ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ТРЕХВАЛЬНОГО ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F03D7/02 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии в том числе для потребительных устройств малой мощности, для подачи электроэнергии через стабилизатор напряжения для маломощных потребителей энергии.

Известен воздушный винт (БСЭ, 1971 г., т. 5, стр. 2662), состоящий из втулки, укрепленной на валу, на которой закреплены радиально расположенные профилированные лопасти, имеющие вдоль размаха различные профили в поперечном сечении и переменный угол наклона профилей к плоскости вращения - крутку. Указанный винт пригоден как винт ветродвигателя для приема энергии ветрового потока. Однако он в этом случае имеет пониженный гидравлический КПД, так как активной частью для приема энергии ветрового потока является только часть лопасти, расположенная на некотором расстоянии от ее корня, и энергия ветрового потока по центральной части его поперечного сечения практически не используется.

Известен движительный комплекс двухвального судна (СССР, а.с. 846395, МПК В 63 H 5/14; 5/16; 1979 г.), содержащий два гребных винта, синхронизированных на взаимно противоположное вращение, с профилированными лопастями и размещенных в насадке в одной плоскости с взаимным перекрытием плоскостей вращения лопастей, причем валы винтов расположены в одной горизонтальной плоскости, а лопасти одного винта размещены в промежутках лопастей соседнего винта. Но конструкция гребного комплекса предназначена для работы в водной среде как движитель и малопригодна к применению в воздушной среде в качестве устройства в ветродвигателе для приема энергии ветрового потока и преобразования его кинетической энергии в энергию вращения.

Известен ветродвигатель (СССР, а.с. N 1523711, МПК F 03 D 7/02, 1987 г. ), содержащий лопастные ветроколеса, установленные один за другим на горизонтальном валу, регулятор частоты вращения ветроколес с исполнительным органом регулятора, а также электрогенератор, кинематически связанный с ветроколесами посредством трансмиссий, включающий вертикальный вал и комплекс конических шестерен. Однако указанный ветродвигатель имеет сложную конструкцию, особенно регулятора частоты вращения, работающего на фрикционное подтормаживание ветроколес, за счет чего часть полезной энергии ветрового потока, принимаемого ветроколесами, бесполезно рассеивается в виде тепла, возникающего при трении в тормозящем устройстве, а сами ветроколеса продолжают при этом испытывать повышенную нагрузку.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по своей технической сущности является ветроэнергическая установка (РФ, патент N 2096656 МПК F 03 D 7/07; 5/00, 1997) содержащая силовую опору, установленную на ней поворотную вокруг вертикальной оси головку с укрепленными на ней один за другим на горизонтальном валу рабочими колесами лопастного ротора с профилированными радиальными лопастями, кинематически связанного с одним из рабочих колес потребителем мощности, и ограничитель скорости вращения рабочих колес, содержащий закрепленный на поворотной головке вертикальный киль, установленные посредством соответствующих консольно-выносных кронштейнов аэродинамически уравновешенные - на выходной кромке киля - руль поворота, а на выходной кромке руля - триммер, связанный посредством тяги с вынесенной за пределы завихренного ветропотока лопастью управления фронтально к ветру на конце выносной консоли, шарнирно установленной на поворотной головке с возможностью отклонения в горизонтальной плоскости и подпружиненной навстречу ветру. Однако у данной ветроэнергетической установки несколько понижена энергетическая мощность в силу того, что рабочие колеса расположены один за другим и улавливают активную часть энергии ветрового потока, поперечное сечение которого уже перекрыто впереди расположенным ветроколесом, а также потому, что эффективность лопастей каждого рабочего колеса уменьшается к корню лопасти до нуля и для увеличения мощности ветроэнергетической установки необходимо увеличивать либо диаметр рабочих колес, либо их количество, что усложняет технологичность установки и ее практическое использование.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение площади поперечного сечения полезно используемого ветрового потока при сохраненном размере диаметра рабочих колес, достижение достаточной конструктивной простоты и увеличение гидравлического КПД за счет повышения эффективности использования кинетической энергии ветрового потока, техническим результатом чего, является увеличение мощности энергетического комплекса и увеличение его долговечности.

Суть изобретения заключается в следующем.

Энергетический комплекс трехвального ветродвигателя содержит силовую опору, установленную на ней поворотную вокруг вертикальной оси головку с укрепленными на ней рабочими колесами с профилированными радиальными лопастями, кинематически связанный с одним из рабочих колес потребитель мощности и ограничитель скорости вращения рабочих колес, содержащий закрепленный на поворотной головке вертикальный киль, а также установленные посредством соответствующих консольно-выносных шарнирных кронштейнов аэродинамически уравновешенные - на выходной кромке киля - руль поворота, а на выходной кромке руля - триммер, связанный посредством тяги с вынесенной за пределы возмущенного ветрового потока лопастью управления, закрепленной своей плоскостью фронтально к ветру на конце выносной консоли, шарнирно установленной на поворотной головке с возможностью отклонения в горизонтальной плоскости и подпружиненной пружиной навстречу ветру, при том, что комплекс состоит из трех рабочих колес, выполненных в виде воздушных винтов, валы которых взаимно параллельны, расположены в одной горизонтальной плоскости и установлены на горизонтальной силовой раме, а лопасти - в двух фронтально обращенных к ветру взаимно параллельных плоскостях, причем у двух соседних винтов, одинаковых по диаметру - в передней плоскости, а у третьего - в задней плоскости, и при этом валы передних винтов расположены на расстоянии друг от друга, меньшем диаметра винта, их лопасти обращены в сторону соседнего винта, размещены в промежутках между лопастями соседнего винта, ориентированы на вращение во взаимно противоположные стороны и синхронизированы на вращение с одинаковой частотой посредством шестерен, закрепленных по одной на каждом валу, и промежуточных шестерен, установленных на силовой горизонтальной раме, а вал третьего винта кинематически связан с валом по крайней мере, одного из передних винтов посредством шестерен, также по одной установленных на соответствующих концах указанных валов, причем потребитель мощности, предпочтительно электрогенератор, кинематически связан с валом третьего винта, например, посредством соединительной муфты валов.

Горизонтальная силовая рама, расположена выше верхней плоскости поворотной головки и закреплена на ней посредством выносных силовых раскосов, а шестерни, по крайней мере часть из них, и лопасти винтов могут быть изготовлены из капролактама.

Новыми отличительными признаками являются следующие признаки:
- энергетический комплекс содержит три кинематически связанных между собой воздушных винта, два из которых расположены впереди рядом друг с другом, а третий за ними и обращены фронтально навстречу ветру, что способствует повышению мощности комплекса;
- валы винтов расположены в одной горизонтальной плоскости, за счет чего устранено увеличение вертикального размера активной части комплекса и увеличение диаметра винтов, способствующее повышению прочности лопастей;
- расположением винтов в порядке, когда два передних винта расположены рядом с взаимным перекрытием плоскостей винтов и третйй позади них, сохранена величина вертикального размера комплекса и обеспечена незначительность увеличения поперечного горизонтального размера комплекса при одновременном значительном увеличении эффективности использования энергии ветрового потока, поскольку более полно использована его энергия по всему поперечному сечению, в том числе и энергия, неизбежно затрачиваемая на ненужную закрутку ветрового потока впереди расположенными воздушными винтами, и повышение гидравлического КПД комплекса;
- вынос плоскости валов винтов выше верхней горизонтальной плоскости поворотной головки обеспечивает более плавное и спокойное набегание ветрового потока на лопасти винтов, сохраняет ламинарность набегаемого ветрового потока, уменьшает дополнительные потери его энергии при возможном завихривании;
- изготовление части шестерен и лопастей винтов из капролактама способствует повышению механического КПД кинематической связи валов и антикоррозийной долговечности комплекса, работающего в воздушной атмосфере с неизбежной ее влажностью.

На фиг. 1 схематично изображен с частичным разрезом вид сверху; на фиг.2 - вид спереди.

Энергетический комплекс трехвального ветродвигателя содержит силовую опору (1), установленную на ней поворотную вокруг вертикальной оси головку (2) с укрепленными на ней рабочими колесами с профилированными радиальными лопастями (3), кинематически связанный с одним из рабочих колес потребитель (4) мощности и ограничитель скорости вращения рабочих колес, содержащий закрепленный на поворотной головке вертикальный киль (5), а также установленные посредством соответствующих консольно-выносных шарнирных кронштейнов аэродинамически, уравновешенные - на выходной кромке киля - руль поворота (6), а на выходной кромке руля - триммер (7), связанный посредством тяги (8) с вынесенной за пределы возмущенного ветрового потока лопастью (9) управления, закрепленной своей плоскостью фронтально к ветру на конце выносной консоли (10), шарнирно установленной на поворотной головке с возможностью отклонения в горизонтальной плоскости и подпружиненной пружиной (11) навстречу ветру, при том, что комплекс состоит из трех рабочих колес, выполненных в виде воздушных винтов, валы (12) которых взаимно параллельны, расположены в одной горизонтальной плоскости и установлены на горизонтальной силовой раме (13), а лопасти - в двух фронтально обращенных к ветру, взаимно параллельных плоскостях (14), причем у двух передних винтов, одинаковых по диаметру - в передней плоскости, а у третьего - в задней плоскости и при этом валы передних винтов расположены на расстоянии друг от друга, меньшем диаметра винта, их лопасти обращены в сторону соседнего винта, размещены в промежутках между лопастями соседнего винта, ориентированы на вращение во взаимно противоположные стороны, и синхронизированы на вращение с одинаковой частотой посредством шестерен (15) закрепленных по одной на каждом валу, и промежуточных шестерен (16), установленных на силовой горизонтальной раме, а вал третьего - заднего винта кинематически связан с валом по крайней мере одного из передних винтов посредством шестерен (17), также по одной установленных на соответствующих концах указанных валов, причем потребитель мощности, предпочтительно электрогенератор, (18) кинематически связан с валом среднего винта, например, посредством соединительной муфты валов (19). Горизонтальная силовая рама расположена выше верхней плоскости (20) поворотной головки и закреплена на ней посредством выносных силовых раскосов (21), а шестерни, по крайней мере часть из них, и лопасти винтов могут быть изготовлены из капролактама.

Энергетический комплекс трехвального ветродвигателя работает следующим образом.

Ветровой поток набегает на лопасти впереди расположенных винтов, обтекает их и за счет своей кинетической энергии, вращает их во взаимно противоположных направлениях согласно ориентации профилей лопастей. Несмотря на то, что плоскости вращения винтов взаимно перекрывают друг друга, это не препятствует вращению винтов т.к. лопасти одного винта при вращении винтов синхронизированы на одинаковые скорости вращения, проходят через промежутки между лопастями соседнего винта поочередно лопасть одного винта за лопастью соседнего, чем достигается дополнительное использование энергии закрутки (отбрасывания) ветрового потока одним из винтов на вращение соседнего винта и частичное выпрямление ветрового потока, поступающего на лопасти заднего винта, который кинематически связан с потребителем мощности. Поскольку все три винта кинематически связаны между собой они работают как единый ветродвигательный комплекс, более полно и эффективно используя кинетическую энергию ветрового потока по всему его поперечному сечению.

При этом ветровой поток, пройдя через лопасти винтов, обтекает киль, ориентируя комплекс на ветер. В случае, когда сила ветра превышает допустимую, командная лопасть отклоняется в сторону по ветру, отклоняя триммер руля, который в свою очередь отклоняет руль поворота, за счет чего поворачивается на некоторый угол вся поворотная головка совместно с комплексом винтов. Винты несколько "отворачиваются" от ветра, продолжая вращение с прежней частотой, тем самым уменьшаются возможные силовые нагрузки на лопасти при усилении ветра и сглаживается неравномерность скорости вращения винтов при порывистости ветра.

Реализация предлагаемого изобретения позволит создать энергетический комплекс трехвального ветродвигателя, сравнительно несложного по конструкции, с повышенными мощностью, гидравлическим КПД и долговечностью, с уменьшенными размахом лопастей и площади поперечного сечения используемого ветрового потока, рационально пригодного при эксплуатации слабомощных потребителей.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для выработки электроэнергии, в частности для подачи электроэнергии через стабилизатор напряжения. Технический результат, заключающийся в увеличении мощности энергетического комплекса и его долговечности, обеспечивается тем, что энергетический комплекс трехвального ветродвигателя содержит силовую опору, поворотную вокруг вертикальной оси головку с укрепленными на ней тремя рабочими колесами, выполненными в виде воздушных винтов с лопастями, ограничитель скорости вращения рабочих колес, состоящий из киля, руля поворота, триммера и лопасти управления. Валы винтов взаимно параллельны, расположены в одной горизонтальной плоскости, установлены на горизонтальной раме, закрепленной на поворотной головке, а лопасти расположены в двух взаимно параллельных плоскостях, причем у двух соседних винтов - в передней плоскости, а у третьего - в задней плоскости, при этом лопасти передних винтов обращены в сторону соседнего винта, расположены в промежутках лопастей соседнего винта, ориентированы на взаимно противоположное вращение и синхронизированы на вращение с одинаковой частотой посредством шестерен. Вал третьего - заднего винта кинематически связан с валом, например, одного из передних винтов и посредством шестерен - с валом потребителя мощности, например с электрогенератором, посредством соединительной муфты валов. Лопасти винтов и шестерен могут быть выполнены из прочного антикоррозийного материала, например капролактама. Горизонтальная силовая рама расположена выше верхней плоскости поворотной головки и закреплена на ней посредством выносных силовых раскосов. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Энергетический комплекс трехвального ветродвигателя, содержащий силовую опору, установленную на ней поворотную вокруг вертикальной оси головку с укрепленными на ней рабочими колесами с профилированными радиальными лопастями, кинематически связанный с одним из рабочих колес потребитель мощности и ограничитель скорости вращения рабочих колес, содержащий закрепленный на поворотной головке вертикальный киль, а также установленные посредством соответствующих консольно-выносных шарнирных кронштейнов аэродинамически уравновешенные на выходной кромке киля - руль поворота, а на выходной кромке руля - триммер, связанный с лопастью управления, закрепленной своей плоскостью фронтально к ветру на конце выносной консоли, шарнирно установленной на поворотной головке с возможностью отклонения в горизонтальной плоскости и подпружиненной пружиной навстречу ветру, отличающийся тем, что комплекс состоит из трех рабочих колес, выполненных в виде воздушных винтов, валы которых взаимно параллельны, расположены в одной горизонтальной плоскости и установлены на горизонтальной силовой раме, а лопасти - в двух фронтально обращенных к ветровому потоку параллельных плоскостях, причем у двух соседних винтов, одинаковых по диаметру, - в передней плоскости, а у третьего - в задней плоскости, и при этом валы передних винтов расположены на расстоянии друг от друга, меньшем диаметра винта, их лопасти обращены в сторону соседнего винта, размещены в промежутках между лопастями соседнего винта, ориентированы на вращение во взаимно противоположные стороны и синхронизированы на вращение с одинаковой частотой посредством шестерен, закрепленных по одной на каждом валу, и промежуточных шестерен, установленных на силовой горизонтальной раме, а вал третьего - заднего винта кинематически связан с валом по крайней мере одного из передних винтов посредством шестерен, также по одной, установленных на соответствующих концах валов, причем потребитель мощности кинематически связан с валом третьего винта. 2. Энергетический комплекс по п.1, отличающийся тем, что горизонтальная силовая рама расположена выше верхней плоскости поворотной головки и закреплена на ней посредством выносных силовых раскосов. 3. Энергетический комплекс по п.1, отличающийся тем, что часть шестерен и лопасти винтов изготовлены из капролактама.