ВЕТРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2004 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к области малой энергетики, а именно к ветряным двигателям, и может быть использовано 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 являются 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 ветро-турбинная 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.

Наиболее близким аналогом является ветро-турбинная установка (ВТУ), содержащая ротор фрикционного типа, выполненный в виде вала, размещенный вертикально, с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного пластинами, установленными одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии, причем пластины выполнены в виде плоских дисков, при этом корпус ВТУ выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки, установленные тангенциально внешней кромке плоских дисков (см. патент Российской Федерации №2184872, МКИ F 03 D 3/00, 2000 г.). Эта ВТУ, как наиболее близкая по технической сущности к предлагаемой, выбрана в качестве прототипа.

Однако эта установка обладает малым кпд и большой материалоемкостью.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является повышение удельной мощности ВТУ при снижении материалоемкости и сохранении высокой степени безопасности.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении кпд ВТУ и жесткости ротора, в обеспечении максимального расхода воздуха через установку и торможении ротора при больших скоростях ветра.

Поставленная задача решается тем, что ВТУ, 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, причем пластины выполнены в виде плоских дисков, при этом корпус ВТУ выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки по всему периметру корпуса, установленные тангенциально внешней кромке плоских дисков, отличается тем, что между дисками по всему периметру ротора установлены лопатки турбинного типа, а входные кромки направляющих лопаток выполнены поворотными и соединены с флюгером, причем пластины и лопатки ротора скреплены растяжками, расположенными на заданном расстоянии по окружности ротора. При этом ротор установки связан с валом нагрузочного устройства, например электрогенератора, посредством нагрузочного обода, закрепленного на нижней кромке ротора, с возможностью контакта с фрикционным колесом, надетым на вал электрогенератора.

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 "...между дисками... установлены лопатки турбинного типа..." позволяет установке работать при малых скоростях ветра, повышает кпд установки, увеличивает ее жесткость и, следовательно, уменьшает материалоемкость.

Признак "...между дисками по всему периметру ротора установлены лопатки турбинного типа..." повышает безопасность установки при больших скоростях ветра за счет того, что часть воздуха, проходящая в радиальном направлении, проходит центральную часть ротора и вновь попадает в лопатки и диски ротора, но в месте, диаметрально расположенном относительно зоны входа в рабочее колесо. Воздух захватывается элементами ротора и выбрасывается в атмосферу. На это расходуется определенная мощность. В связи с тем, что мощность, расходуемая на прокачку воздуха, зависит от скорости вращения в третьей степени, то при больших скоростях ветра эта мощность становится значительной и сдерживает ротор от слишком большого разгона.

Признак "...входные кромки направляющих лопаток выполнены поворотными..." позволяет направляющему аппарату захватывать большее количество потока воздуха, тем самым повышая кпд и мощность установки.

Признак "...входные кромки направляющих лопаток... соединены с флюгером..." позволяет постоянно ориентировать входные кромки лопаток направляющего аппарата по потоку ветра и обеспечивать максимальный расход воздуха через установку и соответственно максимальную мощность. В то же время, несколько лопаток направляющего аппарата, находящихся с подветренной стороны, за счет возможности частичного поворота, увеличивают проходное сечение между собой, тем самым уменьшают сопротивление воздуха, выходящего с ротора. Что тоже повышает эффективность установки.

Признаки дополнительного пункта формулы позволяют исключить ускоряющую передачу, что увеличивает кпд установки.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показано горизонтальное сечение ВТУ, на фиг.2 - фрагмент горизонтального сечения ВТУ и на фиг.3 - вертикальное сечение ВТУ.

Установка содержит ротор 1, состоящий из пакета пластин 2, представляющих собой плоские диски, которые установлены на валу 3 один относительно другого на заданном вертикальном расстоянии. Между пластинами 2 установлены лопатки 4 турбинного типа. Вал 3 размещен вертикально внутри направляющего аппарата 5 с возможностью вращения в подшипнике 6. Пластины 2 скреплены растяжками 7, расположенными на заданном расстоянии по окружности ротора 1. Растяжки 7 увеличивают жесткость ротора 1 и стягивают верхнюю часть направляющего аппарата 5. Направляющий аппарат 5 неподвижен, состоит из вертикально расположенных направляющих лопаток 8, которые установлены тангенциально внешней кромке пакета пластин 2, и образуют внешние ветровые проточные каналы, расположенные по касательной к внутренней окружности установки. Входные кромки 9 направляющих лопаток 8 направляющего аппарата 5 выполнены поворотными и соединены рычагом 10 с флюгером 11. На основании 12 жестко закреплено нагрузочное устройство, которым является электрогенератор 13. Вал электрогенератора 13 соединен с нагрузочным ободом 14 ВТУ, закрепленным на нижней кромке ротора 1, посредством фрикционного колеса 15, надетого на вал электрогенератора 13.

Устройство работает следующим образом.

Поток ветра, проходя через направляющие лопатки 8 направляющего аппарата 5, направляется в тангенциальном направлении на пакет плоских пластин 2 и лопатки 4 ротора 1. При движении его в зазорах между лопатками 4 ротора 1 и пластинами 2, энергия ветра, благодаря силам поверхностного трения и аэродинамического взаимодействия передается пакету плоских пластин 2 и лопаток 4, что приводит ротор во вращательное движение. Движущийся к центру поток воздуха, отдав энергию, выходит в радиальном и осевом направлениях через отверстия в направляющем аппарате 5. Часть воздуха, проходящая в радиальном направлении, проходит центральную часть ротора 1 и вновь попадает в лопатки 4 и пластины 2 ротора 1, но в месте, расположенном диаметрально противоположно, относительно зоны входа в ротор 1. Воздух захватывается элементами ротора 1 и выбрасывается в атмосферу (это явление называется “вентиляционными потерями на неактивной дуге турбинного двигателя”). На это расходуется определенная мощность, но при этом в центре ротора 1 создается разрежение, что способствует увеличению скорости и расхода воздуха, проходящего через ВТУ, и увеличивает ее мощность. В связи с тем, что мощность, расходуемая на прокачку воздуха, зависит от скорости вращения в третьей степени, то при больших скоростях ветра эта мощность становится значительной и сдерживает ротор 1 от слишком большого разгона. Это аэродинамическое торможение значительно повышает безопасность установки при больших скоростях ветра и позволяет обойтись без специальных тормозных устройств. Крутящий момент передается по валу 3 от ветро-турбины на нагрузочный обод 14 и затем, через фрикционное колесо 15 на вал электрогенератора 13. Мощность, вырабатываемая электрогенератором 13, во многом определяется окружной скоростью ротора 1, которая достаточно велика за счет его большого диаметра. Применение ротора 1 большого диаметра с ободом 14 позволяет исключить ускоряющую передачу, обычно применяемую в ВТУ, и, тем самым, повысить кпд установки, ее надежность и способность работать при малых скоростях ветра. Характеристики ВТУ и электрогенератора 13 подбирают таким образом, чтобы при работе на большинстве режимов (скоростей ветра) максимально использовать энергию ветра при минимальных скоростях и избежать разрушения ротора 1 при очень больших скоростях. Если разрушение ротора 1 все же произошло, то направляющий аппарат 5 исключит возможность выброса частей ротора 1 за его пределы, обеспечивая безопасность эксплуатации ВТУ в любых условиях. Кроме того, прочность и надежность ротора 1 обеспечивается применением растяжек 7, соединяющих элементы ротора 1 в единое целое.

Таким образом, комплекс вышеперечисленных конструктивных особенностей обеспечивает высокую безопасность установки и позволяет использовать ее в непосредственной близости с местами присутствия людей. В частности ее можно устанавливать на жилые здания, имеющие достаточную высоту. Это исключает необходимость постройки дорогостоящей башни.

Изобретение относится к области малой энергетики, а именно к ветряным двигателям, и может быть использовано в качестве автономного источника энергии на зданиях, имеющих достаточную высоту. Технический результат заключается в повышении кпд (коэффициента полезного действия) ВТУ, жесткости ротора, обеспечении максимального расхода воздуха через установку и торможении ротора при больших скоростях ветра. Установка содержит 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. Пластины выполнены в виде плоских дисков. Между дисками по всему периметру ротора установлены лопатки турбинного типа. Пластины и лопатки ротора скреплены растяжками на заданном расстоянии по окружности ротора. Корпус ВТУ (ветротурбинной установки) выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки по всему периметру корпуса, установленные тангенциально внешней кромке плоских дисков. Входные кромки направляющих лопаток выполнены поворотными и соединены с флюгером. Ротор ВТУ связан с валом нагрузочного устройства, например, электрогенератора посредством нагрузочного обода, закрепленного на нижней кромке ротора с возможностью контакта с фрикционным колесом, надетым на вал электрогенератора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветротурбинная установка (ВТУ), 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, причем пластины выполнены в виде плоских дисков, при этом корпус ВТУ выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки по всему периметру корпуса, установленные тангенциально внешней кромке плоских дисков, отличающаяся тем, что между дисками по всему периметру ротора установлены лопатки турбинного типа, а входные кромки направляющих лопаток выполнены поворотными и соединены с флюгером, причем пластины и лопатки ротора скреплены растяжками, расположенными на заданном расстоянии по окружности ротора.2. Ветротурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что ротор установки связан с валом нагрузочного устройства, например, электрогенератора, посредством нагрузочного обода, закрепленного на нижней кромке ротора, с возможностью контакта с фрикционным колесом, надетым на вал электрогенератора.