ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к области ветроэнергоустановок для преобразования энергии ветра во вращение вала привода силовых машин и может быть использовано для приведения в действие гребного винта корабля, насоса, электрогенератора и т.п.

Известны ветроэнергоустановки, содержащие вертикальный вращающий вал или мачту, связанный трансмиссией с приводом силовой машины, и лопасти, крылья или паруса, взаимодействующие с ветром и обеспечивающие вращение ветроэнергоустановки.

К ним относятся установки по заявкам Голландии N 7901145, 1979 г, PCT N WO 81/03683, N WO 94/03725, EPB (EP) N 000850, 1980 г, N 89101444.1 от 27.01.89, патентам Швеции N 434975, 1974 г, Австрии N 382687, 1976 г, Германии N 3505480, 1986 г, США N 4435124, 1983 г, N 4668169, 1984 г, N 4679985, 1985 г, по НКИ 416-119 и т.п.

Известна также корабельная ветроэнергоустановка по заявке Франции N 8019387, кл. F 03 D 3/00, 1980 г (принята за прототип), содержащая мачту с парусами, трансмиссию и движитель, в которой мачта установлена с возможностью вращения вокруг продольной оси и связана с движителем через трансмиссию, а паруса установлены симметрично вокруг мачты.

К недостаткам аналогов и прототипа относятся сравнительно низкая удельная мощность, развиваемая ветроэнергоустановками подобного типа и наличие "мертвых" зон при нахождении плоскостей парусов в плоскости, образованной вектором скорости ветра и продольной осью симметрии мачты.

Целью изобретения является получение более высокой мощности, снимаемой с единицы площади паруса или массы конструкции и исключение "мертвых" зон при обдуве ветром.

Указанная цель достигается тем, в ветроэнергоустановке, преимущественно для кораблей, содержащей мачту с парусами, трансмиссию и движитель или другой преобразователь энергии, в которой мачта установлена с возможностью вращения вокруг продольной оси симметрии и связана с движителем через трансмиссию, а паруса установлены симметрично вокруг мачты, согласно изобретению каждый парус выполнен с возможностью поворота вокруг оси, направленной под углом к продольной оси симметрии мачты, и своей осью вращения разделен на две неравные по площади части, угол их поворота ограничен примерно 180^o, причем большая по площади часть каждого паруса расположена между осью вращения и продольной осью симметрии мачты, а количество парусов не менее 3.

Оптимально, если в ветроэнергоустановке угол пересечения продольной оси мачты с направлением осей вращения парусов выполнен примерно между 5 и 30^o.

Оптимально, если площадь меньшей части паруса составляет 10.30% от площади паруса.

Технические решения, содержащие совокупность отличительных признаков предложенного решения, заявителю неизвестны, что является доказательством новизны предложения, а каждый из признаков отличительной части со всей очевидностью не следует из уровня техники, что является доказательством наличия изобретательского уровня в предложении.

На фиг. 1, 2 и 3 представлены проекции общего вида ветроэнергоустановки по трем осям координат, на фиг. 4 и 5 места крепления паруса, на фиг. 6, 7 и 8 изображения, поясняющие действие ветроэнергоустановки при движении корабля встречным к ветру курсом, на фиг. 9 зависимость вращательного момента, создаваемого ветродвигателем в различных фазах движения парусов вокруг мачты при обдуве ветром, на фиг. 10 зависимость развиваемой ветроэнергоустановкой удельной мощности от скорости ветра в сравнении с установкой пропеллерного типа.

Ветроэнергоустановка по фиг. 1, 2 и 3 смонтирована в корпусе корабля и содержит мачту 1, паруса 2, оси 3, трансмиссию 4, гребной винт 5, реи 6, ограничители 7, подшипник 8 и кронштейн 9.

Кронштейн 9 по фиг. 4 установлен на вершине мачты 1; в нем закреплены подшипники 10, в которые установлены оси 3. На концах осей 3 с помощью гаек 13 укреплены верхние растяжки 11, в которых закреплены паруса 2.

Реи 6 по фиг.5 укреплены в основании мачты 1, на концах рей 6 смонтированы подшипниковые узлы с подшипниками 10 и осями 3, аналогичные установленным на кронштейн 9. Нижняя растяжка 12, в которой закреплена нижняя часть паруса 2, установлена на оси 3 и закреплена гайкой 13 подобно верхней растяжке 11. Ограничители 7 установлены на реях 6 и выполнены из аммортизирующего материала.

Оси 3 верхней и нижней частей каждого из парусов 2 расположены на одной прямой, пересекающейся с продольной осью мачты 1 под углом а (см. фиг. 3). Величина этого угла в зависимости от конфигурации паруса может выполняться в пределах между 0 и 90^o. Для прямоугольного паруса величина а может быть близкой к нулю, направление осей вращения парусов близко к параллели с продольной осью мачты. Для косого паруса, какой показан на фиг. 1 и др. величина угла а определяется геометрией паруса и размерами кронштейна 9, рей 6, верхней и нижней растяжек 11 и 12, оптимальным же является угол примерно между 5 и 30^o.

Каждый парус 2 своими осями вращения разделен на две неравные по площади части, причем большая по площади часть каждого паруса расположена между осями вращения 3 и продольной осью симметрии мачты 1. Площадь меньшей части паруса составляет 10.30% от площади паруса, за счет чего центр давления паруса точка приложения результирующей аэродинамической силы, действующей на парус, располагается в зоне между осями вращения паруса и мачтой, обеспечивая этим условие "управляемости" паруса набегающим потоком.

Угол поворота парусов 2 на своих осях 3 ограничен примерно 180^o за счет соответствующего расположения ограничителей 7 на реях 6.

Количество парусов ветроэнергоустановки не менее трех, выбрано из условия исключения "мертвых" зон при любом произвольном направлении ветра и при любом произвольном курсе корабля по отношению к направлению ветра.

Если бы конструкция содержала только два паруса, симметрично расположенных вокруг мачты, возникла бы вероятность такого случая, когда оба паруса окажутся в одной плоскости и эта плоскость совпадет с направлением ветра. Тогда вращательный момент, создаваемый устройством, стал бы равен нулю. Т.е. возникла бы "мертвая" зона, в которой устройство неработоспособно.

Действие описанного устройства поясняется фиг. 6, 7 и 8, где изображен частный случай движения корабля при встречном ветре, стрелкой со значком V показан вектор скорости ветра, значком B обозначен угол между вектором V и парусом, находящимся в рабочей зоне, угловая скорость мачты обозначена как W_м. При этом два остальных паруса развернуты плоскостями по ветру и находятся во флюгирующем положении.

В общем случае при произвольном направлении ветра по отношению к курсу корабля и положению парусов ветер, встречаясь с поверхностями парусов, за счет скоростного напора поворачивает паруса 2 вокруг осей 3. При этом паруса, находящиеся справа от плоскости, образованной вектором скорости ветра и продольной осью мачты, прижимаются к ограничителям 7, а паруса, находящиеся слева, разворачиваясь на осях 3, выходят из касания с ограничителями 7 и занимают флюгирующее положение по направлению ветра.

Вследствие таких поворотов паруса 2, находящиеся слева от мачты 1, занимают по отношению к набегающему потоку положение, в котором их аэродинамическое сопротивление становится минимальным, а паруса 2, находящиеся справа от мачты 1, занимают положение, в котором их аэродинамическое сопротивление возрастает до максимума. В результате этого возникает вращательный момент, приложенный к мачте 1, и последняя приобретает угловую скорость W_м.

В тот момент, когда плоскость одного из парусов 2 вместе со своими осями 3 проходит плоскость, параллельную вектору скорости ветра V (точка А на фиг. 9, IV), ветер начинает воздействовать на этот парус с тыльной стороны и поворачивает его вокруг собственных осей 3 на примерно на 180^o до упора передним коротким плечом растяжки 12 в ограничитель 7.

По мере дальнейшего продвижения по круговой траектории рассматриваемый парус отходит от ограничителя 7, встает по направлению ветра и начинает испытывать минимальное аэродинамическое сопротивление. Этот процесс периодически повторяется при прохождении каждого последующего паруса 2 через точку А. Таким образом обеспечивается постоянство направления вращения мачты 1. Смена направления ветра приводит лишь к соответствующему довороту парусов 2 вокруг своих осей 3, оставляя направление вращения мачты 1 неизменным.

Фиг. 6, 7 и 8 иллюстрируют сказанное, на них показаны проекции корабельной ветроэнергоустановки по трем осям координат по отношению к вектору скорости ветра V с парусами, соответствующим образом развернутыми по отношению к ветру.

Вращательный момент от мачты 1, установленной в подшипниках 8, через трансмиссию 4 передается на гребной винт 5, приводящий корабль в движение. При этом направление движения корабля не зависит от направления ветра по описанным выше причинам.

Механическая мощность на валу ветроэнергоустановки N может быть выражена как произведение вращательного момента M_вр, создаваемого парусами, на угловую скорость мачты W_м ветроэнергоустановки, т.е.

N M_вр•W_м.

Вращательный момент M_вр может быть выражен как произведение аэродинамической силы X на плечо r (расстояние от центра давления паруса до продольной оси симметрии мачты), т.е.

M_вр X•r,

C_x аэродинамический коэффициент;
V скорость ветра;
V_n окружная скорость центра давления паруса;
S_n площадь паруса;
p плотность воздуха.

Угловая скорость мачты W_м определяется как

Таким образом, выражение мощности, развиваемой ветродвигателем, можно представить в виде:
.

Определим окружную скорость паруса Vп, при которой ветроэнергоустановка развивает максимальную мощность Nmax, для этого раскроем выражение в скобках формулы (1):
;
Продифференцируем dN по dVn:
.

Для отыскания максимума приравниваем выражение в скобках к нулю и решаем квадратное уравнение
V² 4•V•V_n + 3•V_n ²
Корни уравнения: V_п1 V; V_n2 V/3.

Корень V_n1 соответствует холостому ходу, Vn₂ максимальной мощности ветроэнергоустановки.

Приведенным исследованием уравнения мощности, развиваемой вертоэнергоустановкой с вертикальной мачтой и парусами, самоустанавливающимися в потоке, показано, что максимальная мощность развивается при окружной скорости паруса, равной 1/3 скорости набегающего потока, т.е. результирующей сложения векторов скорости ветра и скорости корабля.

На парус ветроэнергоустановки, находящийся в рабочем положении, т.е. когда он опирается на ограничитель и создает вращательный момент на мачте, действует аэродинамическая сила R, являющаяся результатом сложения силы лобового сопротивления X и подъемной силы Y (при произвольном положении паруса по отношению к направлению ветра).

Для представленной схемы действия можно записать:

C_x(B), C_y(B) коэффициенты аэродинамического сопротивления паруса в функции угла атаки B;
S_n площадь паруса.

Как указывалось выше, максимальную мощность ветроэнергоустановка развивает при скорости паруса Vn1/3V, поэтому выражение для сил X и Y можно переписать в виде:
X=2/9•C_x(B)•p•V²•S_п; Y=2/9•C_y(B)•p•V²•S_п
После соответствующих преобразований выражение R примет вид:

а выражение вращательного момента на мачте ветроэнергоустановки
M_вр R(B)•r_i(B),
где
R(B), r_i(B) текущие значения результирующей аэродинамической силы и расстояния от точки ее приложения до оси вращения в функции угла атаки паруса B.

На фиг. 9 представлена зависимость вращательного момента M, создаваемого парусами при их вращении вокруг продольной оси мачты под разными углами B по отношению к направлению ветра.

При угле B между плоскостью паруса и вектором скорости ветра V равном 90^o, на этот парус действует только аэродинамическая сила лобового сопротивления X, пропорциональная боковой площади паруса, а на остальные два паруса пропорциональная площади передней кромки паруса.

При угле B более 90^o на парус (фиг. 9-II), прижатый к ограничителю, одновременно действует и аэродинамическая подъемная сила Y, которая приводит к возрастанию результирующей аэродинамической силы R и момента M, который достигает максимума при углах примерно 150^o (фиг. 9-III). Величина аэродинамической силы, действующей на остальные два паруса, пока те находятся во флюгирующем положении, остается примерно постоянной и минимальной.

При угле B 180^o (фиг.9-IV), как это отмечалось выше, плоскость паруса 2 и его осей 3 проходит точку А, ветер начинает действовать на парус с тыльной стороны и разворачивает его на 180^o, переводя этот парус во флюгирующее положение, в то же время смежный с ним парус, вошедший в рабочую зону, за счет подъемной силы Y продолжает создавать вращательный момент, действующий на мачту.

Оценка технического эффекта, создаваемого предлагаемой ветроэнергоустановкой, показывает, что удельная мощность, снимаемая с единицы площади паруса, составляет 0,3.4,0 кВт/кв.м в диапазоне скоростей ветра примерно от 5 до 25 м/с, что в несколько раз превышает этот показатель для ветроэнергоустановок пропеллерного типа. На фиг. 10 показана расчетная зависимость удельной мощности предлагаемой ветроэнергоустановки (кривая 1) в сравнении с типичной зависимостью для ветроэнергоустановки пропеллерного типа (кривая 11).

Применительно к кораблям такая ветроэнергоустановка создает возможность плавания любым курсом независимо от направления ветра, а также позволяет увеличить примерно на 30% площадь парусного вооружения по сравнению с таким же кораблем, несущим паруса, закрепленные обычным способом на неподвижной мачте, т. к. ветровые нагрузки, как это следует из приведенных исследований мощности, для вращающейся мачты пропорциональны скоростному напору, составляющему 2/3 от полного.

Таким образом, предлагаемая ветроэнергоустановка обеспечивает получение более высокой удельной мощности, снимаемой с единицы площади паруса или единицы массы конструкции, и исключает возможность появления "мертвых" зон при обдуве ветром с любых произвольных направлений.

Использование: в ветроэнергоустановках преимущественно для кораблей, для преобразования энергии ветра во вращение гребного винта корабля. Сущность изобретения: ветроэнергоустановка содержит мачту (1) с парусами (2), трансмиссию (4) и движитель, или другой преобразователь энергии (5). Мачта (1) установлена с возможностью вращения на подшипниках (8) вокруг своей продольной оси симметрии и связана с движителем (5) через трансмиссию (4), а паруса (2) установлены симметрично вокруг мачты (1). Количество парусов - не менее 3. каждый парус (2) выполнен с возможностью поворота вокруг оси (3), направленной под углом, а к продольной оси симметрии мачты (1), и своими осями вращения (3) разделен на две неравные по площади части. Большая по площади часть каждого паруса расположена между осью вращения и продольной осью мачты. Угол поворота паруса (2) ограничен 180 градусами. Угол пересечения продольной оси мачты (1) с направлением осей вращения (3) парусов (2) выполнен между 5 и 30 градусами. Площадь меньшей части паруса составляет 10. ..30% от площади паруса. 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Ветроэнергоустановка преимущественно для кораблей, содержащая мачту с парусами, трансмиссию и движитель, или другой преобразователь энергии, в которой мачта установлена с возможностью вращения вокруг продольной оси симметрии и связана с движителем через трансмиссию, а паруса установлены симметрично вокруг мачты, отличающаяся тем, что каждый парус выполнен с возможностью поворота вокруг оси, направленной под углом к продольной оси симметрии мачты, и своей осью вращения разделен на две неравные по площади части, угол поворота паруса ограничен 180^o, причем большая по площади часть каждого паруса расположена между осью вращения и продольной осью мачты, а количество парусов не менее 3. 2. Ветроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что угол пересечения продольной оси мачты с направлением осей вращения парусов выполнен между 5 и 30^o. 3. Ветроэнергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что площадь меньшей части паруса составляет 10-30% площади паруса.