ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F03D3/04 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности, к ветряным двигателям с осью вращения ротора перпендикулярной направлению ветра и с неподвижным ветронаправляющим средством.

Известен ветродвигатель [1] содержащий вертикальный корпус, размещенные по его окружности направляющие стойки, отражатель потока, расположенный под корпусом, и установленное в последнем ветроколесо, имеющее вертикальный вал с лопастями. Ветроколесо снабжено горизонтальными крыльями, расположенными в два яруса по высоте вала и прикрепленными к нему торцами лопастей, причем каждая лопасть выполнена в виде сплошной и перфорированной пластин, наклонных к горизонтальной плоскости. Перфорация каждой пластины выполнена в виде профилированных окон, стенки которых расположены под углом к ее поверхности. Корпус снабжен поворотными заслонками, расположенными между направляющими стойками.

В указанном ветродвигателе в качестве неподвижного ветронаправляющего средства установлены направляющие стойки, размещенные по окружности корпуса. Для остановки ветроколеса между этими направляющими стойками дополнительно установлены поворотные заслонки.

Основным недостатком данной конструкции ветродвигателя является низкий КПД из-за значительных потерь энергии ветра в ветронаправляющем средстве, т. е. в направляющих стойках, между которыми установлены поворотные заслонки.

Известен также ветродвигатель [2] содержащий закрепленное на вертикальном валу ветроколесо и расположенные по его окружности неподвижные конфузорные сопла. Ветродвигатель содержит лопастное колесо с валом, размещенное над ветроколесом и имеющее наклонные лопасти, причем вертикальный вал выполнен полым и в его полости расположен вал лопастного колеса.

По своей технической сущности, составу существенных признаков и достигаемому техническому результату данный ветродвигатель является наиболее близким к заявляемому.

Основным недостатком ветродвигателя, принятого за прототип, является низкий КПД вследствие неполного использования энергии ветра. Это объясняется тем, что значительная часть энергии ветра, набегающего на ветродвигатель, теряется в конфузорных соплах, а дополнительно установленное лопастное колесо, на которое поступает отработанный на ветроколесе и потерявший кинетическую энергию поток воздуха, не восполняет первоначальных потерь энергии ветра, а следовательно, и первоначальных потерь КПД ветродвигателя. Потери энергии ветра в ветродвигателе данной конструкции еще более значительны при его работе в сложных климатических условиях, а особенно в зимних условиях, когда пропускную способность конфузорных сопел значительно снижает обледенение последних и занос снегом.

В основу изобретения поставлена задача разработать надежную в эксплуатации и простую конструкцию ветродвигатля с вертикальной осью вращения ветроколеса и неподвижным ветронаправляющим средством, повысить его КПД за счет увеличения коэффициента использования энергии ветра.

Поставленная задача решается тем, что в ветродвигателе, содержащем закрепленное на вертикальном полом валу ветроколесо с лопастями и неподвижное ветронаправляющее средство, расположенное по окружности ветроколеса, вертикальный полый вал выполнен проточным, а в его внутренней полости по винтовой спирали дополнительно установлены лопасти, неподвижное ветронаправляющее средство содержит, по меньшей мере, четыре стенки для концентрации ветра, по меньшей мере, четыре ветронаправляющие стенки, основание и верхнюю площадку, причем стенки для концентрации ветра попарно и ветронаправляющие стенки также попарно жестко установлены на основании по окружности ветроколеса диаметрально противоположно одна от другой под углом навстречу направлению вращения ветроколеса относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось ветроколеса и середину, обращенной к ветроколесу плоскости стенки по ее высоте, при этом стенки для концентрации ветра установлены под углом 10-20^o, а ветронаправляющие стенки установлены под углом 15-25^o, свободный конец каждой стенки прикреплен к верхней площадке.

Винтовая спираль во внутренней полости вертикального вала установлена с углом подъема 1,0-10^o относительно горизонтальной плоскости, а в качестве лопастей в полости вала по винтовой спирали установлена непрерывная лента, которая одной стороной сопряжена с внутренней поверхностью вала.

На рабочей поверхности каждой лопасти ветроколеса выполнены продольные гофры, а в стенке вала ветроколеса по его длине со стороны рабочей поверхности каждой его лопасти выполнены сквозные отверстия, например, в виде вертикальных щелей.

Основание и верхняя площадка ветронаправляющего средства снабжены ступицами, в которые помещены подшипники для установки вертикального вала ветроколеса.

Каждая стенка для концентрации ветра и каждая ветронаправляющая стенка выполнены сужающимися кверху, а в поперечном сечении выполнены в виде полого треугольника. На рабочих плоскостях каждой стенки для концентрации ветра установлены ветронаправляющие планки под углом 8-15^o к горизонтальной плоскости с углом подъема в сторону ветроколеса. Ширина стенки для концентрации ветра превышает ветронаправляющей стенки, по меньшей мере, в два раза.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что первый имеет в отличие от прототипа следующие существенные признаки:
вертикальный полый вал выполнен проточным, а в его внутренней полости по винтовой спирали установлены рабочие лопасти;
неподвижное ветронаправляющее средство содержит, по меньшей мере, четыре стенки для концентрации ветра, по меньшей мере, четыре ветронаправляющие стенки, основание и верхнюю площадку;
стенки для концентрации ветра попарно и ветронаправляющие стенки также попарно жестко установлены на основании по окружности ветроколеса диаметрально противоположно одна от другой под углом навстречу направлению вращения ветроколеса относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось ветроколеса и середину, обращенной к ветроколесу плоскости стенки по ее высоте, при этом стенки для концентрации ветра установлены под углом 10-20^o, а ветронаправляющие стенки установлены под углом 15-25^o, свободный конец каждой стенки прикреплен к верхней площадке.

Данная совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Признаки же, указанные ниже, характеризуют изобретение лишь в конкретных формах выполнения, но также существенным образом обеспечивают достижение технического результата:
винтовая спираль во внутренней полости вертикального вала установлена с углом подъема 1,0-10^o относительно горизонтальной плоскости;
в качестве лопастей в полости вала по винтовой спирали установлена непрерывная лента, которая одной стороной сопряжена с внутренней поверхностью вала;
на рабочей поверхности каждой лопасти ветроколеса выполнены продольные гофры;
в стенке вала ветроколеса по его длине со стороны рабочей поверхности каждой его лопасти выполнены сквозные отверстия, например, в виде вертикальных щелей;
основание и верхняя площадка ветронаправляющего средства снабжены ступицами, в которые помещены подшипники для установки вертикального вала ветроколеса;
каждая стенка для концентрации ветра и каждая ветронаправляющая стенка выполнены сужающимися кверху, а в поперечном сечении выполнены в виде полого треугольника;
на рабочих плоскостях стенок концентрации ветра установлены ветронаправляющие планки под углом 8-15^o к горизонтальной плоскости с углом подъема в сторону ветроколеса;
ширина стенки для концентрации ветра превышает ширину ветронаправляющий стенки, по меньшей мере, в два раза;
Именно такая совокупность существенных признаков позволила создать простой по конструкции и надежный в работе ветродвигатель, повысить его КПД за счет увеличения коэффициента использования энергии ветра. Кроме того, данная конструкция ветродвигателя позволяет использовать ее при проектировании и строительстве ветроэнергетических установок различной мощности, в качестве типового элемента-модуля. Строительство ветроэнергетических установок, в которых их ветродвигатели собираются из типовых элементов-модулей позволит использовать ветер в самом активном приземном слое на высоте от 50 м до 100 м от поверхности земли, снизить стоимость ветроустановок в целом, повысить их надежность и конкурентоспособность в сравнении с традиционной энергетикой.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков стало возможным увеличить надежность ветродвигателя и повысить его КПД. Кроме того, предложенный ветродвигатель прост по конструкции и может широко применяться в качестве типового элемента-модуля для сборки ветродвигателей ветроэнергитических установок различной мощности.

Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т. е. оно явным образом не следует из уровня техники и пригодно для промышленного применения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где: на фиг. 1 схематически представлен ветродвигатель; на фиг. 2 сечение по А-А; на фиг. 1; на фиг. 3 - узел 1 на фиг. 1; на фиг. 4 схематически представлен ветродвигатель, собранный из трех однотипных ветродвигателей (трех ветродвигателей-модулей).

Ветродвигатель состоит из ветроколеса и неподвижного ветронаправляющего средства, расположенного по окружности ветроколеса.

Ветроколесо содержит вертикальный полый, проточный вал 1, закрепленные на его внешней поверхности половые лопасти 2. В полости вала 1 по винтовой спирали установлены лопасти 3. Последние выполнены в виде непрерывной ленты, которая одной стороной сопряжена с внутренней поверхностью вала 1, при этом угол подъема ленты составляет 1-10^o. Рабочие поверхности лопастей 2 ветроколеса выполнены с продольными гофрами 4 на всю длину лопастей 2. Кроме того, в стенке полого вала 1 вдоль рабочей поверхности каждой лопасти 2 ветроколеса выполнены сквозные отверстия 5. Форма последних может быть различной, например, в виде щели, выполненной вдоль оси вала 1 ветроколеса.

Неподвижное ветронаправляющее средство содержит основание 6, верхнюю площадку 7, стенки 8 для концентрации ветра и ветронаправляющие стенки 9. Количество стенок 8 и 9 в неподвижном ветронаправляющем средстве должно быть, по крайней мере, не меньше четырех стенок каждого функционального назначения. Стенки 8 для концентрации ветра попарно, а также ветронаправляющие стенки 9 попарно установлены жестко на основании 6 по окружности ветроколеса диаметрально противоположно одна от другой под углом навстречу направлению движения ветроколеса относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось ветроколеса и середину, обращенной к ветроколесу плоскости стенки по ее высоте. Стенки 8 для концентрации ветра установлены навстречу направлению вращения ветроколеса под углом 10-20^o, а ветронаправляющие стенки 9 под углом 15-25^o. Свободные концы стенок 8 и 9 жестко прикреплены к верхней площадке 7. Основание 6 и верхняя площадка 7 снабжены ступицами 10, в которые помещены подшипники 11 вала 1 ветроколеса. Стенки 8 и 9 по высоте ветродвигателя выполнены сужающимися от основания 6 к верхней площадке 7, причем ширина стенки 8 для концентрации ветра выполнена как минимум в два раза больше ширины ветронаправляющей стенки 9 по всей их длине. На рабочих плоскостях стенок 8 для концентрации ветра установлены планки 12 для формирования направленного воздушного потока на ветроколесо, причем планки 12 установлены под углом 8-15^o к горизонтальной плоскости с углом подъема в сторону ветроколеса. Такие важнейшие конструктивные элементы ветродвигателя как лопасти 2 ветроколеса, стенки 8 для концентрации ветра и ветронаправляющие стенки 9 выполнены пустотелыми и с возможностью их обогрева для обеспечения надежной и бесперебойной работы ветродвигателя в суровых климатических условиях. Генератор (на чертеже не показан) кинематически соединен с нижним концом вертикального полого вала 1. При ураганных ветрах основную роль стабилизатора оборотов ветродвигателя выполняет дополнительный генератор (на чертеже не показан), который соединен с валом основного генератора посредством соединительной муфты.

Ветродвигатель работает следующим образом.

При возникновении ветра достаточной силы воздушные потоки, попадая на стенки 8, концентрируются последними, а затем стенками 8 и 9, а также планками 12 стенок 8 направляются на лопасти 2 ветроколеса и вращают его. При любом направлении ветра в формировании воздушных потоков на ветроколесо всегда участвуют как минимум 50% конструктивных элементов неподвижного ветронаправляющего средства (в приведенной на фиг. 2 конструкции ветродвигателя две стенки 8 для концентрации ветра и две ветронаправляющие стенки 9). Остальная часть стенок 8 и 9, расположенных с противоположной стороны ветроколеса, практически не оказывают никакого аэродинамического сопротивления уходящим с лопастей 2 воздушным потокам. Эти стенки 8 и 9 формируют дополнительные воздушные струи за ветроколесом так, что последние эжектируют воздушные потоки, увеличивая их скорость в ветроколесе. Такая организация воздушных потоков в ветродвигателе, а также выполнение рабочих поверхностей лопастей 2 гофрированными позволили значительно увеличить вращающий момент на валу 1 ветроколеса, что в итоге повысило КПД ветродвигателя.

После того, как ветродвигатель введет в рабочий режим электрогенератор, воздушный поток от его охлаждения направляется в полость вала 1 на лопасти 3. При этом в полость вала 1 через выполненные в его стенках вертикальные щели 5 поступают воздушные потоки с лопастей 2 ветроколеса, усиливая динамику движения воздушного потока непосредственно в полости вала 1.

Таким образом, более полно используется энергия ветра, набегающего на ветроколесо, что позволило увеличить КПД последнего. Кроме того, использование энергии воздуха от охлаждения электрогенератора в ветродвигателе позволило также существенно увеличить общий КПД ветродвигателя.

Данное изобретение позволило создать достаточно эффективный, надежный и удобный в эксплуатации ветродвигатель. Такой ветродвигатель целесообразно использовать в качестве модуля при проектировании и строительстве ветроэнергетических установок различной мощности.

Использование: в ветроэнергетике, а именно, ветряных двигателях с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит ветроколесо с лопастями, вертикальный полый вал, на котором закреплено ветроколесо, и неподвижное ветронаправляющее средство, расположенное по окружности ветроколеса. Вертикальный полый вал выполнен проточным, а в его полости по винтовой спирали установлены лопасти. Ветронаправляющее средство содержит стенки для концентрации ветра, ветронаправляющие стенки, основание и верхнюю площадку. Стенки для концентрации ветра попарно и ветронаправляющие стенки также попарно жестко установлены на основании по окружности ветроколеса диаметрально противоположно одна от другой под углом навстречу направлению вращения ветроколеса, а свободный конец каждой стенки жестко прикреплен к верхней площадке. 8 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Ветродвигатель, содержащий закрепленное на вертикальном полом валу ветроколесо с лопастями и неподвижное ветронаправляющее средство, расположенное по окружности ветроколеса, отличающийся тем, что вертикальный полый вал выполнен проточным, а в его внутренней полости по винтовой спирали дополнительно установлены лопасти, неподвижное ветронаправляющее средство содержит по меньшей мере четыре стенки для концентрации ветра, по меньшей мере четыре ветронаправляющие стенки, основание и верхнюю площадку, причем стенки для концентрации ветра попарно и ветронаправляющие стенки также попарно жестко установлены на основании по окружности ветроколеса диаметрально противоположно одна от другой под углом навстречу направлению вращения ветроколеса относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось ветроколеса и середину обращенной к ветроколесу плоскости стенки по ее высоте, при этом стенки для концентрации ветра установлены под углом 10 20^o, а ветронаправляющие стенки установлены под углом 15 25^o, свободный конец каждой стенки прикреплен к верхней площадке. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что винтовая спираль во внутренней полости вертикального вала установлена с углом подъема 1,0 - 10^o относительно горизонтальной плоскости. 3. Ветродвигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве лопастей в полости вала по винтовой спирали установлена непрерывная лента, которая одной стороной сопряжена с внутренней поверхностью вала. 4. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что на рабочей поверхности каждой лопасти ветроколеса выполнены продольные гофры. 5. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что в стенке вала ветроколеса по его длине со стороны рабочей поверхности каждой его лопасти выполнены сквозные отверстия, например, в виде вертикальных щелей. 6. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что основание и верхняя площадка ветронаправляющего средства снабжены ступицами, в которые помещены подшипники для установки вертикального вала ветроколеса. 7. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая стенка для концентрации ветра и каждая ветронаправляющая стенка выполнены сужающимися кверху, а в поперечном сечении стенки выполнены в виде полого треугольника. 8. Ветродвигатель по пп.1 и 7, отличающийся тем, что на рабочих плоскостях стенок для концентрации ветра установлены ветронаправляющие планки под углом 8 15^o к горизонтальной плоскости с углом подъема в сторону ветроколеса. 9. Ветродвигатель по пп.1, 7 и 8, отличающийся тем, что ширина стенки для концентрации ветра превышает ширину ветронаправляющей стенки по меньшей мере в два раза.