирно установленными на последних вертикальными лопастями, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД, каждое из крыльев снабжено горизонтальными подкрылками, средний из которых жестко закреплен, а верхний и нижний выполнены в виде подвижных секторов, установленных внахлестку с рабочей поверхностью крыла.