ЛОПАСТНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2004 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к установкам, преобразующим энергию ветра в электрическую при помощи лопастного устройства (вентилятора), кинематически связанного с генератором электрической энергии.

Известна лопастная установка, содержащая лопасти, установленные на штативе с возможностью вращения вокруг своей оси, генератор электрической энергии, функционально связанный с лопастями и энергопотребителями (см., например, GB, 2246173 А, кл. F 03 D 9/00, 22.01.1992, фиг.1, 9 с.).

Недостатками лопастной установки являются низкий коэффициент полезного действия (КПД), сложность конструкции и невысокая надежность.

Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия установки, (КПД) обеспечивается за счет того, что в лопастной установке, содержащей лопасти, установленные на штативе с возможностью вращения вокруг своей оси, генератор электрической энергии, функционально связанный с лопастями и энергопотребителями, согласно изобретению энергопотребитель размещен внутри конструкции лопастей или на их поверхности.

При этом часть генератора, в которой индуцируется ЭДС, соединена с лопастями и ее выход электрически связан с энергопотребителями с возможностью совместного вращения.

Часть генератора, индуцирующая ЭДС (электродвижущую силу), установлена на установке неподвижно.

Лопасти установки кинематически соединены с дополнительными лопастями с возможностью независимого вращения относительно друг друга, при этом передние и задние кромки лопастей установки расположены с противоположной стороны по отношению к кромкам дополнительных лопастей.

Установка выполнена в форме флюгера. Лопасти связаны с генератором через угловую передачу. Установка снабжена дополнительным генератором, электрически связанным с частью основного генератора, индуцирующей ЭДС.

Энергопотребители могут быть выполнены в форме светильника или в форме теплообменника.

На фиг.1 изображена принципиальная схема установки;

на фиг.2 изображено крепление нагревателя на установке;

на фиг.3 изображен нагреватель, общий вид;

на фиг.4 изображено поперечное сечение лопастей;

на фиг.5 изображена лопастная установка с лопастями, соединенными с генератором кинематически (через одноступенчатый редуктор);

на фиг.6 изображена лопастная установка, в которой энергопотребитель связан с генератором посредством контактной передачи, выполненной в виде металлических колец;

на фиг.7 изображена лопастная установка с хвостовиком;

на фиг.8 изображен электропередающий узел лопастной установки;

на фиг.9 изображен флюгерный вариант выполнения лопастной установки с генератором, закрепленным непосредственно на лопастях;

на фиг.10 изображено крепление отвода относительно оси стойки;

на фиг.11 изображено крепление ротора генератора на валу, а статора генератора на лопастях или обойме;

на фиг.12 изображено крепление статора генератора непосредственно на валу и соединенного с лампочками;

на фиг.13 изображено крепление лопастей установки непосредственно на корпусе генератора;

на фиг.14 изображен вид А по фиг.13;

на фиг.15 изображена лопастная установка с защитной решеткой, муфтой и электродвигателем;

на фиг.16 изображен вид А по фиг.15;

на фиг.17 изображена лопастная установка с основными и дополнительными лопастями;

на фиг.18 изображена лопастная установка с лопастями в виде светильника;

на фиг.19 изображена лопастная установка с нагревательным элементом;

на фиг.20 изображен вид А по фиг.19;

на фиг.21 изображена лопастная установка с энергопотребителем, контактами и генератором;

на фиг.22 изображен дополнительный генератор, который может взаимодействовать с основным генератором через выпрямитель;

на фиг.23 изображена электрическая схема генератора с ротором в виде постоянного магнита;

на фиг.24 изображено выполнение генератора с ротором в виде электромагнита;

на фиг.25 изображено выполнение генератора с ротором, установленным с внешней стороны статора;

на фиг.26 изображено выполнение генератора с ротором, установленным с внешней стороны статора (вариант);

на фиг.27 изображен пример установки статора,

на фиг.28 изображен статор, расположенный в корпусе лопастей, и ротор, крепящийся на неподвижном валу или штативе;

на фиг.29 изображен пример установки статора в корпусе вспомогательных лопастей;

на фиг.30 изображен пример установки ротора в корпусе вспомогательных лопастей;

на фиг.31 изображена блочная схема установки, состоящая из генератора, стабилизатора напряжения, аккумулятора и нагрузки;

на фиг.32 изображена лопастная установка с лопастями в виде эмиссионного холодильника;

на фиг.33 изображена лопастная установка с лопастями в виде светильника с решеткой (взрывобезопасное исполнение).

Установка состоит из лопастей 1 и 2, закрепленных на обойме 3, которые при помощи подшипников 4 установлены на штативе 5 с возможностью вращения вокруг своей оси и оси штатива 5, который при помощи стойки 6 закреплен на станине 7.

Подшипники 4 фиксируются на штативе 5 при помощи ограничительных шайб 8 и 9, имеющих со штативом 5 резьбовое соединение.

На торце штатива 5 выполнен переходник 10, который при помощи фланцев 11 подсоединен к валу 12 ротора 13 генератора 14 электрической энергии, статор 15 которого при помощи стоек 16 присоединен к подвижной части лопастного устройства, например, на комле лопастей 1 и 2, или на обойме 3.

Статор 15 электрически связан с потребителем электроэнергии, например с лампочками 17 или электронагревателями 18, при помощи электропроводов, которые непосредственно установлены на лопастях 1 и 2.

Статор 15, как правило, жестко закреплен на корпусе генератора 14, поэтому можно считать, что корпус генератора 14 при помощи стоек 16 закреплен на комле лопастей 1 и 2 или обойме 3.

Электронагреватель 18 может состоять из плоского змеевика 19, выполненного из металлической фольги, установленной между изоляторами 20 и 21, например, резиновыми пластинами. При этом плоский электронагреватель 18 может быть приклеен к поверхности лопасти 1, 2, не меняя ее конфигурации.

Генератор 14 при помощи проводов 22 соединен с потребителем энергии, например с электронагревателем 18.

Лопасти 1 и 2 могут быть напрямую соединены с генератором 14, а могут быть соединены с ним кинематически, например, через одноступенчатый редуктор, выполненный в виде конической передачи.

В таком случае лопасти 1 и 2 жестко закреплены, например приварены, на валу 23, который запрессован в подшипнике 4, при этом подшипник 4 установлен во внутренней части штатива 5, который в данном случае может быть выполнен в виде полой втулки и зафиксирован фиксатором 24, например болтом, имеющим резьбовое соединение со штативом 5. Таким образом, вал 23 установлен в штативе 5 с возможностью вращения вместе с лопастями 1 и 2 вокруг своей оси.

Колесо 25 конической передачи крепится на валу 23, а шестеренка 26 этой передачи закреплена на переходнике 10. При помощи фланцев 11 или муфты (не показана) переходник 10 соединен с валом 23, который может иметь электрическую связь с потребителями электрической энергии, например лампочками 17, и аккумулятором 27. Здесь энергопотребитель, установленный на лопастях 1 и 2, может быть связан с отдельно стоящим генератором 14 через контактную передачу, выполненную, например, в виде колец 28, установленных на изоляторе 29, который закреплен на валу 23. При этом металлические кольца 28 контактно соприкасаются щетками 30, которые электрическими проводами 31 соединены с генератором 14 электрической энергии. Кольца 28 электрическими проводами 32 соединены с энергопотребителем, например с лампочками 17, установленными непосредственно на лопастях 1 и 2.

В случае связи лопастей 1 и 2 с генератором 14 через коническую передачу штатив 5 закреплен на втулке 33, например приварен к ней, и в ней запрессован подшипник 34, в котором запрессована также стойка 6. Здесь ось шестеренки 26 совпадает с осью втулки 33.

На торце штатива 5 закреплен хвостовик 35. Таким образом штатив 5 может вращаться вокруг оси втулки 33 и оси шестеренки 26, не нарушая кинематическую связь лопастей 1 и 2 с генератором 14, т.е. лопастная установка приобретает свойства флюгера.

При креплении корпуса генератора 14 непосредственно на лопастях 1 и 2 возможен и другой способ реализации флюгерного варианта выполнения лопастной установки. Здесь штатив 5 имеет вертикальный отвод 36, соединенный со штативом 5 при помощи сварки.

Отвод 36 соединен со стойкой 6 через опорный подшипник 37 с возможностью вращения отвода 36 относительно оси стойки 6.

Эта связь может осуществляться через втулку 38, приваренную к стойке 6 с запрессованной в ней обоймой подшипника 37, во внутреннюю обойму которого запрессован отвод 36.

Лопасти 1 и 2 могут напрямую крепиться на корпусе генератора 14. Лопасти 1 и 2 могут быть из прозрачного материала, например из стекла или органического стекла, или часть лопастей 1, 2 выполнена из прозрачного материала, а лампочки 17 или любой другой светящийся прибор, например светодиод, расположены внутри лопастей 1 и 2. Лопасти 1 и 2 могут быть выполнены в виде осветительного прибора (например, газоразрядная лампа имеет форму лопасти и закреплена на корпусе генератора 14). Функции лопастей 1 и 2 могут выполнять и другие светильники, имеющие их форму, например вентиляционных лопастей, и кинематически соединенных с корпусом генератора 14. Лопасти 1 и 2 могут быть закреплены на обойме 39. Если лопасти 1, 2 выполнены из металла, то они могут быть приварены к обойме 39, которая крепится на корпусе генератора 14, охватывая его поверхность, и зафиксирована на нем при помощи фиксирующего болта 40. В обойме 39 выполнены проходные отверстия 41, через которые проходят провода от генератора 14 к потребителям его электрической энергии, например светильникам или лампочкам 17.

Генератор 14 может быть кинематически связан с двигателем, например электродвигателем. Эта кинематическая связь одновременно осуществляется между электродвигателем и лопастями 1 и 2, например, при помощи фланца 42, закрепленного на генераторе 14, то есть с его корпусом, переходной втулкой 44, которая закреплена при помощи болта 45 с валом 46. Фланец 42 закреплен на корпусе генератора 14 при помощи болтов 43. Вал 46 может быть связан с ротором электродвигателя 47, т.е. вал 46 является приводным валом электродвигателя 47. На корпусе генератора 14 закреплена обойма 48, зафиксированная на нем при помощи фиксирующего болта 49. Обойма 48 соединена с защитной решеткой 50, которая при помощи этой обоймы 48 зафиксирована на корпусе электродвигателя 47. На решетке 50 при помощи втулки 51 и болта 52 зафиксирован вал 12 генератора 14. Таким образом статор 15 кинематически связан с двигателем 47 посредством вала 46 с возможностью совместного вращения с лопастями 1 и 2 при неподвижном роторе 13.

Параллельно лопастям 1 и 2 могут быть установлены дополнительные лопасти 54, 55. Здесь, на валу 12 запрессована втулка 53, на которой закреплены дополнительные лопасти 54 и 55, например, приварены к ней.

К втулке 53 подсоединен вал 56, например приварен, соосно валу 12, который через подшипник 4 закреплен на штативе 5. Таким образом, лопасти 1 и 2 и 54 и 55 кинематически соединены друг с другом с возможностью независимого вращения относительно друг друга.

Лопасти 1 и 2 имеют противоположную геометрическую форму по отношению к форме лопастей 54 и 55, т.е. передние и задние кромки у лопастей 1 и 2 расположены с противоположной стороны по отношению к расположению этих кромок у лопастей 54 и 55. Лопасти 1 и 2 могут быть выполнены в виде светильника, имеющего форму лопасти, например галогенной лампочки. В основании, то есть в комле лопасти, светильник может иметь цоколь обычной лампочки, т.е. резьбовой цоколь 57, который ввернут в патрон 58, закрепленный на обойме 39 или непосредственно на корпусе генератора 14. Как и у обычной лампочки в цоколе 57 выполнен центральный электрод 59, спираль 61 имеет два вывода - изолированный электрод 59 и цоколь 57 - электропроводный, а через них спираль контактно связана через провода с клеммами 60, на которые выведен выход генератора 14. Аналогично могут устанавливаться и лопасти 1 и 2, выполненные в виде нагревателя, то есть нагревательный элемент 64 расположен внутри лопастей 1 и 2, и сами лопасти 1, 2 могут быть выполнены из изолирующего материала. Комель лопастей 1, 2 имеет в своем окончании дискообразное расширение, на котором установлена накидная гайка с возможностью вращения вокруг оси комля. На конце комля выполнена вилка из двух штырей 62, которые закреплены на торце комля и к ним подведены провода от нагревательного элемента 64. Штыри 62 контактно соединены с втулками 63, установленными в розетке 65, которая закреплена на обойме 39 или на корпусе генератора 14. Втулки 63 проводами соединены с клеммами 60, связанными с выходом генератора 14. Выход генератора 14 может быть соединен с энергопотребителем. Во внутренней части обоймы 39 установлены контакты 66, которые проводами связаны с энергопотребителем, например лампочками 17. На корпусе генератора 14 также установлены контакты 67, находящиеся на одинаковом расстоянии друг от друга с контактами 66, и в собранном виде контактно совмещенные с ними. Контакты 67 проводами соединены с выходом генератора 14. На поверхности лопастей 1 и 2 могут быть выполнены гофры 68.

В случае, если статор 15 размещен внутри ротора 13, ротор 13, в котором выполнены, например, постоянные магниты, охватывает статор 15, витки обмотки которого с соответствующим железом, на котором они выполнены, установлены на валу 23. Здесь статор 15, установленный непосредственно на валу 23 или являющийся его составной частью, проводами соединен с энергопотребителями, расположенными непосредственно на лопастях 1 и 2, например с лампочками 17, а ротор 13 генератора 14 может быть закреплен на штативе 5. На том же валу 23 может быть установлен дополнительный генератор 69.

На валу 23 может быть установлен ротор (не показан) дополнительного генератора 69, статор 70 которого также закреплен на штативе 5.

Выход генератора 69 через выпрямитель 71 соединен с обмоткой возбуждения основного генератора 14, если она применяется.

В случае выполнения генератора с ротором 72, выполненным в виде постоянного магнита, например, жестко закрепленного на валу 12, обмотки 73 статора 15 проводами соединены с потребителями электроэнергии, например лампочками 17. Здесь статор 15 вращается вокруг ротора 72.

Генератор с ротором 74 может быть выполнен в виде электромагнита с обмоткой 75, на которую подается постоянное или переменное напряжение от другого источника тока.

Здесь ротор неподвижен и жестко закреплен на валу 23.

В определенных случаях статор и ротор установлены с возможностью вращения относительно друг друга. При этом статор вращается в противоположную сторону по отношению к вращению ротора генератора 14. Это тот случай, когда одна лопасть закреплена на корпусе генератора (лопасть 1 и лопасть 2), а другая лопасть на его валу (дополнительная лопасть 54 и лопасть 55).

При выполнении лопастей 1, 2 в виде светильника, по меньшей мере, одна из его поверхностей может быть выполнена зеркальной.

В рассмотренных выше примерах статор является частью генератора, в обмотках которого возбуждается или индуцируется ЭДС, т.е. электродвижующаяся сила, иначе его можно назвать якорем, к которому подсоединена нагрузка, т.е. энергопотребитель - А. Ротор - часть генератора, в котором расположены магниты или обмотка возбуждения - В, которая индуцирует ЭДС в обмотке якоря, или статора, и может быть назван индуктором.

Но может быть и обращенная схема, в которой статор - индуктор и ротор - якорь.

В наших примерах статор вращается, поэтому схема генератора ближе к обращенной.

Причем статор или якорь могут непосредственно располагаться в корпусе лопастей 1 и 2, а ротор или индуктор крепиться на неподвижном валу 12, или штативе 5, или располагаться непосредственно в корпусе вспомогательных лопастей 54.

Лопастная установка работает следующим образом.

Под влиянием ветра или под воздействием привода, например электропривода, лопасти 1 и 2 начинают вращаться, и вместе с ними начинает вращаться статор 15, который также можно назвать якорем. А ротор 13, который можно назвать индуктором, механически жестко соединенный со штативом 5, остается неподвижным, индуцирует ЭДС в статоре 15, которая развивает электрический ток в цепи: статор 15 электропривода и энергопотребитель, или нагрузка, например лампочка 17 или электронагреватель 18, которые начинают светиться или греться. Если статор 15 закреплен на корпусе генератора 14, а его ротор 13 установлен в нем на подшипниках 4 с возможностью вращения и жестко связан с валом 12, то вращается корпус вместе со статором 15, на котором установлены лопасти 1 и 2.

При выполнении последовательной установки лопастей 1 и 2 лопасти 54 и 55, имеющие разную геометрию, под воздействием ветра начнут вращаться в противоположную сторону относительно друг друга и поэтому скорость вращения статора 15 относительно ротора 13 будет в два раза больше, чем при применении одной лопасти 1, 2, а следовательно, в два раза увеличится ЭДС статора 15.

При выполнении установки в виде флюгера появляется возможность улавливать направление ветра, вращаясь вокруг стойки 6, тем самым увеличивается КПД установки.

При соединении лопастей 1 и 2 через, например, вал 23, кинематически с генератором 14, например, при помощи угловой передачи, появляется возможность размещения генератора 14 установки через коллектор, (не показан) сохранив электрическую связь с нагрузкой и сохранив преимущество флюгера.

Ротор 13 может непосредственно быть установлен в корпусе вспомогательных лопастей 54, которые могут быть установлены на части вала 23, разделенного на три части шарнирами 76 и 77 с возможностью независимого вращения относительно основных лопастей 1 и 2, при этом две части вала 23 соединены с обоймой шарниров 76 и 77 через отводы этих частей, т.е. отводы 79 и 80, закрепленные в этих обоймах через подшипники.

Блочная схема установки может состоять из генератора 14, стабилизатора напряжения 81 или ограничителя напряжения, выход которого связан с аккумулятором 27 и нагрузкой 82 или энергопотребителем.

В отдельном случае лопасти 1 и 2 могут быть выполнены в виде микрохолодильника 83 с гофрами 78 на корпусе, например эмиссионный холодильник.

В целом электронагреватели 18 и холодильники 83 могут быть названы теплообменниками. Ротор электродвигателя 47 может быть связан с валом 46 через муфту 85, которая может быть магнитной. В тех случаях, когда лопасти 1, 2 выполнены в виде светильника (во взрывобезопасном исполнении), на них устанавливается решетка 84.

Установку можно использовать как чисто вентиляторное устройство. В данном случае электродвигатель 47 вращает статор 15 вместе с лопастями 1 и 2, а ротор 13 закреплен, например, на решетке 50.

Установка дополнительного генератора 69 позволяет получить дополнительный источник питания для индуктора, вал, вращаясь, одновременно вращает ротор, который индуцирует ЭДС в неподвижном статоре 70, с которого через выпрямитель 71 подается напряжение на индуктор генератора 14.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия установки (КПД). Лопастная установка содержит лопасти, установленные на штативе с возможностью вращения вокруг своей оси, и генератор электрической энергии, функционально связанный с лопастями и энергопотребителями. При этом энергопотребитель размещен внутри конструкции лопастей или на их поверхности. 8 з.п. ф-лы, 33 ил.

1. Лопастная установка, содержащая лопасти, установленные на штативе с возможностью вращения вокруг своей оси, генератор электрической энергии, функционально связанный с лопастями и энергопотребителями, отличающаяся тем, что энергопотребитель размещен внутри конструкции лопастей или на их поверхности.2. Лопастная установка по п.1, отличающаяся тем, что часть генератора, в которой индуцируется ЭДС, соединена с лопастями и ее выход электрически связан с энергопотребителями с возможностью совместного вращения.3. Лопастная установка по п.1, отличающаяся тем, что часть генератора, индуцирующая ЭДС, установлена на установке неподвижно.4. Лопастная установка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти установки кинематически соединены с дополнительными лопастями с возможностью независимого вращения относительно друг друга, при этом передние и задние кромки лопастей установки расположены с противоположной стороны по отношению к кромкам дополнительных лопастей.5. Лопастная установка по п.1, отличающаяся тем, что установка выполнена в форме флюгера.6. Лопастная установка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти связаны с генератором через угловую передачу.7. Лопастная установка по п.1, отличающаяся тем, что установка снабжена дополнительным генератором, электрически связанным с частью основного генератора, индуцирующей ЭДС.8. Лопастная установка по п.1, отличающаяся тем, что энергопотребители выполнены в форме светильника.9. Лопастная установка по п.1, отличающаяся тем, что энергопотребители выполнены в форме теплообменника.