ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1994 года по МПК F03D5/02 

Изобретение относится к ветровой энергетике и может быть использовано в устройствах, которые предназначены для обеспечения энергией различных потребителей.

Известны конструкции устройств [1,2], которые приняты в качестве прототипа по принципу работы и устройству отдельных узлов. Наиболее близким по принципу работы и по устройству является конвейерный ветродвигатель [2], который содержит шарнирно установленные на бесконечных силовых цепях транспортера парусные лопасти с растяжками, зубчатые колеса, закрепленные на ведущем и ведомом валах, стойки, размещенные на поворотной платформе для крепления валов, и круговой рельс для направления вращения платформы. Недостаток известной конструкции - сложность конструктивного решения и невысокий КПД.

Цель изобретения - повышение КПД установки и упрощение конструкции за счет особенностей принципа ее работы, схемного и конструктивного решения отдельных узлов.

Указанные цели достигаются тем, что парусные лопасти (закрылки) закреплены на транспортной ленте, перекинутой через три барабана, и образуют замкнутую цепь в виде треугольника. В нижней части цепи закрылки под действием собственного веса откидываются, устанавливаясь рабочей плоскостью (плоскостью сопротивления) перпендикулярно воздушному потоку, образуя из n-го количества закрылок суммарную площадь сопротивления. В верхней части цепи закрылки складываются на транспортную ленту, создавая минимальное сопротивление воздушному потоку. Вся эта система смонтирована в закрытом корпусе, имеющем воздухозаборный и выпускные люки, платформу, обеспечивающую крепление установки на неподвижном основании и его вращение вокруг вертикальной оси в зависимости от направления воздушного потока (ветра).

На чертеже показано ветровое энергетическое устройство, общий вид.

Ветровое энергетическое устройство монтируется в закрытом корпусе 1 и представляет собой замкнутую транспортную ленту (цепь) 2, перекинутую через три вращающиеся барабана 3, образующие три вершины треугольника. На транспортной ленте в опорах 4 закреплены закрылки 5, угол вращения которых в нижнем положении транспортной ленты определен перпендикулярным положением плоскости их сопротивления воздушному потоку. В верхнем положении транспортной ленты закрылки ложатся на ленту. Для обеспечения требуемого натяжения транспортной ленты 2 ось вращения одного из барабанов 3 (в данном случае - верхний правый) закреплен в корпусе 1 при помощи растяжек 6 и пружин 7. Корпус 1 установлен на платформе (основании) 8 и имеет свободу вращения вокруг горизонтальной оси О в опорах 9 на угол 2, а вокруг вертикальной оси 10 в опорах 11 на угол 360^о. Для ограничения угла αповорота корпуса вокруг горизонтальной оси в конструкции предусмотрены упорный погон 12, который закреплен на платформе 8, и кронштейн 13 с роликом 14, которые закреплены на корпусе 1. Требуемое положение воздухозаборника установки по отношению к воздушному потоку обеспечивается при помощи стабилизатора 15, выполненного, например, в виде киля летательного аппарата.

Принцип работы установки. В исходном состоянии установки под действием момента M = P˙ l ˙sin α P ˙l˙ α(1) при малых углах αкорпус установки через ролик 14 упирается в погон 12 и имеет свободу вращения вокруг вертикальной оси. В нижнем положении транспортной ленты 2 закрылки 5 опущены, а в верхнем положении - сложены. Под действием ветра за счет стабилизатора 15 корпус 1 устройства разворачивается таким образом, чтобы его заборное отверстие сечением S установилось против ветра. Проходя через более узкое входное отверстие корпуса, воздушный поток создает концентрированное давление на рабочие поверхности (плоскости сопротивления) n-го количества опущенных закрылок, определяемое выражением
F = n˙a˙b˙k˙v (2) где а - высота закрылок;
b - их ширина;
k - приведенный коэффициент сопротивления воздушному потоку;
v - скорость воздушного потока.

Давление (усилие) F раскладывается на две составляющие F₁ и F₂, при этом
F₁ = F˙ cos γ= F˙ cos(α_o-α);
F₂ = F˙ sin γ= F˙ sin(α_o-α), (3) где α_о - начальное значение угла α.

Усилие F₁ направлено вдоль нижней части транспортной ленты, заставляя последнюю перемещаться, преодолевая сопротивление вредных и полезных нагрузок. В результате движения транспортной ленты приводятся во вращение барабаны 3, оси вращения которых через редукторы или другие устройства соединены с потребителями, например электрогенератор, водяной насос и т.п.

Усилие F₂ создает вокруг оси О момент
M₂+F₂˙h˙sinγ = F₂h˙sin (α_o-α), (4) где h - удаление центра О₁ приложения приведенного давления на закрылки.

С учетом (3) и при малых значениях угловα_o иα можно записать:
M₂=Fhsin²(α_o-α) Fh(α_o-α)².

(5) При постоянной скорости ветра v в установившемся режиме работы установки моменты М и М₂ уравновешивают друг друга. С учетом выражений (1) и (5)
Pl˙ α= F˙ h˙ (α_o-α)², или
Fh˙ α² + (Pl + 2Fh˙ α_o ) ˙ α= Fh x α_o²(6)
Из приведенного выражения и выражения (5) видно, что уголα наклона нижней части транспортной ленты к воздушному потоку зависит от скорости v этого потока, а с учетом первого выражения системы (3) можно утверждать, что постоянство скорости вращения барабанов при изменении скорости воздушного потока v будет обеспечиваться автоматическим изменением угла α .

При малом значении v уголα будет мал и общая площадь сопротивления закрылок воздушному потоку будет больше. Следовательно, будет больше усилие F₁, скорость перемещения транспортной ленты и вращения барабана. При увеличении же скорости v возрастает угол α (уменьшается уголγ), уменьшается усилие F₁ и скорость вращения барабана.

Основной воздушный поток вместе с закрылками устремляется к выходному люку S₂, создавая подпорку для закрылок, заставляя их перемещаться вертикально и удерживая от зависания. Часть воздушного потока от заборного люка отводится через люк S₁, создавая тем самым в месте перехода закрылок в рабочее состояние некоторое разрежение, обеспечивая опрокидывание закрылок под действием собственного веса.

Использование: в ветровой энергетике. Сущность изобретения: ветроэнергетическое устройство содержит установленную на вращающихся барабанах замкнутую транспортную ленту с закрылками, закрепленными в корпусе, установленном с возможностью поворота относительно вертикальной и горизонтальной осей. Центр установки смещен ниже горизонтальной оси вращения корпуса, на котором для ограничения угла вращения закреплены кронштейн и ролик, упирающийся в кольцевой упор, закрепленный на неподвижной опоре. Транспортная лента устанавливается на двух барабанах разного диаметра. Диаметр заднего барабана больше переднего, а его ось вращения находится ниже оси вращения переднего барабана. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее закрылки, шарнирно установленные на бесконечной транспортной ленте, охватывающей барабаны, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД, оно снабжено установленным с возможностью поворота относительно горизонтальной и вертикальной осей корпусом с входным и выходным патрубками, каналом сброса, кронштейном с роликом, а опора - кольцевым упором, при этом барабаны с транспортной лентой и закрылками размещены в корпусе, ролик установлен на кронштейне с возможностью контактирования с упором, а центр масс расположен ниже горизонтальной оси корпуса. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что диаметр заднего барабана больше диаметра переднего барабана, а ось вращения последнего размещена выше оси вращения заднего барабана. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным барабаном, связанным с корпусом при помощи растяжек и пружины.