ВЕТРОУСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к области энергетики, а именно к ветродвигателям.

Известна ветроэлектрическая установка, содержащая мачту, крыльчатое колесо, регулирующее устройство ориентации ветроколеса на направление ветра и механизм вывода ветроколеса из-под ураганного ветра [1]
Недостатком ее является малый КПД и малый коэффициент использования энергии ветра ( ξ 0,33 0,46), высокая металлоемкость на 1 кВт установленной мощности и малый ресурс эксплуатации за счет большого числа механических связей.

Известна также ветроустановка, содержащая крылья-паруса, тележку, движущуюся по рельсовому пути и соединенную с генератором [2]
Недостатком ее является сложность токосъема с движущегося генератора, высокая металлоемкость, т.к. требуется кольцевой рельс, низкий КПД в связи с затруднением (торможением) при круговом движении против ветра, большая требуемая земельная площадь для эксплуатации установки.

Известны парусные ветродвигатели [3] и [4] с вертикальным валом вращающихся парусов-лопастей, что не исключает их тормозного действия.

Наиболее близким устройством к предлагаемому является парусный электродвигатель [5] включающий опору и четыре вращающихся на вертикальной оси прямоугольных паруса с четырьмя шарнирными подпружиненными вертикальными лопастями на каждом парусе.

Недостатками его являются.

1. Низкий коэффициент использования энергии ветра из-за тормозного действия парусов при вращении по типу карусельного ветроколеса.

2. Невысокая быстроходность.

3. Большое число механических связей, подверженных повышенному износу, из-за большого числа лопастей, шарнирно укрепленных на парусах.

4. Отсутствует стабилизация частоты вращения ветроколеса (парусов).

5. Отсутствует устройство вывода ветроколеса из-под ураганного ветра и остановки его.

6. Высокая металлоемкость из-за большого числа лопастей.

7. Громоздкость сооружения при больших мощностях.

Задачей изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветра и снижение металлоемкости на 1 кВт установленной мощности при автоматической стабилизации частоты вращения ветроколеса, пуска и останова устройства.

Решение указанных задач достигается применением двух парусов-ветроуловителей 2 (фиг.1), выполненных в виде сужающихся к ветроколесам 3 полудиффузоров, установленных шарнирно на неподвижной мачте 1 из цельнометаллической трубы с растяжками 27.

При этом паруса расположены под углом (например, 120^o) друг к другу с помощью упругого крепления (пружины 11 на захватах 9 с регулировочным болтом 12). На конце каждого паруса-полудиффузора 2 в ободах 5 имеется крыльчатое многолопастное колесо 3 с возможностью шарнирного поворота колеса 3 с ободом 5 в раме 6 на 90^o при ураганном ветре и для остановки устройства.

Ветроколесо 3 связано через вал 7 и коническую шестерню 22 с угловой шестеренчатой подачей 23, имеющей внутренние шлицы 10, с которыми сцепляется цилиндрическая шестерня 25, расположенная внутри мачты 1 (эксцентрично по отношению к центру мачты-трубы 1) на валу 12, соединенном с генератором 13.

На фиг.1 показан вид установки со стороны направления ветра.

На фиг. 2 вид сверху ветроустановки с эксцентричным расположением цилиндрической шестерни 25 в мачте-трубе 1.

На фиг.3 показано устройство конической угловой передачи 23 от двух крыльчатых ветроколес 3 через конические шестерни 22 к цилиндрической шестерне 25 и к валу 12 передачи моментов вращения к генератору 13.

На фиг.4 разрез А-А на фиг.2 устройство выхода ветроколеса во "флюгерное" положение при ураганном ветре и при останове ветроустановки.

Устройство работает следующим образом. Ветер, попадая на паруса-полудиффузоры 2, отклоняется ими и дополнительными минидиффузорами 4 на ветроколеса 3. Расположение парусов 2 под углом (<120^o) друг к другу обеспечивает автоматическую ориентацию их на направление ветра.

Упругое соединение парусов между собой натяжной пружиной 11 (или контргрузом) обеспечивает возможность изменения угла между парусами (и угла атаки) при изменении скорости ветра, чем автоматически стабилизируется частота вращения ветроколес, расположенных под прямым углом к парусам-полудиффузорам 2 и в конце их.

Для остановки или вывода устройства из-под ураганного ветра паруса 2 полностью складываются между собой, для чего конические шестерни 23 располагаются с противоположных сторон по вертикали (сверху и снизу) от двухсторонней конической шестерни 22.

Кроме того, при ураганном ветре ветроколеса 3 с ободом 5 также поворачиваются под давлением ветра, наибольшего у поверхности паруса (максимально на 90^o, то есть параллельно ветровому потоку), в шарнирном креплении обода 5 в раме 6 паруса 2 (фиг.4). При этом вал 7 несколько изменяет свое положение в пространстве, для чего предусмотрено шарнирное соединение 16 с телескопической шлицевой связью 17 вала 7, обеспечивающих изменение длины и поворот вала 7 при переходе колеса 3 во "флюгерное" положение.

Возврат ветроколеса 3 с ободом 5 в исходное (рабочее) положение при спадании ураганной скорости ветра осуществляется за счет троса 14 и пружины 15, соединенных с ободом 5 ветроколеса 3.

При изменении направления ветра паруса с ветроколесами имеют возможность поворота вокруг вертикальной оси мачты 1. Для этого на мачте 1 шарнирно на упорных подшипниках скольжения 20 крепится кронштейн 19. Регулировочные болты 21 служат для регулирования зазора зацепления конических шестерен 22 и 23 между собой.

Момент вращения конической двухсторонней шестерни 23 передается через цилиндрическую шестерню 25, входящую в зацепление с внутренней шлицевой частью 10 конической шестерни 29, на вал 12.

Передача момента от вала 12 к генератору 13 производится через обычную угловую коническую передачу (не показана) и в зависимости от марки генератора (номинальной его частоты вращения) может включать редуктор (мультипликатор) 8 и маховик с обгонной муфтой (общеизвестны и не показаны), способствующие дополнительной стабилизации частоты вращения генератора.

Для полной остановки ветрогенератора ослабляется натяжение пружины 11 регулировочным болтом 12.

Эффективность и технико-экономические преимущества данного устройства в сравнении с существующими заключаются в следующем:
повышение коэффициента использования энергии ветра за счет применения полудиффузоров, где происходит преобразование усиленной скорости ветра в 3.5 раз по закону Бернулли в энергию давления на ветроколеса и подъемную силу;
снижение металлоемкости на 1 кВт установленной мощности в связи с повышением мощности примерно в 6.10 раз благодаря усилению скорости ветра на ветроколесо в сравнении с существующими установками соизмеримых размеров ветроколес [1]
увеличение срока службы в связи с уменьшением количества механических связей и их износом;
обеспечение работы установки в слабоветренных районах (V 1.2 м/с);
небольшие земельные площади в сравнении с [5]
простота изготовления, в основном, из стандартных деталей.

Литература, принятая во внимание
1. Проспект установки АВЗ-12 А НПО "ВЕТРОЭН" мощностью 16 кВт. Истра Московской обл. 1986.

2. Проценко А.Н. Энергетика сегодня и завтра. М. Молодая гвардия, 1987.

3. Громов А.В. и Пыльников Д.Д. Автор. заявка N 9185. Карусельный ветродвигатель.

4. Моралевич Ю.А. Автор. заявка N 9953. Парусный ветродвигатель.

5. Авт. св. СССР N 1178931, кл. F 03 D 3/00, 1985(прототип).

Используется в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветроустановка, включающая мачту-трубу с растяжками, два паруса, генератор, причем паруса выполнены в виде полудиффузоров, укрепленных шарнирно на мачте-трубе, при этом в конце каждого паруса установлено крыльчатое многолопастное ветроколесо, а передача энергии от ветроколес к генератору обеспечивается с помощью горизонтальных валов через коническую шестеренчатую передачу к вертикальному валу и мультипликатору у генератора. С целью стабилизации частоты вращения ветроколес паруса выполнены с возможностью изменения угла атаки ветра (угла между парусами) с помощью пружины, связывающей паруса между собой, а с целью автоматического вывода ветроустановки из-под ураганного ветра соединение парусов между собой предусматривает их полное складывание и поворот ветроколес на шарнирах параллельно направлению ветрового потока. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветроустановка, включающая мачту, парус, генератор, отличающаяся тем, что паруса выполнены в виде двух полудиффузоров, расположенных шарнирно на мачте, в конце каждого из которых установлено крыльчатое многолопастное ветроколесо. 2. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем, что паруса выполнены с возможностью изменения угла атаки ветра на паруса (угла между парусами) с помощью пружины (или контргруза), связывающих паруса между собой. 3. Ветроустановка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что соединение парусов между собой и к мачте предусматривает полное их складывание и поворот ветроколес на шарнирах параллельно направлению ветрового потока.