САМОРЕГУЛИРУЮЩАЯСЯ ВЕТРОТУРБИНА Российский патент 2001 года по МПК F03D1/04 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно входит в состав оборудования ветросиловой энергоустановки.

Известен ветродвигатель, содержащий корпус с входным конфузором, горловиной и выходным диффузором, вал, размещенный в корпусе, турбину и лопастной ротор, причем конфузор снабжен направляющими лопатками, ротор вращается относительно вала и выполнен в виде размещенной на нем втулки с вентиляторными лопатками и кольцевым ободом, связанным с концами лопаток (см. SU, 1590626 A1, кл. F 03 D 1/04, 07.09.1990).

К недостаткам конструкции ветродвигателя относятся низкий коэффициент использования энергии ветра из-за сложности конструкции и низкая надежность установки.

Известен ветряной двигатель, содержащий направляющую трубу, состоящую из раструба, конических частей и наружного конического кожуха, наклонные перегородки, рабочее колесо, кольцевой канал и клапаны (см. SU, 3459 А, кл. F 03 D 1/04, 31.08.1927).

К недостаткам конструкции ветряного двигателя относятся низкий КПД и отсутствие возможности автоматически регулировать скорость вращения рабочего колеса.

Известна ветротурбина, содержащая рабочий канал с диффузором на выходе и размещенный в канале вал турбины с рабочими лопатками, жестко закрепленными под определенным углом к его оси (см. SU 1523707 A1, кл. F 03 D 1/04, 23.11.1989), принятая по совокупности существенных признаков за прототип.

К недостаткам предложенной в качестве ближайшего аналога (прототипа) ветротурбины относится низкий КПД использования энергии ветросилового потока.

Технический результат, заключающийся в повышении КПД ветротурбины и увеличении коэффициента использования энергии ветра, а также достижении процесса авторегулирования скорости вращения турбины до заданной оптимальной величины, обеспечивается за счет того, что в ветротурбине, содержащей рабочий канал с диффузором на выходе и размещенный в канале вал турбины с рабочими лопатками, жестко закрепленными под определенным углом к его оси, согласно изобретению рабочие лопатки закреплены с образованием по меньшей мере одного ряда, на внутренней поверхности канала жестко закреплен по меньшей мере один ряд направляющих лопаток, причем направляющие лопатки выходного ряда установлены параллельно оси вала, кроме того, в канале между турбиной и выходным диффузором установлен центробежный регулятор скорости ветрового потока, соединенный своим валом с валом турбины через понижающий редуктор, а на ведущих штангах регулятора жестко укреплены регулирующие заслонки в форме трапеции, плоскость которых направлена навстречу ветровому потоку.

На фиг. 1 изображена саморегулирующаяся ветротурбина (общий вид); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

Турбина содержит рабочий канал 1 с диффузором 2 на выходе, размещенный в канале 1 вал 3 ветротурбины, рабочее колесо 4 ветротурбины с рабочими лопатками 5, промежуточные направляющие лопатки 6, выходные направляющие лопатки 7, коническую зубчатую пару 8, выходной вал 9, понижающий редуктор 10, роликоподшипник 11, вал 12 центробежного регулятора 13, неподвижное кольцо 14, ведущую штангу 15, регулирующую заслонку 16, груз 17, ведомую штангу 18 центробежного регулятора 13, пружину 19 возврата и подвижное кольцо 20.

Устройство работает следующим образом.

Ветровой поток поступает по рабочему каналу 1 саморегулирующейся ветротурбины и, ударяя в плоскость рабочих лопаток 5, заставляет их вращать рабочее колесо 4, жестко сидящее на валу 3. При вращении вала 3 ветротурбины и соединенного с ней через понижающий редуктор 10 вала 12 центробежного регулятора 13 возникает центробежная сила, стремящаяся поднять груз 17, а значит, и верхний конец ведущей штанги 15 с регулирующей заслонкой 16. Если эта центробежная сила больше, чем сумма противодействующих сил, то вращающиеся регулирующие заслонки 16 поднимаются вверх и, перекрывая сечение рабочего канала 1, препятствуют прохождению ветрового потока, снижая его скорость. С понижением этой скорости снижается и скорость вращения ветротурбины, центробежная сила уменьшается и регулирующие заслонки 16 опускаются. Это будет продолжаться до тех пор, пока установится скорость вращения, при которой центробежная сила и сумма противодействующих сил будут уравновешены.

Таким образом производится автоматическое саморегулирование ветротурбиной своего вращения, поскольку в исходном положении, когда скорость вращения ветротурбины оптимальна, соблюдаются условия равновесия сил:
P_ц= ΣP_пр
где Р_ц - центробежная сила, Н;
ΣP_пр- сумма противодействующих сил, Н.

ΣP_пр= P_в.п.+ P_пр.в.+ M
где Р_В.П. - сила ветрового потока, действующая на поверхность регулирующих заслонок, Н;
Р_пр.в. - сила пружины возврата, Н;
М - масса груза, кг.

В этом случае регулирующие заслонки 16 находятся в крайнем нижнем положении, т.е. опущены вниз и не препятствуют прохождению ветрового потока через проходное сечение между ними и рабочим каналом 1. При увеличении скорости ветра, а вместе с этим и скорости вращения ветротурбины, центробежная сила резко возрастает, т.к.

P_ц= M·ω²·r
где М - масса груза, кг;
ω- угловая скорость, рад/с;
r - радиус вращения груза, м,
и, действуя на груз 17, преодолевает все указанные выше противодействующие силы, поднимая вверх регулирующие заслонки 16. Несмотря на то, что площадь их поверхности меньше площади сечения проходящего ветрового потока, они, в силу своего быстрого вращения за определенный малый промежуток времени, многократно перекрывают площадь его поперечного сечения и тем самым значительно увеличивая аэродинамическое сопротивление, уменьшают скорость ветрового потока. Чем больше скорость ветра, тем выше поднимается груз 17 и тем большее сечение ветрового потока перекрывается поднимающимися и вращающимися регулирующими заслонками 16. С уменьшением скорости ветрового потока в рабочем канале 1 и скорости вращения ветротурбины, они опускаются в такое положение, когда центробежная сила будет уравновешена суммой противодействующих сил.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно входит в состав оборудования ветросиловой энергоустановки. Технический результат, заключающийся в повышении КПД ветротурбины и увеличении коэффициента использования энергии ветра, а также достижении процесса авторегулирования скорости вращения турбины до заданной оптимальной величины, обеспечивается за счет того, что в ветротурбине, содержащей рабочий канал с диффузором на выходе и размещенный в канале вал турбины с рабочими лопатками, жестко закрепленными под определенным углом к его оси, согласно изобретению рабочие лопатки закреплены с образованием по меньшей мере одного ряда, на внутренней поверхности канала жестко закреплен по меньшей мере один ряд направляющих лопаток, причем направляющие лопатки выходного ряда установлены параллельно оси вала. Кроме того, в канале между турбиной и выходным диффузором установлен центробежный регулятор скорости ветрового потока, соединенный своим валом с валом турбины через понижающий редуктор, а на ведущих штангах регулятора жестко укреплены регулирующие заслонки в форме трапеции, плоскость которых направлена навстречу ветровому потоку. 2 ил.

Ветротурбина, содержащая рабочий канал с диффузором на выходе и размещенный в канале вал турбины с рабочими лопатками, жестко закрепленными под определенным углом к его оси, отличающаяся тем, что рабочие лопатки закреплены с образованием по меньшей мере одного ряда, на внутренней поверхности канала жестко закреплен по меньшей мере один ряд направляющих лопаток, причем направляющие лопатки выходного ряда установлены параллельно оси вала, в канале между турбиной и выходным диффузором установлен центробежный регулятор скорости ветрового потока, соединенный своим валом с валом турбины через понижающий редуктор, а на ведущих штангах регулятора жестко укреплены регулирующие заслонки в форме трапеции, плоскость которых направлена навстречу ветровому потоку.