ВЕТРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к области малой энергетики, а именно к ветряным двигателям, и может быть использовано для обогрева и вентилирования помещений, а также в качестве автономного источника энергии на зданиях, имеющих достаточную высоту.

Известен ветряной двигатель, содержащий статор с внешними ветровыми проточными каналами и колоннами, образующими направляющий аппарат, который ориентирован по ветру флюгером (см. патент Японии 5 - 11218, МКИ 5 F 03 D 1/0, 1993 г.).

Недостатками известного решения является большое количество подвижных элементов, что значительно усложняет конструкцию и делает ее громоздкой, сложной в эксплуатации и ремонте, и нет устройств, защищающих ротор от разрушения при превышении предельно допустимой частоты вращения.

Известна также ветротурбинная установка, содержащая ротор фрикционного типа, выполненного в виде вала, размещенного вертикально с возможностью вращения внутри корпуса, и снабженного пластинами, установленными одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии (см. патент Германии 4416560, МКИ F 03 D 3/00, 1995 г.).

В связи с тем, что для эффективной работы ветродвигателя необходимы большие поверхности - выполнение пластин в виде конуса и установка их с зазором друг относительно друга очень трудоемкий процесс, связанный с большими финансовыми расходами. При этом предлагаемую конструкцию практически невозможно отбалансировать, что ведет к повышенному уровню вибрации.

Кроме того, не предусмотрены устройства, защищающие установку от разрушения при превышении предельно допустимой частоты вращения.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является повышение надежности и безопасности работы ветротурбинной установки.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в снижении возможности разрушения установки, уровня шума и вибрации при одновременном повышении мощности.

Поставленная задача решается тем, что ветротурбинная установка, содержащая ротор фрикционного типа, выполненный в виде вала, размещенного вертикально, с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного пластинами, установленными одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии, отличается тем, что пластины выполнены в виде плоских дисков, при этом соседние пластины скреплены друг с другом стяжными элементами, например, гибкими, вал выполнен полым, а в его стенках в каждом зазоре между пластинами выполнены сквозные отверстия, при этом корпус ветротурбинной установки выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки, установленные вокруг ротора тангенциально внешней кромке плоских дисков, кроме того, полость вала открыта за пределами внутренней полости направляющего аппарата.

При этом вал установки непосредственно связан с нагрузочным устройством, например вентилятором и/или электрогенератором.

Кроме того, в плоских дисках выполнены сквозные отверстия, расположенные в центральной части дисков.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак "...пластины выполнены в виде плоских дисков..." позволяет снизить вибрацию за счет минимального дисбаланса, который имеют круглые диски. При этом вся поверхность дисков принимает участие в работе, что позволяет повысить мощность установки.

Признак "...при этом соседние пластины скреплены друг с другом стяжными элементами, например гибкими. . ." повышает жесткость и устойчивость установки.

Признаки "...вал выполнен полым, а в его стенках, в каждом зазоре между пластинам выполнены сквозные отверстия. .." и "...полость вала открыта за пределами внутренней полости направляющего аппарата...", а также признаки дополнительного третьего пункта формулы изобретения предназначены для выхода отработанного воздуха.

Признак ". ..корпус выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки, установленные тангенциально внешней кромке плоских дисков. . ." позволяет направлять поток воздуха на диски независимо от направления ветра, одновременно выполняет защитные функции, ограждая ротор от возможных разрушений.

Признаки дополнительного второго пункта формулы изобретения введены для повышения надежности работы установки т.к. при любых условиях вентилятор не даст превысить предельную разрушающую частоту вращения в связи с тем, что мощность, необходимая для его вращения имеет кубическую зависимость от частоты вращения (N-f(n³)). Причем на малых и умеренных скоростях ветра и соответственно ротора мощность, вырабатываемая ветротурбинной установкой, распределяется между вентилятором и электрогенератором в зависимости от нагрузки на них.

На фиг. 1 показано сечение ветротурбинной установки, а на фиг.2 - ее поперечное сечение.

На чертеже показаны пакет пластин 1, вал 2, корпус 3 и 10, сквозные отверстия 4 и 5, вертикальные стяжки 6, направляющие лопатки 7, вентилятор 8 и электрогенератор 9.

Установка содержит пакет пластин 1, представляющих собой плоские диски, которые установлены одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии на валу 2. Вал 2 выполнен полым и размещен вертикально внутри корпуса 3 с возможностью вращения в нем. В каждом зазоре между пластинами 1 в стенках вала 2 выполнены сквозные отверстия 4. На каждой пластине 1 выполнены отверстия 5, расположенные в непосредственной близости к валу. Пластины 1 скреплены вертикальными стяжками 6, расположенными по окружности на заданном расстоянии от центра. Стяжки 6 состоят, например, из проставок, которые устанавливают между пластинами 1 и стягивают их в пакет стержнями. Корпус 3 неподвижен, выполнен в виде направляющего аппарата, состоящего из вертикально расположенных направляющих лопаток 7, которые устанавливают тангенциально внешней кромке плоских дисков 1, которые образуют внешние ветровые проточные каналы, расположенные по касательной к внутренней окружности установки. На валу 2 жестко укрепляют нагрузочное устройство, которое состоит из вентилятора 8 и электрогенератора 9. Характеристика электрогенератора 9 близка к линейной, а у вентилятора 8 имеет кубическую зависимость от частоты вращения. Поэтому при малых скоростях ветра и ротора ветротурбинной установки (на основных рабочих режимах) характеристики согласованы, а при скоростях ветра, опасных для установки, нагрузка, создаваемая вентилятором автоматически возрастает и тормозит ротор, спасая его от разрушения. Особенность электрогенератора 9 состоит в том, что его ротор выполнен плоским и имеет большой диаметр, что позволяет исключить ускоряющую передачу, обычно применяемую в ветротурбинных установках, так как электромагнитные элементы ротора расположены на периферии нагрузочных дисков и имеют необходимую скорость взаимодействия с элементами ротора.

Устройство работает следующим образом.

Поток ветра, проходящий через направляющие лопатки 7 корпуса 3, направляют в заданном направлении и он поступает на пакет плоских пластин 1. При движении его в зазорах между пластинами 1 его энергия благодаря силам поверхностного трения передается пакету плоских пластин 1 и приводит его во вращательное движение. Движущийся к центру поток воздуха, отдав энергию, выходит в радиальном направлении через отверстия 4 и 5. Крутящий момент передается по валу 2 от ветротурбинной установки к дискам нагрузочного устройства. Диски вентилятора 8, жестко укрепленные на валу 2, при вращении увлекают поток воздуха, заставляя его двигаться от центра к периферии, тем самым нагружают турбину. На периферии дисков вентилятора 8 и на корпусе 10 закрепляют электромагнитные элементы электрогенератора 9 (например, катушки). Мощность, вырабатываемая электрогенератором 9, во многом определяется окружной скоростью ротора, которая достаточно велика за счет большого диаметра. Применение ротора большого диаметра позволяет исключить ускоряющую передачу, обычно применяемую в ветротурбинных установках, и тем самым повысить кпд установки и ее надежность.

Характеристики ветротурбинной установки, вентилятора и электрогенератора подбирают таким образом, чтобы при работе на большинстве режимов (скоростей ветра) максимально использовать энергию ветра, а при скоростях ветра опасных для установки, когда центробежные силы могли бы разрушить ротор, вентилятор 8 тормозит ротор. Это происходит плавно и автоматически благодаря кубической зависимости мощности, потребляемой вентилятором, от частоты вращения. Если разрушение ротора все же произошло, то элементы корпуса 3 исключают возможность выброса частей ротора за пределы корпуса, обеспечивая безопасность эксплуатации ветротурбинной установки в любых условиях. Кроме того, прочность и надежность ротора обеспечивается применением стяжек 6, соединяющих пластины 1 ротора в единое целое.

Изобретение относится к области малой энергетики, а именно к ветряным двигателям, и может быть использовано для обогрева и вентилирования помещений, а также в качестве автономного источника энергии на зданиях, имеющих достаточную высоту. Технический результат, заключающийся в повышении надежности и безопасности в работе ветротурбинной установки, обеспечивается за счет того, что в установке, содержащей ротор фрикционного типа, выполненный в виде вала, размещенного вертикально с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного пластинами, установленными одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии, согласно изобретению пластины выполнены в виде плоских дисков, при этом соседние пластины скреплены друг с другом стяжными элементами, например, гибкими, вал выполнен полым, а в его стенках в каждом зазоре между пластинами выполнены сквозные отверстия, кроме того, в плоских дисках выполнены сквозные отверстия, расположенные в центральной части дисков, а корпус ветротурбинной установки выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки, установленные вокруг ротора тангенциально внешней кромке плоских дисков, полость вала открыта за пределами внутренней полости направляющего аппарата, а вал установки непосредственно связан с нагрузочным устройством, например вентилятором и/или электрогенератором. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ветротурбинная установка, содержащая ротор фрикционного типа, выполненный в виде вала, размещенного вертикально, с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного пластинами, установленными одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии, отличающаяся тем, что пластины выполнены в виде плоских дисков, при этом соседние пластины скреплены друг с другом стяжными элементами, например, гибкими, вал выполнен полым, а в его стенках в каждом зазоре между пластинами выполнены сквозные отверстия, при этом корпус ветротурбинной установки выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки, установленные вокруг ротора тангенциально внешней кромке плоских дисков, кроме того, полость вала открыта за пределами внутренней полости направляющего аппарата. 2. Ветротурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что вал установки непосредственно связан с нагрузочным устройством, например вентилятором и/или электрогенератором. 3. Ветротурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в плоских дисках выполнены сквозные отверстия, расположенные в центральной части дисков.