ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ МОЩНОСТИ Российский патент 1999 года по МПК F03D1/00 

Ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности относится к безредукторным ветроэнергетическим двигателям для использования энергии ветра и выработки электрической энергии.

Известно ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее ветроколесо, горизонтальную ось вращения, лопасти, имеющие внутренние полости и воздухозаборники (продольные щели), воздушную турбину и электрогенератор. При вращении ветроколеса в продольных каналах лопастей за счет центробежных сил создается разрежение (пониженное давление), обеспечивающее течение потока воздуха через турбину, вращающую электрогенератор, по полостям в лопастях от оси вращения к периферии с выходом в атмосферу [1] с. 53-54 Рис. 43, 2с. В таких конструкциях мощность ветроколеса определяется разностью между атмосферным давлением и разрежением, создаваемым центробежными силами во внутренней полости лопастей ветроколеса, которая теоретически не может быть более 1 атмосферы, а практически составляет еще меньшую величину. Это обуславливает предел повышения КПД ветроколеса. Наличие разрежения в рабочих полостях ветроколеса приводит к увеличению внешних нагрузок, действующих на конструкции лопастей. В подобных устройствах сохраняются большая материалоемкость и массивность. Усложнено управление.

Целью изобретения является создание ветроэнергетического устройства, обеспечивающего равномерно распределенную передачу реакции ветрового потока от лопастей ветроколеса к воздушной турбине, устранение механических устройств преобразования и передачи крутящего момента, уменьшение массы ветроэнергетического устройства, упрощение монтажа конструкции ветроэнергетического устройства, использование энергии ветра для приведения ветроколеса в нерабочее и рабочее положения, управление геометрической формой лопасти в продольном и поперечном сечениях, упрощение конструкции ветроколеса.

Предлагаемое ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности содержит опорную башню 1 (фиг. 1) с поворотным узлом 2 для ориентации ветроколеса по направлению ветра и полую горизонтальную ось 3, вращающуюся в подшипнике 4, размещенном в поворотном узле 2 (фиг. 2). Горизонтальная ось 3 приводится во вращение вокруг своей оси электроприводом 5 по командам системы автоматического управления ветроколеса (на схеме не показана).

Ветроколесо выполнено из гибких или полужестких воздухонепроницаемых материалов, например из ткани, и содержит лопасти 6 (фиг. 3). На свободных концах лопастей 6 размещены воздухозаборники 7. В каждой лопасти 6 имеются продольные полости 8, изолированные друг от друга. Продольные полости 8 с одной стороны, через воздухозаборник 7, соединены с атмосферой, а с другой - с воздушным распределителем 9 в приемном сопле 10 воздушной турбины 11 (фиг. 4). При избыточном давлении во внутренних продольных полостях 8 лопасти 6 в поперечном сечении представляют собой крыло, имеющее несимметричный аэродинамический профиль, обеспечивающий создание подъемной силы при обдувании ее внешним воздушным потоком. На внешнем конце лопастей 6 внутри воздухозаборников 7 находятся управляемые воздушные клапаны 12, через которые внутренние полости 8 лопастей 6 соединяются с атмосферой. Воздушные клапаны 12, управляемые системой автоматического управления, могут закрывать или открывать доступ воздуха из атмосферы в изолированные друг от друга внутренние полости 8 лопастей 6. Лопасти 6 ветроколеса (на виде со стороны ветрового потока) имеют дугообразную форму с прогибом в направлении, противоположном направлению вращения и обеспечивающую, при вращении ветроколеса, перемещение нагнетаемого воздуха вдоль продольных полостей 8 в лопастях 6 от периферии к центру (воздушной турбине 11). Воздушная турбина 11 размещена во внутренней полости 13 горизонтальной оси 3 и соединена валом 14 с электрогенератором 15, который может работать как в режиме генератора, так и в режиме электродвигателя. Электрогенератор 15 размещен в поворотном узле 2 для удобства обслуживания и снижения нагрузки на горизонтальную ось 3.

На горизонтальной оси 3, соосно с воздушной турбиной 11, размещен воздушный распределитель 9, содержащий входные патрубки 16 и створки 17. Створка 17 воздушного распределителя 9 выполнена в виде поворотной пластины. Количество и форма створок 17 соответствует отверстиям 18, соединяющим внутренние полости 8 лопастей 6 с полостью 13 горизонтальной оси 3. Створки 17 воздушного распределителя 9 могут поворачиваться, независимо друг от друга, вокруг своей оси индивидуальным приводом, срабатывающим по командам системы автоматического управления. Поворотом створки 17 воздушного распределителя 9 обеспечивается увеличение или уменьшение проходного сечения приемного сопла 10 и регулирование количества воздуха, поступающего к лопаткам воздушной турбины 11 из соответствующей полости 8 лопасти 6 (фиг. 4).

Передние стропы 19 крепятся одним концом к промежуточным точкам 20 передних кромок 21 лопастей 6, а другим концом к регулировочным кольцам 22 на наружной поверхности горизонтальной оси 3 (фиг. 5). Регулировочные кольца 22 приводятся во вращение вокруг горизонтальной оси 3 и фиксируются в заданном положении с помощью электроприводов 23 (фиг. 6) по командам системы автоматического управления, что приводит к изменению длины передних строп 19. Задние стропы 24 крепятся одним концом к промежуточным точкам 25 задних кромок 26 лопастей 6, а другим концом к регулировочным кольцам 22 на наружной поверхности горизонтальной оси 3. Для удобства управления лопастями 6 регулировочные кольца 22 расположены вдоль образующей цилиндрической поверхности горизонтальной оси 3. Длины передних 19 и задних 24 строп определяют угол атаки лопастей 6, который устанавливается в зависимости от скорости ветра, радиуса рассматриваемого поперечного сечения лопасти 6 и требуемой угловой скорости вращения ветроколеса. Изменение длины передних 19 и задних 24 строп обеспечивается независимым вращением регулировочных колец 22 электроприводами 23 по командам системы автоматического управления.

По периметру выходного сопла 27 (фиг. 1) воздушной турбины 11 размещены поворачивающиеся регулирующие заслонки 28, которые позволяют изменять площадь сечения выходного сопла 27 и регулировать количество воздуха, проходящего через воздушную турбину 11. Управление регулирующими заслонками 28 осуществляется системой автоматического управления в зависимости от давления в полостях 8 лопастей 6, скорости ветра, требуемой скорости вращения воздушной турбины и других параметров.

В нерабочем положении лопасти 6 вместе с передними 19 и задними 24 стропами ветроколеса намотаны на горизонтальную ось 3 по винтовой линии (фиг. 7).

Для приведения лопастей 6 ветроэнергетического устройства в рабочее положение створки 17 воздушного распределителя 9 поворачиваются в положение, при котором проходное сечение приемного сопла 10 имеет минимальное значение (полностью перекрыто). Поворотом горизонтальной оси 3 в направлении, обратном направлению намотки лопастей 6 на горизонтальную ось 3, производится освобождение (размотка) лопастей 6. Вместе с лопастями 6 при вращении оси 3 происходит освобождение (размотка) передних 19 и задних 24 строп. После раскрутки лопасти 6 под собственным весом повисают на горизонтальной оси 3 и стропах 19 и 24. Затем под действием набегающего ветрового потока на лопасти 6 начинает действовать крутящий момент в направлении по часовой стрелке (со стороны набегающего ветрового потока). Во избежание намотки лопастей 6 и строп 19 и 24 на горизонтальную ось 3 система автоматического управления включает принудительное вращение оси 3 в том же направлении (по часовой стрелке), но с угловой скоростью большей, чем угловая скорость лопастей 6. Закрытое положение створок 17 воздушного распределителя 9 при открытом положении воздушных клапанов 12 на внешних концах лопастей 6 обеспечивает нагнетание внутренних полостей 8 лопастей 6 воздухом под давлением большим чем атмосферное. Под действием избыточного давления воздуха во внутренних полостях 8, лопасти 6 приобретают требуемую форму. Для обеспечения правильного взаимного расположения лопастей 6 и их балансировки система автоматического управления осуществляет регулирование длины передних 19 и задних 24 строп, регулирование положения створок воздушных клапанов 12 и створок 17 воздушного распределителя 9. Например, закрытие воздушного клапана 12 на любой из лопастей 6, при прочих равных условиях, приведет к уменьшению момента сопротивления вращению и, соответственно, увеличению угловой скорости данной лопасти 6 относительно других лопастей ветроколеса. Изменением длины передних 19 и задних 24 строп на любой из лопастей 6 регулируется угол атаки и, соответственно, крутящего момента и угловой скорости данной лопасти 6.

При изменении направления ветрового потока поворотный узел 2 для ориентации оси вращения ветроколеса по направлению ветра поворачивается электроприводом (на схеме не показан) в нужном направлении по командам системы автоматического управления.

При изменении скорости ветра внутри рабочего диапазона скоростей возможно управление ветроколесом по нескольким параметрам: изменением углов атаки лопастей 6; изменением количества воздуха, проходящего через внутренние полости 8 и воздушную турбину 11.

При резком увеличении скорости ветра до значений, превышающих расчетное (рабочее), система автоматического управления открывает клапаны 12 на внешнем конце лопастей 6, открывает створки воздушных клапанов 17 в воздушном распределителе 9 и останавливает вращение горизонтальной оси 3 или вращает ее в направлении, противоположном вращению ветроколеса. Под действием ветра и сил инерции лопасти 6 со стропами продолжают вращаться вокруг оси 3 и наматываются на нее по винтовой линии, а воздух, находящийся во внутренних полостях 8, выходит в атмосферу через открытые воздушные клапаны 12 и распределитель 9. В результате наматывания лопастей на ось 3 уменьшается их длина и сопротивление ветровому потоку, величины крутящего и изгибающего моментов. Окончательная подмотка лопастей 6 и строп на ось 3 обеспечивается принудительным вращением оси 3 в направлении, противоположном вращению ветроколеса (фиг. 7). Свертывание ветроколеса в нерабочее (безопасное) положение происходит за время, соответствующее нескольким оборотам ветроколеса. При необходимости горизонтальная ось 3 с лопастями 6 и стропами 19 и 24 может быть зачехлена.

Перечень фигур
Фиг. 1 - Продольный разрез ветроэнергетического устройства в рабочем положении на листе формата A4.

Фиг. 2 - Поворотный узел ветроэнергетического устройства в рабочем положении на листе формата A4.

Фиг. 3 - Ветроэнергетическое устройство на виде со стороны набегающего потока на листе формата A4.

Фиг. 4 - Схема пневмораспределителя на листе формата A4.

Фиг. 5 - Схема крепления лопастей ветроколеса на листе формата A4.

Фиг. 6 - Механизм управления стропами на листе формата A4.

Фиг. 7 - Ветроэнергетическое устройство в нерабочем положении на листе формата A4.

Список литературы
7. Шефтер Я.И. и И.В. Рождественский "Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках" - М.: издательство Министерства сельского хозяйства СССР, 1957.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к безредукторным ветроэнергетическим двигателям для использования энергии ветра и выработки электрической энергии. Технический результат, заключающийся в создании ветроэнергетического устройства, обеспечивающего равномерно распределенную передачу реакции ветрового потока от лопастей ветроколеса к воздушной турбине, устранении механических устройств преобразования крутящего момента, уменьшении массы и упрощении монтажа конструкции, обеспечивается тем, что ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее установленное на горизонтальной оси вращения ветроколесо с лопастями, имеющими внутренние полости и воздухозаборники, управляемые электрогенератором, и воздушную турбину, согласно изобретению, устройство содержит воздушные клапаны, управляемые системой управления и соединяющие полости лопастей с воздушной турбиной, причем лопасти ветроколеса соединены стропами с горизонтальной осью, на которой вращается центральный подшипник, а сами полости выполнены в виде по меньшей мере двух продольных каналов. 7 ил.

Ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее установленное на горизонтальной оси вращения ветроколесо с лопастями, имеющими внутренние полости и воздухозаборники, управляемые электрогенератором, и воздушную турбину, отличающееся тем, что устройство содержит воздушные клапаны, управляемые системой управления и соединяющие полости лопастей с воздушной турбиной, причем лопасти ветроколеса соединены стропами с горизонтальной осью, на которой вращается центральный подшипник, а сами полости выполнены в виде по меньшей мере двух продольных каналов.