АВТОМАТИЧЕСКИ ФОРСИРОВАННАЯ ВЕТРОВАЯ ТУРБИНА Российский патент 1997 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к ветровым двигателям /ветровым турбинам, ветроколесам/ парусного действия карусельного типа. Единичная установленная мощность настоящей ветровой турбины может достигать 1000 и более кВт при высокой ее надежности в эксплуатации и высоком КПД использования ветровой энергии.

Основное предназначение для крупных и средних по мощности ветровых электростанций /ВЭС/ стационарного исполнения, но может быть использована и для менее мощных ВЭС. Кроме того, настоящая ветровая турбина может быть использована и для других целей для привода ветровых насосных или компрессорных станций, ветровых мельниц и маслобоен, ветровых зерноочистительных агрегатов, пилорам и циркульных пил и т.п. используя при этом экологически чистый вид энергии ветровую энергию, не затрачивая материальные и трудовые ресурсы на добычу, переработку, транспортировку жидкого или твердого топлива и не загрязняя окружающую среду вредными выбросами.

Простая в изготовлении, достаточно мощная с небольшой металлоемкостью, с высоким КПД и надежная в эксплуатации настоящая ветровая турбина имеет название Автоматически форсированная потому, что под действием ветрового потока автоматически производится двойное форсирование увеличение мощности, двойное повышение КПД.

Все ветровые двигатели можно подразделить на две категории винтовые и парусные. Винтовые не являются аналогами к изобретению потому, что они как конструктивно, так и по характеристикам явно отличаются и имеют ряд недостатков, а именно: имеют недостаточную максимальную мощность /только до 100 кВт/; имеют ограниченный предел использования /начинают работать при скорости ветра выше 5 м/с/; для них требуется установка дополнительных устройств по ориентации на ветер, требуется сооружение высотных мачт /а это дополнительная металлоемкость/. Все эти недостатки самоликвидируются при внедрении ветродвигателей парусного действия карусельного типа, т.е. с вертикальным расположением вала ротора. Наиболее близким из аналогов парусного действия карусельного типа является аналог "прототип" по а.с. N 992800, кл. F 03 D 3/00, опублик. 1983 г. При всех достоинствах указанного выше аналога он имеет и некоторые недостатки, а именно: ввиду прямолинейности парусных лопастей каждая парусная лопасть будет наиболее эффективно действовать только в один момент, когда лопасть находится перпендикулярно к ветровому потоку. Кроме того, этот аналог, как и отмечено в его описании, может быть использован только для небольших по мощности ветроустановок, т.к. он не имеет защитных устройств от разрушения при возникновении штормовых и особенно ураганных ветров. Тогда, как для крупных ветроустановок с большой парусностью такая защита крайне необходима и желательно с автоматическим управлением. Все эти недостатки учтены и устранены в настоящей автоматически форсированной ветровой турбине, в которой эффективно использована не только вогнутая /рабочая/ сторона парусной лопасти, но и обратная тыльная, выпуклая сторона.

Основными целями изобретения являются значительное повышение КПД использования ветровой энергии и повышение надежности, которые достигаются следующими конструктивными изменениями относительно "прототипа": неподвижная часть турбины снабжена вертикальными опорами, с которыми жестко связаны горизонтальные траверсы; вертикальный вал ротора в верхней и нижней частях содержит жестко связанные с ним флянцы, к которым жестко прикреплены консоли-плечи, прикреплены радиально; ограничители поворота лопастей являются одновременно и осями роликов с канавками по внешней окружности и подшипниками качения, запрессованными в центре роликов. Эти подшипники роликов насажены на концы ограничителей осей поворота лопастей в верхней и нижней частях. Когда в плече несколько пар осей, т.е. в плече несколько парусных лопастей, то концы этих осей, являющихся ограничителями поворота лопастей, соединены тягами. В этом случае не требуется установки на дополнительных осях дополнительных роликов на их концах эту роль выполняют тяги. По канавкам роликов запасованы канаты по верхним и по нижним роликам ротора. Неподвижные концы этих канатов прикреплены к неподвижной части конструкции и, обхватив все верхние и нижние ролики по канавкам "петлей", вторые концы с небольшим натяжением /чтобы канаты не вываливались с канавок/ прикреплены к тяговым электромагнитам /или другим тяговым механизмам пневмоцилиндрам, гидроцилиндрам/. Все плечи ротора в верхней и нижней частях усилены одним или несколькими рядами ребер жесткости, на которых установлены демпферные ограничители разворота лопастей, благодаря которых смягчается удар при развороте, а парусная лопасть останавливает под таким углом, что ее тыльная /оборотная/ сторона эффективно используется и при переходе ее на встречный ветровой поток. Оси, ограничивающие поворот лопастей, размещены в прорезях консолей плеч и имеют возвратно-поступательное перемещение в этих прорезях и в нормальном режиме удерживаются возвратными пружинами. Для уменьшения металлоемкости парусные лопасти выполнены из легкого металла и пластика. А для более эффективного захвата ветрового потока и удержания его при развороте эти лопасти выполнены криволинейными с небольшой крутизной. Такие конструктивные отличия позволяют дважды форсировать автоматически под действием самого же ветрового потока крутящий момент на валу турбины, т.е. значительно увеличить КПД. Кроме того, снабженная противоаварийной защитой от разрушения с ручным или дистанционным автоматическим управлением с элементами конструкции, отмеченными выше, надежно защитит ветровую турбину при возникновении штормовых или ураганных ветров.

На фиг. 1 изображена автоматически форсированная ветровая турбина с устройством "флюгерного останова" с повышенным КПД, статическое состояние; на фиг. 2 -то же, в действии; на фиг. 3 то же, вариант усиления мощности при одновременном снижении металлоемкости.

Автоматически форсированная ветровая турбина состоит из двух основных частей неподвижной и подвижной ротора с вертикальным валом.

Неподвижная часть состоит из вертикально установленных опор 12 на фундаменте 13, на которых жестко установлены горизонтальные траверсы 18, между которыми в подшипниках упорном 8 и опорном 9 установлен вертикальный вал ротора 7, на котором в верхней и нижней частях жестко установлены флянцы. К этим флянцам жестко прикреплены радиальные консоли-плечи 1-6.

Между этим консолями-плечами 1-6 попарно размещены вертикальные оси 10 и 20, причем на оси /осях/ 10 установлены поворотные парусные криволинейные с небольшой крутизной лопасти из легкого металла или пластика. На других осях 20, установленных в прорезях 15 консолей-плеч 1-6, на верхних и нижних концах установлены ролики, имеющие углубленную канавку по окружности и запрессованный в центре подшипник качения. Этим-то подшипником ролики 21 и насажены на концы оси 20 или ограничителя поворота лопастей. Этот ограничитель подвижная в прорезях ось в нормальном режиме удерживается пружинами 14. В том случае, когда в плече имеется несколько парусных лопастей, как на фиг.3, то концы осей, являющихся одновременно осями роликов 21 и ограничителями поворота парусных лопастей, по верхнему и нижнему концам соединены тягами 25, что позволяет обойтись без установки дополнительных роликов на эти дополнительные ограничители поворота лопастей 20.

По всем верхним и всем нижним роликам 21 в верхней и нижней частях ротора запасованы канаты "петлей". Неподвижные концы этих канатов прикреплены к неподвижной части конструкции, а свободные концы с небольшим предварительным натяжением /чтобы канаты не могли вываливаться из канавок роликов/ соединены с тяговым электромагнитом или рукояткой ручного управления. Также существенным конструктивным отличием является то, что все верхние и нижние консоли-плечи жестко взаимосвязаны одним, как на фиг.1 и 2, или несколькими рядами ребер жесткости, как на фиг.3. На этих ребрах жесткости 23 установлены демпферные ограничители разворота лопастей 17. Установка демпферных ограничителей /места установки обозначены точками/ способствует смягчению ударной нагрузки при развороте лопасти и останавливает ее в таком положении, что эффективно используется и тыльная выпуклая сторона лопасти при переходе ее на встречный ветровой поток. Этот способ эффективного использования и тыльной оборотной стороны парусной лопасти также является существенным признаком изобретения.

Таким образом ротор ветровой турбины можно подразделить на основные узлы: узел парусных лопастей, узел защитного устройства ветровой турбины и узел повторного автоматического формирования.

Принцип действия /фиг.2, 3/.

По принципу действия изобретение позволяет повысить не только надежность, но и дважды автоматически форсировать крутящий момент на плечах ротора и на валу под действием самого же ветрового потока, тем самым значительных вогнутых сторон парусных лопастей, но тыльных /оборотных/ выпуклых сторон. Поэтому изобретение и имеет название автоматически форсированная ветровая турбина.

Если парусные лопасти закрепить жестко, как изображено на фиг.1 то такая ветровая турбина тоже будет действовать ввиду разности давлений на вогнутую и выпуклую поверхности парусных лопастей, расположенных на противоположных от вала плечах, но КПД такой ветровой турбины будет недостаточно высок ввиду противодействия нагрузок на выпуклые поверхности при движении их встречно ветровому потоку. В изобретении предусмотрено двойное автоматическое форсирование крутящего момента, т.е. двойное повышение КПД, а действует ветровая турбина следующим образом: при возникновении ветрового потока /ветра/ часть парусных криволинейных лопастей 19 своей хвостовой частью прижимается под действием ветра к подвижным ограничителям поворота лопастей 20, которые в нормальном режиме удерживаются пружинами 14 и вместе с плечами начинают перемещение по окружности ротора. Так лопасть, установленная на плече 1, перемещается до положения плеча 4, т.е. при повороте плеча на 1/2 оборота или 180^o. Это перемещение на 180^o с эффективным захватом ветрового потока вогнутой поверхностью парусной лопастью и удержания его на этом повороте и есть первое форсирование. Далее при переходе 1/2 оборота хвостовая часть лопасти 19 самопроизвольно освобождается от ограничителя поворота лопасти 20 и эта лопасть в положении плеча 4 /фиг.2/ под действием ветра на выпуклую поверхность с небольшой крутизной резко разворачивается примерно на 60^o в свободном развороте, затем ударяется вогнутой стороной в демпферный ограничитель разворота лопасти 17, который размещен на ребрах жесткости /места их установки на чертежах указаны точками/, т.е. по Закону сохранения энергии - эта ударная нагрузка не исчезает, а смягчившись через ребро жесткости и плечо, усиливает крутящий момент на воду. Кроме того, остановившись на демпферном ограничителе после разворота, как показано в положении плеча, эта парусная лопасть встает выпуклой /тыльной/ стороной под таким углом, что результирующая составляющая также будет направлена на усиление суммарного крутящего момента вплоть до выхода ее на встречный ветровой поток и до выхода во "флюгерное" свободное состояние, оказывая наименьшее сопротивление при встречном давлении к ветровому потоку.

Таким образом на шестилопастной ветровой турбине, как на фиг.2, четыре парусных лопасти будут работать эффективно с эффективным использованием и второй половины направленного ветрового потока на ветровую турбину с эффективным использованием и тыльных выпуклых сторон парусных лопастей это и есть второе автоматическое форсирование. Чем меньше будет крутизна выпуклой стороны лопастей, тем эффективнее будет это второе автоматическое форсирование.

Таким образом этот способ эффективного использования и тыльных /оборотных/ сторон парусных лопастей позволяет максимально использовать почти весь ветровой поток, направленный на ветровую турбину, что значительно повышает ее КПД. Ребра жесткости 23, установленные в один ряд, как на фиг. 2, или в несколько рядов, как на фиг.3, когда в плече несколько парусных лопастей, одновременно служат и для усиления плеч, исключения их разлома или деформации, т.е. также и для повышения надежности.

Принцип действия противоаварийного устройства "флюгерный останов" заключается в следующем. При необходимости или при возникновении ураганного ветра /выше 32 м/с/ от специального автоматического датчика по специальной электрической схеме или вручную нажатием кнопки подается питание на контакты 1-8 обеих катушек верхнего и нижнего электромагнитов 24 /ввиду аналогичности на фиг. 2, 3 показан только один/. При получении питания сердечники этих электромагнитов, втягиваясь, перемещают прикрепленные к ним тяговые канаты /верхний запасованный "петлей" по канавкам верхних роликов 21 всех плеч и нижний запасованный аналогично по канавкам всех нижних роликов ротора/ отжимают эти "петли". При натяжении канатов 22 /фиг.2,3/ в сторону, указанную стрелкой, все верхние и нижние ролики 21 перемещаются по направляющим прорезям 15, а т. к. эти ролики насажены подшипниками на ось, являющуюся одновременно ограничителем поворота лопастей 20, то эти оси, перемещаясь по направляющим прорезям 15 к центру /к валу 7/, освобождают хвостовые части всех лопастей от зацепления и лопасти 19 переходят в свободное флюгерное состояние, что снижает или исключает возможность разрушения ветровой турбины при возникновении ураганных ветров. Кроме автоматического дистанционного управления может быть предусмотрено и чисто механическое управление "флюгерным остановом" от рукоятки ручного механического управления, воздействующей на тяговые канаты. По окончании угрожающего состояния /по окончании урагана/ автоматически от специального автоматического датчика или вручную снимается питания с катушек тяговых электромагнитов 24 и оси ограничителей поворота лопастей 20, под воздействием возвратных пружин 14 вся система защиты приводится в исходное положение. Таким образом эта система "флюгерный останов" в том числе и ограничители разворота лопастей приводятся в действие только при необходимости и в аварийных ситуациях.

В том случае, когда в каждом плече не по одной парусной криволинейной лопасти, а по несколько /для уменьшения металлоемкости и увеличения единичной мощности, как на фиг.3/, то столько же и осей-ограничителей поворота лопастей 20. По устройству разница лишь в том, что все дополнительные подвижные ограничители поворота парусных лопастей взаимосвязаны в каждом плече тягами 25. Принцип действия этих дополнительных подвижных ограничителей аналогичен, как описано выше, только через тяги.

Предлагаемая турбина проста в изготовлении, надежна в эксплуатации, достаточно мощна /до и выше 1000 кВт/, с высоким КПД использования ветровой установки, дополнительных устройств по ориентации на ветер /как винтового типа/, не требует сооружения высотных мачт, может иметь реальное практическое воплощение внедрение и может быть конкурентно способна на мировом рынке.

Использование: для ветровых, электрических, насосных и компрессорных станций, ветровых мельниц, маслобоен и т.п. Сущность изобретения: автоматически форсированная ветровая турбина содержит неподвижную часть и подвижную часть-ротор с вертикальным валом, на плечах которого размещены поворотные лопасти, и подвижные ограничители поворота лопастей. Положение и форма лопастей позволяет значительно повысить КПД использования ветровой энергии. На роторе имеется устройство для вывода лопастей во флюгерное положение. Плечи ротора между собой усилены ребрами жесткости. Также установлены механические или электромагнитные демпферные ограничители разворота парусных лопастей ротора. Ветровая турбина не требует сооружения высотных мачт и установки устройств по ориентации на ветер, имеет сравнительно небольшую металлоемкость. 3 ил.

Автоматически форсированная ветровая турбина, содержащая неподвижную часть в виде горизонтальных траверс, между которыми в подшипниках установлена вращающаяся часть вертикальный ротор с радиальными плечами в верхней и нижней частях, между которыми размещены попарно вертикальные оси, на одной оси каждой пары закреплена поворотная парусная лопасть, опирающаяся своей хвостовой частью на другую ось, служащую ограничителем ее поворота, отличающаяся тем, что турбина снабжена неподвижными вертикальными опорами, с которыми жестко связаны горизонтальные траверсы, жестко связанными с валом фланцами, к которым жестко прикреплены радиальные плечи, подшипниковыми роликами, установленными на верхнем и нижнем концах осей, служащих ограничителями поворота лопастей, тяговыми канатами, охватывающими канавки подшипниковых роликов, неподвижные концы которых закреплены на неподвижной части конструкции, а другие концы соединены с небольшим предварительным натягом с электромагнитами управления или рукояткой ручного управления, ребрами жесткости, расположенными одним или несколькими рядами между плечами, демпферными ограничителями разворота лопастей, установленными на ребрах жесткости и способствующими возможности эффективного использования и тыльных поверхностей этих лопастей, при этом оси, ограничивающие поворот лопастей, размещены в прорезях плеч с возможностью возвратно-поступательного перемещения и подпружинены, а лопасти выполнены из легкого металла или пластика криволинейными с небольшой крутизной.