ПЕРЬЕВАЯ ВЕТРОТУРБИНА Российский патент 2003 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветродвигателям с вертикальной осью вращения. Известен быстроходный ветродвигатель с вертикальной осью вращения и малым количеством лопастей (журнал "Наука и Жизнь", 7, 1989 г., стр.19).

К недостаткам такого колеса относится низкий крутящий момент, не позволяющий использовать его непосредственно для привода компрессора высокого давления, высокая скорость движения лопастей, что опасно для птиц и насекомых и является вредным экологическим фактором. Кроме того, быстро движущиеся лопасти создают шум, что так же не желательно.

Наиболее близким, принятым за прототип, является ветродвигатель с вертикальной осью вращения (RU 2029885 C1, кл. F 03 D 3/00, 3/06 от 27.02.1995). К недостаткам известной конструкции относятся небольшой крутящий момент, шумность, большое лобовое сопротивление ветровому потоку при стабилизации скорости вращения, что опасно при сильных ветрах, несбалансированность колеса, что увеличивает нагрузку на агрегат и снижает его надежность. Большие относительные размеры лопастей, соизмеримые с размерами ветроагрегата, затрудняют производство таких агрегатов промышленным способом, ограничивают максимальные размеры и максимальную единичную мощность ветроколеса. Крепление лопасти на двух кронштейнах придает лишний вес конструкции, а угол разворота более 90^o ограничивает работу лопастей в узком секторе колеса не более 90^o, что приводит к низкому КПД ветродвигателя - до 15%.

Технический результат, заключающийся в снижении вредного влияния ветроагрегата на окружающую среду, создании ветроагрегата с большим крутящим моментом и коэффициентом использования ветрового потока до 75%, в возможности строить серийно ветроагрегаты большой мощности - свыше 100 МВт, в возможности массового производства их одинаковых, относительно малогабаритных деталей промышленным способом, обеспечивается за счет того, что перьевая ветротурбина, содержащая опору, вертикальный вал, поворотные лопасти, согласно изобретению состоит из сборной ступицы в виде беличьего колеса и сборного из одинаковых деталей обода, стянутых между собой растяжками, с закрепленными в шарнирах на ободе одним концом вертикально вверх и вниз упругими перьями, образующими решетки профилей, а в шарнирах имеется упругий ограничитель поворота в виде эксцентрика и пневмоподушки. Ограничитель обеспечивает отклонение от перпендикулярного к радиусу положения плоскости пера в пределах ±45^o, с усилием, минимальным в среднем и возрастающим до максимума в крайних положениях. Перо согласно предложенной конструкции состоит из упругого, с возможностью скручивания лонжерона переменного сечения, уменьшающегося от крепления к концу до нуля. На лонжероне закреплены под углом к его оси упругие нервюры клинообразной формы с уменьшающимся сечением от крепления к концу до нуля и закрепленным на образуемой ими поверхности эластичным воздухонепроницаемым материалом.

На фиг.1 изображена первая ветротурбина, общий вид;
на фиг.2 - колесо ветротурбины со ступицей и ободом;
на фиг.3 - перо ветротурбины;
на фиг.4 - сечение лонжерона, вид А-А;
на фиг.5 - крепление пера в гнездах на корпусе пневмоподушки;
на фиг.6 - вид Б-Б по фиг.5;
на фиг.7 - пневмоподушка.

Перьевая ветротурбина представляет собой напряженную конструкцию, содержащую опору (не показана), вертикальный вал 1, поворотные лопасти (перья) 6, обод, который собран из одинаковых элементов 7 и притянут к сборной ступицей 3 (в виде беличьего колеса) тросовыми растяжками 4. С внутренней стороны обода на стыке элементов 7 предусматриваются устройства для регулировки натяжения тросовых растяжек 4, которые связывают обод колеса со ступицей 3. Ступица 3 выполнена в виде беличьего колеса. На фланцах ступицы 3 по внутреннему диаметру закреплены опорные ролики (не показаны) для свободного вращения ступицы 3 на полой несущей оси 1. Верхний фланец ступицы 3 соединен с силовым валом 2 привода компрессора (не показан), который проходит внутри оси, нижний конец которого связан с компрессором.

Перо 6 для ветротурбины состоит из упругого, способного к скручиванию лонжерона 10 переменного сечения, уменьшающегося от корневой части к его концу 10' до нуля. Для того чтобы лонжерон 10 имел упругую податливость к скручиванию, его сечение имеет вид незамкнутого кольца. На лонжероне 10 закреплены упругие нервюры 8 клинообразной формы с прямоугольным сечением, уменьшающимся от корневой части к концу 8' до нуля. Длина нервюр 8 уменьшается по мере приближения точки их крепления к концу лонжерона 10. На образуемую ими поверхность наклеивается эластичный воздухонепроницаемый материал 9. Перья 6 закрепляются гнездами 11 снизу и сверху в одном общем шарнире 5, который находится в корпусе пневмоподушки 14, имеющейся на каждом стыке деталей 7 обода. Гнезда 11 позволяют быстро и легко монтировать их во время сборки агрегата или демонтировать при ремонте или замене, а так же регулировать положение плоскости пера 6 относительно радиуса колеса.

Пневмоподушка 14 представляет собой тарельчатый корпус 17 с закрепленной на нем мягкой мембраной 16 и корпусом 15 шарнира 5 пера 6. На мембране 16 закреплен металлический подпятник 13, а под мембраной 16 имеется полость с воздухом под некоторым давлением Р. Шарнир 5 с гнездами 11 через эксцентрик 12 опирается на подпятник 13, закрепленный на мембране 16. Давление Р, воздействуя на мембрану 16 и подпятник 13, препятствует повороту эксцентрика 12 и в зависимости от прилагаемой нагрузки обеспечивает возврат пера 6 в среднее положение, соответствующее перпендикулярному к радиусу положению плоскости пера. Пневмоподушка 14 позволяет оптимально отрегулировать усилие ограничителя поворота непосредственно во время работы перьевой ветротурбины и при необходимости отключить ее действие в аварийных ситуациях. Вращающий момент пневмоподушки 14 минимален в среднем положении и максимален до полного ограничения в крайних положениях, соответствующих ±45^o от среднего положения эксцентрика 12. Для выключения перьевой ветротурбины достаточно выпустить воздух из пневмоподушки 14, и все перья 6 встанут по ветру, тем самым выключив агрегат из работы.

Ветровой поток принимается решеткой профилей, состоящей из часто поставленных перьев 6 сначала на фронтальной стороне колеса, а затем на тыльной. Перья 6 под действием аэродинамических сил и упругого ограничителя (полость с воздухом) в активном секторе турбины встают под углом к потоку, который эффективно отклоняется, в результате чего возникает сила тяги, направленная под углом, близким 45^o к радиусу перьевой ветротурбины, которая суммируется на ободе и передается на ступицу 3 по тросовым растяжкам 4, что приводит к вращению ступицы 3, фланцы которой соединены, например, с приводом компрессора, где преобразуется полученная энергия.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Технический результат, заключающийся в повышении кпд ветроколеса и создании конструкции, позволяющей строить ветроагрегаты большой мощности с большим крутящим моментом, с высокой степенью заводской готовности при низкой себестоимости, обеспечивается за счет того, что перьевая ветротурбина, содержащая опору, вертикальный вал, поворотные лопасти, согласно изобретению состоит из сборной ступицы в виде беличьего колеса и сборного из одинаковых деталей обода, стянутых между собой растяжками, с закрепленными в шарнирах на ободе одним концом вертикально вверх и вниз упругими перьями, образующими решетки профилей, в шарнирах имеется упругий ограничитель, обеспечивающий отклонение от перпендикулярного к радиусу положения плоскости пера в пределах ±45^o, с усилием, минимальным в среднем и возрастающим до максимума в крайних положениях. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Перьевая ветротурбина, содержащая опору, вертикальный вал, поворотные лопасти, отличающаяся тем, что состоит из сборной ступицы в виде беличьего колеса и сборного из одинаковых деталей обода, стянутых между собой растяжками, с закрепленными в шарнирах на ободе одним концом вертикально вверх и вниз упругими перьями, образующими решетки профилей, а в шарнирах имеется упругий ограничитель, обеспечивающий отклонение от перпендикулярного к радиусу положения плоскости пера в пределах ±45^o, с усилием, минимальным в среднем и возрастающим до максимума в крайних положениях. 2. Перьевая ветротурбина по п. 1, отличающаяся тем, что перо состоит из упругого, с возможностью скручивания лонжерона переменного сечения, уменьшающегося от крепления к концу до нуля, на котором закреплены под углом к лонжерону упругие нервюры клинообразной формы с уменьшающимся сечением от крепления к концу до нуля и закрепленным на образуемой ими поверхности эластичным воздухонепроницаемым материалом.