ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03D3/00 

Энергетическая установка относится к энергетической промышленности, преимущественно к производству энергетических установок для преобразования ветровой и водной энергии в электрическую, тепловую или механическую.

Известны энергетические установки, содержащие вал или ротор или барабан с лопастями и экран, закрывающий одну из сторон оси вала.

Энергетические установки карусельного и барабанного типов содержат вал с лопастями, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока, экран, закрывающий от потока одну из сторон оси вала с лопастями либо специальное приспособление, поворачивающий часть вращающихся против потока лопастей ребром к потоку. Т.к. лопасти, незакрытые экраном, движутся по направлению потока, то их окружная скорость не может превышать скорости потока.

Эти энергетические установки относительно тихоходны, более громоздки и менее эффективны, чем установки крыльчатого типа. Коэффициент использование энергии потока ξ показывающий, какая доля энергии потока преобразуется в механическую энергию, у них доходит до 0,18 [1]
Наиболее близкой по технической сущности является энергетическая установка барабанного типа, содержащая вал с лопастями, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока, установленный перед валом со стороны потока экран, закрывающий его нижнюю часть и привод [2]
К основным недостаткам установки относятся:
нагрузка потока действует не одновременно на все лопасти, а поочередно;
периодически лопасти затеняют друг друга почти на половине окружности и каждая из лопастей только в одном положении воспринимает полный поток и может развить максимальную мощность;
движение лопастей в направлении потока не позволяет развить большую скорость вращения, т.е. они не могут превышать скорость потока;
размеры используемой части потока (обтекаемая поверхность) малы по сравнению с размерами вала с лопастями.

Указанные недостатки приводят к громоздкости установки увеличению веса отнесенной к единице установленной мощности и снижению надежности из-за воздействия на лопасти и опоры вала периодически меняющихся нагрузок потока. Коэффициент x установки не более 0,15 [3]
Задачей настоящего изобретения является повышение КПД установки и надежности.

Поставленная задача решается тем, что в известной энергетической установке, содержащей вал с лопастями, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока, установленный перед валом со стороны потока экран, закрывающий его нижнюю часть и привод, согласно изобретения, лопасти выполнены в виде правого и левого многозаходного винтового шнека, причем лопасти его направлены встречно.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 общий вид установки; на фиг. 2 сечение А-А.

Энергетическая установка имеет вал 1, на который установлены лопасти 2 с винтовыми поверхностями, собрание в цилиндрическом каркасе 3 (в дальнейшем - шнек). Шнек устанавливается на опоры 4 экрана 5 закрывающего нижнюю часть шнека и соединен через коробку передач 6 с генератором 7. Лопасти 2 в цилиндрическом каркасе 3 крепятся по внутреннему и наружному диаметру к профилям 8, расположенным на внутреннем и наружном диаметрах каркаса по винтовым линиям. Лопасти 2 выполнены сплошными винтовыми поверхностями или с разбивкой их на секторы с выбранной шириной (аналогично лопастям крыльчатых энергетических установок) и имеют угол заклинения v (см. Фатеев Е. М. Ветродвигатели и ветроустановки, М. "Сельхозгиз", 1956), который в отдельных модификациях энергетической установки может быть регулируемым (например, смещением внутреннего профиля 8 относительно наружного). Шнек выполнен с многозаходными лопастями 2 для повышения коэффициента использования энергии потока от увеличения общей площади сечения лопастей 2 в проекции на плоскость перпендикулярную потоку и в виде правого и левого многозаходного винта, причем лопасти 2 направлены встречно для уравновешивания по третьему закону Ньютона возникающих на валу 1 осевых сил, нагружающих опоры 4 [см.3] Лопасти 2 выполнены из тонколистового материала парусины, металла, пластмассовых, резиновых и др. изделий, рассчитанных на низкие давления потока на единицу площади и, в отдельных случаях, снабжены устройствами, улучшающими их обтекаемость потоком. Экран 5 выполнен составным для регулирования оборотов, остановки энергетической установки путем большего или меньшего закрытия лопастей 2 шнека от воздействия потока.

Энергетическая установка работает следующим образом.

Направленный поток попадает на незакрытые экраном 5 лопасти 2 винтового многозаходного шнека, создает на них подъемную силу и силу лобового давления [3] которые через каркас 3 передается на вал 1 как крутящий момент и осевые силы. Крутящий момент на валу 1 через коробку передач 6 вращает генератор 7, осевые силы на валу 1, благодаря выполнению винтовых лопастей в виде правого и левого многозаходного шнека с расположением лопастей навстречу друг другу, направлены в противоположные стороны и взаимно уравновешиваются и разгружают опоры 4 от односторонних осевых нагрузок. Лопасти 1 кроме вращательного движения имеют движение вдоль оси вращения.

Энергетическая установка имеет все факторы, необходимые для получения значения x 0,3-0,46, соответствующих мировым образцам ветродвигателей (крыльчатые, ортогональные и др.):
расположение лопастей по винтовой поверхности обеспечивает одновременные и постоянные нагрузки потока на них;
форма лопасти по изобретению является винтовой поверхностью, оптимальные углы v у которой задаются при проектировании (выбором геликоид) с учетом данных по продувке лопасти, с введением при необходимости элементов регулирования;
лопасти с винтовыми поверхностями и диаметрами до десятков метров, установленные вдоль потока, являются тонкопрофильными, т.е. пластинчатыми, которые характеризуются наименьшими профильными потерями от трения потока о поверхность и срыва потока за телом и могут быть усовершенствованы по состоянию поверхности и форме профиля с учетом результатов продувок и ряд др. [3]
Надежность энергетической установки обеспечивается снижением ее веса на единицу установленной мощности применением каркасной конструкции шнека, тонкопрофильных лопастей, обеспечением одновременности и постоянства действия нагрузки потока на все лопасти, незатененные друг с другом, что исключает переменные нагрузки на элементы конструкции, уравновешиванием действия осевых сил на опоры шнека, балансированием инерционных сил. Простота конструкции, технологичность, доступность материалов в местных условиях повышает ремонтопригодность и др. показывали надежности.

Предлагаемая энергетическая установка может быть использована во всех отраслях народного хозяйства с учетом ветрового (водного) режима района, рельефа местности, технологического процесса производства, в котором применена установка. Область применения энергетической установки обширна обводнение пастбищ, мелиорация земель, использование их фермерами, отдельными хозяйствами деревень, поселков, совместная работа с электростанциями других типов и т.д. [3] Кроме того, она позволяет применять известные дополнительные устройства, повышающие эффективность, например, флюгерные, виндрозы (для установки по ветру), понтоны, якоря и др. (для использования на реках, в морских глубинах, приливах и отливах, над земной поверхностью и др.). Энергетическая установка экологически чистая, проста в изготовлении, транспортабельна в разобранном виде, ремонтируемая в местных условиях и дешевая.

Использование: в энергетике, для преобразования ветровой и водной энергии в электрическую, тепловую и механическую. Сущность изобретения: энергетическая установка содержит вал 1 с лопастями 2, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока, экран 5, установленный перед валом 1 со стороны потока и закрывающий его нижнюю часть, и привод 7. Лопасти 2 выполнены в виде правого и левого многозаходного винтового шнека, лопасти которого направлены встречно. Ветровые и водные варианты установки унифицируются. Энергетическая установка обладает простотой, надежностью и дешевизной конструкции, транспортабельна в разобранном виде, ремонтопригодна, экологически чиста, приемлема во всех климатических условиях. 2 ил.

Энергетическая установка, содержащая вал с лопастями, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока, экран, установленный перед валом со стороны потока и закрывающий его нижнюю часть, и привод, отличающаяся тем, что лопасти выполнены в виде правого и левого многозаходного винтового шнека, лопасти которого направлены встречно.