ПИРАМИДАЛЬНЫЙ ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для преобразования энергии воздушного природного потока (ветра) в механическую и электрическую энергии.

Имеющиеся аналоги ветряных двигателей с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра, (МПК F 03 D 3/00) не могут конкурировать по единичной мощности ветроэлектроустановок (ВЭУ) с ветродвигателями, ось вращения ротора которых совпадает с направлением ветра (то есть с пропеллерными - МПК F 03 D 1/00), и потому в настоящее время менее распространены (см.[1], с.76) по следующим причинам.

Хотя они приводятся в действие ветрами любого направления и не нуждаются в системах ориентации на ветер как пропеллерные, к тому же не требуется устраивать башни сложной конструкции; не надо предусматривать токосъемный механизм, чтобы не закручивался кабель; не надо строить высокие башни, авторы изобретений ветродвигателей с вертикальной осью, по всему видно, не достаточно хорошо представляют, как их изобретенные конструкции ведут себя при работе в воздушной среде. А это оказалось очень существенно!

Так, ветроустановка - аналог [2], наиболее близкий к моему изобретению, содержит центральную вертикальную ось и закрепленные на ней вогнутые крылья с подкрылками. Целью данного изобретения было повышение КПД двигателя. Однако в полной мере она не могла быть достигнута по той причине, что, прежде всего, содержала четыре крыла. Мои опыты показали, что уже этого момента (нагромождение лопастей) достаточно, чтобы такой двигатель с любыми конструкциями лопастей, из-за имеющегося аэродинамического сопротивления, работал не эффективно. Даже при среднем ветре тормозящий, паразитный эффект наблюдается воочию.

Другая ветроустановка - аналог [3] также близок к моему изобретению. Здесь три штанги (что является оптимальным), но три шарообразные чаши, установленные на их концах, образовали промежуток между ними, в который ветер также проникает и “бьет” в третью лопасть, оказывая значительное аэродинамическое сопротивление при работе такого ветродвигателя. В этом есть отличительная ошибка всех конструкций, базирующихся на “коромыслах”: создаются плечи между центральной осью и осями лопастей, но и создается “проран”, в который устремляется ветер и становится бесполезным, паразитным.

Анализируя оба эти аналога, следует признать, что если взять у них положительные моменты: крепление лопастей непосредственно на вертикальную ось, при этом их должно быть не более и не менее трех, как у второго аналога, то получается конструкция ветродвигателя, близкая к оптимальной.

Но нужно еще учесть, что каждая лопасть должна быть эффективным улавливателем ветровой механической энергии, максимальным сберегателем таковой, легко трогаться с места, быстро набирать частоту вращения в начальной стадии раскрутки.

Целью изобретения является значительное повышение коэффициента полезного действия (КПД) за счет более эффективного улавливания и концентрации энергии воздушного потока и уменьшения аэродинамического сопротивления.

Сущность изобретения более подробно поясняется на фиг.1-4. На фиг.1 изображена общая схема ветроэнергетической установки (ВУ), на фиг.2 изображены лопасти на оси, на фиг.3 - вид сверху, а на фиг.4 - вариант ярусного исполнения ветродвигателя. Изображенные на фигурах элементы имеют общую цифровую нумерацию.

Трубчатая ось 1 ветродвигателя в шарнирных соединениях 2 и 3 опирается на подшипниковый блок 4 и фиксируется верхним подшипником 5. Опора 6, в свою очередь, фиксирует их в своих гнездах и сама не сварная, а на болтах, чем обеспечивается ее прочность. Ротор ветродвигателя образуется из прикрепленных к вертикальной оси 1 трех лопастей 7, установленных под углом 120° друг к другу (фиг.3) и выполненных в виде полых четырехгранных пирамид.

Каждая пирамида прикреплена к оси 1, имеющей отверстия, болтами таким образом, что одна сторона основания 8 (фиг.2) каждой пирамиды прилегает параллельно и вплотную к упомянутой оси 1, или таким образом, что участок вертикальной оси является общей стороной каждой пирамиды. Высота h каждой пирамиды и длина стороны 8 находятся в соотношении 0.5:1.0. Больше нельзя делать, ибо выступающая часть каждой пирамиды будет заслонять полую внутреннюю часть соседней пирамидальной лопасти, и меньше делать не желательно - снижается КПД ветроустановки.

Между собой три пирамидальные лопасти снизу и сверху должны скрепляться горизонтальными балками 14 и 15, а каждая лопасть обеспечиваться тросовой крестовиной 16 и проходящим через ее центр и вершину стержнем 17, на который удобно в процессе эксплуатации класть подмости, что обеспечит обслуживание лопастей (ремонт, покраску и т.д.). Кроме того, балки 14 являются еще опорами для 3-пирамидальных лопастей верхнего яруса. Следовательно, ветродвигатель может быть как одноярусным, так и двухъярусным (фиг.4). Ярусность позволяет значительно улучшить тяговые характеристики пирамидального ветрового двигателя, ибо каждая из шести лопастей уже будет через 60°, а не через 120°, когда при одном ярусе. Поскольку ось общая, то малейший ветерок и турбина заработала. Однако такая двухъярусная конструкция ветродвигателя потребует обеспечения ее системой гашения колебаний опоры или вышки при шквальных ветрах. Такую систему я изобрел, и в настоящее время готовлю заявку на изобретение для подачи ее в патентное ведомство.

Внутренняя полая часть 9 каждой пирамидальной лопасти вместе с прилегающей к ней стороной 10 соседней лопасти образуют устройство, которое улавливает ветровой поток, концентрирует его в данной зоне и образует аэродинамический эффект: мощный напор-толчок.

Выступающие же части (верхняя 11, нижняя 12 и боковая 13) каждой лопасти являются весьма эффективными отражателями, т.е. рассекают и оптимально отклоняют ветровой турбулентный поток прочь, оказывая незначительный аэродинамический аффект (сопротивление) при движении ветродвигателя в нем.

Все это значительно повышает его КПД по сравнению с до настоящего времени известными человечеству ветроагрегатами, преобразующими ветровую энергию в механическую, делает пирамидальный ветряной двигатель (ПВД) превосходящим их по всем параметрам, т.е. ставит его вне конкуренции. Для человечества это равносильно изобретению колеса!

Кроме того, ПВД - это быстроходная турбина с большим крутящим моментом, стало быть, не всегда нужно применять мультипликатор. Необходимую скорость вращения вала электрогенератора или насоса он сможет обеспечить, значительно повышая КПД ВЭУ.

ПВД в конструктивном исполнении прост, компактен, не требуется большая точность и можно использовать любые материалы при изготовлении, в раза три экономичнее по материальным затратам в сравнении с ветродвигателями близких аналогов и ветряных двигателей вообще.

ВЭУ с ПВД можно устанавливать на земле, между этажами, над крышей дома (цеха) или на специальной вышке (опоре), лишь бы было соблюдено условие: он всегда должен находиться “на семи ветрах”, где движению воздушного потока не препятствуют складки местности или искусственные сооружения. Значит, обслуживать их, в большинстве случаев, значительно легче и дешевле.

ВЭУ с ПВД могут быть значительно работоспособнее по сравнению с близкими аналогами и ветродвигателями вообще. Для них не будет проблемой приводить в действие электрогенераторы в 10 и более тысяч кВт. Тогда как, согласно сообщениям СМИ, из ныне существующих ВЭУ самая крупная действует в ФРГ. Ее мощность 2,5 тыс. кВт, диаметр ротора и высота башни 80 м.

В настоящее время проектируется ВЭУ до 3-5 тыс. кВт за счет увеличения длины пропеллерных лопастей и высоты башни установки, но им никогда не взять рубеж в выработке 10 тыс. кВт. ВЭУ же, построенные на основе ПВД, не только будут способны его взять, но и превзойдут его. Ведь они могут развиваться не по вертикали, а по горизонтали. Варианты конструктивных решений таких ветроэлектростанций с ВЭУ на ПВД я могу предоставить.

Источники информации

1. Статья “Время большой ветроэнергетики”, журнал “Электрические станции”. №1. 2003 г., Россия.

2. Описание изобретения к патенту №2009371, кл. F 03 D 3/00, Россия.

3. Описание изобретения к патенту №2067691, кл. F 03 D 3/00, Россия.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для преобразования энергии воздушного природного потока (ветра) в механическую и электрическую энергии. Технический результат заключается в значительном повышении коэффициента полезного действия (КПД) двигателя. Ветряной двигатель содержит ось вращения и лопасти, закрепленные на ней, при этом лопасти выполнены в виде системы из трех пирамид с образованием верхнего и нижнего ярусов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветряной двигатель, содержащий ось вращения с закрепленными на ней лопастями, отличающийся тем, что лопасти выполнены в виде системы из трех пирамид с образованием верхнего и нижнего ярусов.2. Ветряной двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть верхнего яруса расположена относительно каждой лопасти нижнего яруса под углом 60°.