ВЕТРОТЕПЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2005 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, предназначено для непосредственного преобразования энергии ветра в тепловую энергию, и может быть использовано в системах теплоснабжения помещений, производственных объектов, преимущественно сельскохозяйственного сектора, а также в технологических целях (нагрев и сушка материалов и др.).

Существует множество разновидностей ветроустановок, использующих различные принципы преобразования механической энергии в тепловую - гидродинамический, компрессионный и др.

Известна, например, ветроэнергетическая установка для производства тепла по а.с. №1346848, кл. F 03 D 9/00. Установка содержит ветроколесо, закрепленную на валу ее силовой трансмиссии крыльчатку гидронасоса и гидравлически связанное с ней турбинное колесо, установленное на валу электрического генератора.

Известна также тепловая ветроустановка (см. a.c. №1701976, кл. F 03 D 9/00), содержащая ветроколесо, редуктор и поршневой двухступенчатый компрессор.

Главными недостатками описанных установок являются наличие сложной силовой передачи, низкие динамические показатели и неустойчивость работы в широком диапазоне ветровых нагрузок из-за отсутствия стабилизации частоты вращения ветроколеса по причине неудовлетворительной нагрузочной характеристики примененных преобразователей энергии. К тому же, они не пригодны для одновременной вентиляции обогреваемых помещений и поддержания постоянной температуры теплоносителя без дополнительных технических средств.

В качестве прототипа принята тепловая ветроустановка (см. а.с. №1064039, кл. F 03 D 9/00), включающая ветродвигатель с осевым ветроколесом, соединенным с вертикальной силовой трансмиссией при помощи угловой магнитной передачи. Вал трансмиссии связан с гидродинамическим теплогенератором, на входе которого установлен уравнительный питательный бачок, а на выходе - регулятор температуры с управляемой задвижкой.

Недостатками указанной установки также являются сложность силовой передачи, постоянные изменения частоты вращения ветроколеса от нуля до предельной из-за несоответствия характеристик первичного (ветроколесо) и вторичного (теплогенератор) преобразователей энергии, что снижает динамические качества и устойчивость работы установки. К тому же, обогрев помещений при использовании таких установок невозможен без отопительных батарей, конвекторов, регистров и тому подобных локальных теплообменников, а для поддержания температуры теплоносителя в заданных пределах или осуществления вентиляции отапливаемых помещений также необходимы дополнительные технические средства.

Задачей изобретения является снижение затрат на производство и эксплуатацию ветроустановок за счет упрощения их конструкции, повышение устойчивости их работы в широком диапазоне ветровых нагрузок при оптимальном динамическом режиме, обеспечение защиты от опасных вибраций и частоты вращения ветроколеса, а также обеспечение возможности их использования для отопления и вентиляции помещений потоком чистого воздуха с постоянной температурой без применения дополнительных технических средств.

Поставленная задача решается тем, что в ветротепловой установке (ВТУ), содержащей ветроколесо с поворотными лопастями, теплогенератор, входной и выходной патрубки, согласно изобретению теплогенератор выполнен фрикционным в виде конического барабана с ребристой наружной поверхностью, ротора, установленного с ветроколесом на общем валу, имеющем возможность осевого перемещения, фрикционной накладки, неподвижно посаженной на ротор, и теплообменника, образованного ребристой поверхностью барабана и прилегающей к ней оболочкой, при этом теплообменник оснащен входным патрубком - воздухозаборником, открытым в сторону большего торца барабана, и выходным патрубком - коллектором, кроме того, лопасти ветроколеса снабжены смещенными в их боковую сторону осями, содержащими рычаги, связанные с приводом управления посредством отдельных тяг, синхронизирующей втулки и общей тяги, выполненной с односторонним упором, при этом рычаги снабжены упорами и связанными с ними грузами, образующими устройство защиты по параметрам частоты вращения и вибрации ветроколеса.

Выполнение теплогенератора фрикционным в виде конического барабана с ребристой наружной поверхностью, образующей вместе с оболочкой теплолообменник, и ротора с фрикционной накладкой, установленного на подвижном в осевом направлении валу ветроколеса, позволяет получить оптимальную нагрузочную характеристику теплогенератора, благодаря чему обеспечить работоспособность установки в широком диапазоне ветровых нагрузок, а также упростить ее конструкцию за счет исключения сложной силовой передачи.

Расположение осей на лопастях со смещением в их боковую сторону придает лопастям свойство флюгера, устанавливающегося в положение наименьшего сопротивления воздействию воздушной среды, что обеспечивает стойкость ВТУ в ее отключенном состоянии при практически любых штормовых условиях.

Применение в приводном устройстве лопастей общей тяги с односторонним упором улучшает динамику ветроколеса в рабочем режиме, уменьшая его торможение при спадах ветра благодаря способности лопастей самоустанавливаться в положение наименьшего сопротивления вращению по инерции при одновременном сбросе нагрузки на роторе теплогенератора из-за отсутствия парусной силы, прижимающей его фрикционную накладку к зеркалу барабана при любом другом режиме работы ВТУ.

Оснащение приводных рычагов, расположенных на осях лопастей, упорами и отдельными тягами, связанными синхронизирующей втулкой и общей тягой с приводом, позволяет в оперативном порядке включать и отключать установку, а связанные с упорами грузы образуют вместе устройство защиты, отключающее ВТУ путем разведения упоров под действием инерционных или центробежных сил при опасных вибрациях и превышении частоты вращения ветроколеса.

Выполнение входного патрубка теплообменника в виде воздухозаборника, открытого со стороны большего торца барабана, обращенного при ветре в наветренную сторону, позволяет использовать атмосферный воздух в качестве теплоносителя и обеспечивать постоянство его температуры, поскольку величина его потока и интенсивность нагрева имеют прямую зависимость от одного и того же параметра - силы ветрового напора, а также осуществлять вместе с отоплением помещений их приточную вентиляцию без дополнительных вентиляторов, локальных теплообменников и регуляторов температуры.

Наборная конструкция фрикционной накладки в виде пакета секций позволяет экономно расходовать дорогостоящие материалы, изготовленные с применением синтетических смол, каучуков, углеродных композитов и др., так как при максимальном износе накладки в каждом цикле использования, соответствующем максимальному смещению вала с ротором - на толщину секции, вместо замены всей накладки можно заменить только одну, предельно изношенную ее секцию на новую, устанавливаемую с другой стороны пакета.

На фиг.1 изображен общий вид ветротепловой установки; на фиг.2 - узел А на фиг.1; на фиг.3 - узел Б на фиг.1; на фиг.4 - вид Д на фиг.3.

Ветротепловая установка содержит ветроколесо 1 с поворотными лопастями 2 и полым валом 3, фрикционный теплогенератор 4, установленный на полноповоротном устройстве 5 опорной конструкции 6. Теплогенератор 4 состоит из фрикционного барабана 7 с ребристой наружной поверхностью, образующей вместе с прилегающей к ней оболочкой 8 теплообменник 9 с входным патрубком в виде воздухозаборника 10, открытого в сторону большего торца барабана 7, и выходным патрубком в виде коллектора 11, связанного с внешней тепловой магистралью через канал в полноповоротном устройстве 5, а также ротора 12, расположенного внутри барабана 7. Ротор 12 установлен на валу 3, оснащен неподвижно посаженной на него фрикционной накладкой 13 и закрыт обтекателем 14. Вал 3 установлен на подшипниках 15 несущей втулки 16 с возможностью ограниченного осевого перемещения. Лопасти 2 снабжены смещенными в их боковую сторону осями 17, содержащими рычаги 18, связанные с приводом управления 19 посредством отдельных тяг 20 и синхронизирующей втулки 21, расположенной за упором 22 общей тяги 23 внутри полого вала 3. На рычагах 18 подвижно в направлении, параллельном осям 17, установлены упоры 24 и связанные с ними грузы 25, оснащенные пружинами 26, предварительно поджатыми до усилия, уравновешивающего инерционные и центробежные силы, действующие на упоры 24 в нормальном рабочем режиме ВТУ.

Наружная поверхность теплообменника снабжена теплоизоляцией 27.

Ветротепловая установка работает следующим образом.

Установка может находиться в одном из двух состояний: отключенном, когда лопасти 2 ветроколеса 1 устанавливаются на своих осях 17 во флюгерное положение, не создавая существенного вращательного момента, и включенном, при котором лопасти повернуты в рабочее положение - на угол α, определенный расчетом для каждой модели ВТУ.

Включение установки производится приводом 19, при этом общая тяга 23, перемещаясь в направлении обтекателя 14, своим упором 22 отводит синхронизирующую втулку 21 на интервал L, поворачивая связанные с ней тягами 20 рычаги 18 на указанный угол α, при котором уступы упоров 24 совпадут и под действием пружин 26 сомкнутся, после чего тяга 23 возвращается в исходное положение. Упоры 24 не позволяют рычагам вернуться в исходное положение, однако не препятствуют дальнейшему их свободному повороту вместе с осями 17 и лопастями 2 в пределах дополнительного угла δ с соответствующим ходом синхронизирующей втулки в пределах интервала ΔL.

Ветровой поток воздействует на ветроколесо 1, создавая вращающий момент и осевое усилие - парусную силу ветроколеса, которая перемещает его с валом 3, установленным с осевой подвижностью на подшипниках 15 несущей втулки 16, а вместе с ним и ротор 12, поджимая фрикционную накладку 13 к зеркалу барабана 7, который, нагреваясь трением, отдает тепло через свою ребристую поверхность потоку воздуха, нагнетаемого ветровым напором через воздухозаборник 10 и поступающего далее через коллектор 11 и канал в полноповоротном устройстве 5 опорной конструкции 6 в тепломагистраль. При изменениях силы ветра меняющаяся парусная сила ветроколеса 1 передается ротору 12, давление в контакте трущихся тел и, следовательно, сила трения меняются пропорционально ветровому напору, что соответствует изменению вращающего момента на ветроколесе 1, поэтому частота вращения последнего меняется незначительно. Мощность теплогенератора 4 также изменяется, но не столько за счет изменения угловой скорости ротора 12, сколько за счет изменения силы трения. При спадах же ветра парусная сила ветроколеса 1 падает, снижая вплоть до нуля давление накладки 13 на зеркало барабана 7, а лопасти 2 самоустанавливаются в положение наименьшего сопротивления вращению, в результате чего торможение ветроколеса 1, вращающегося по инерции, минимально, а динамические свойства ВТУ улучшаются. С возобновлением ветра лопасти 2 снова занимают свое рабочее положение, ротор 12 с накладкой 13 поджимается к зеркалу барабана и установка принимает нагрузку.

Величина потока атмосферного воздуха, продавливаемого напором ветра через теплообменник 9, меняется как и мощность теплогенератора 4, определяющая интенсивность нагрева теплоносителя, в прямой зависимости от силы ветра, что стабилизирует температуру теплоносителя. При этом потери тепла через оболочку 8 теплообменника 9 предотвращаются ее теплоизоляцией 27.

При возникновении опасных вибраций или увеличения частоты вращения ветроколеса 1 от запредельных ветровых нагрузок либо в результате неисправности ВТУ, например, полной изношенности фрикционной накладки 13, установка отключается защитой: при этом грузы 25 под действием инерционной либо центробежной силы, преодолевая сопротивление пружин 26, разводят упоры 24 и лопасти 2 переходят в отключенное - флюгерное положение.

Оперативное отключение ВТУ осуществляется приводом 19 путем перемещения тяги 23 из исходного положения в сторону рычагов 18, при этом она своим коническим концом разводит упоры 24 и лопасти 2 переходят во флюгерное положение.

Преимущества заявленной установки по сравнению с прототипом в том, что достигается сокращение затрат на ее изготовление и эксплуатацию за счет упрощения конструкции, повышение надежности и устойчивости работы в широком диапазоне ветровых нагрузок путем ее оснащения теплогенератором с оптимальной нагрузочной характеристикой, обеспечение обогрева и вентиляции помещений с поддержанием постоянной температуры теплоносителя без использования дополнительных технических средств при экономичном расходе сменных фрикционных материалов за счет выполнения накладки ротора в наборном варианте.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветроустановкам с непосредственным преобразованием энергии ветра в тепловую энергию. Технический результат заключается в упрощении конструкции установки, повышении надежности ее работы в широком диапазоне ветровых нагрузок с обеспечением вентиляции обогреваемых ею помещений. Ветротепловая установка содержит ветроколесо с поворотными лопастями и фрикционный теплогенератор с теплообменником. Новым в установке является конструкция теплогенератора в виде конического барабана с ребристой поверхностью и ротора с фрикционной накладкой, установленного на валу ветроколеса, при этом давление накладки на зеркало барабана зависит от напора ветра. Теплообменник снабжен воздухозаборником. Ветроколесо оснащено устройством защиты по параметрам частоты вращения и вибрации. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ветротепловая установка, содержащая ветроколесо с поворотными лопастями, теплогенератор, входной и выходной патрубки, отличающаяся тем, что теплогенератор выполнен фрикционным в виде конического барабана с ребристой наружной поверхностью, ротора, установленного с ветроколесом на общем валу, имеющем возможность осевого перемещения, фрикционной накладки, неподвижно посаженной на ротор, и теплообменника, образованного ребристой поверхностью барабана и прилегающей к ней оболочкой, при этом теплообменник оснащен входным патрубком-воздухозаборником, открытым в сторону большего торца барабана, и выходным патрубком-коллектором, кроме того, лопасти ветроколеса снабжены смещенными в их боковую сторону осями, содержащими рычаги, связанные с приводом управления посредством отдельных тяг, синхронизирующей втулки и общей тяги, выполненной с односторонним упором, при этом рычаги снабжены упорами и связанными с ними грузами, образующими устройство защиты по параметрам частоты вращения и вибрации ветроколеса.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что фрикционная накладка ротора может быть выполнена наборной в виде пакета секций.