ВЕТРОРОТОР С КОВШОВЫМИ СТВОРЧАТЫМИ ЛОПАСТЯМИ Российский патент 2006 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для устойчивой работы в ветродвигателях при низких, так и высоких скоростях ветровых потоков.

Известно устройство для использования энергии ветрового потока, содержащее карусельный ветроротор, содержащий вертикальный вал и горизонтально установленные на нем две пары поворотных лопастей (см. A.с. SU 1008482). При появлении ветра любого направления одна лопасть поворачивается плоскостью к ветру и производит работу, ее противоположная плоскость повернута на 90° торцом к ветру, при дальнейшем обороте в горизонтальной плоскости лопасти другой пары поворачиваются соответствующим образом. Лопасти могут быть обтянуты парусной тканью, что снизит их массу.

Вращаясь вокруг вертикальной оси, ветроротор производит работу.

Недостатком является то, что при этом нет изменения площади поверхности лопастей в зависимости от минимального до максимального напора ветра.

В качестве прототипа выбрано устройство, в котором воздушный поток взаимодействует с куполом парашюта, раскрывает его, вызывая вращение взаимно перпендикулярных траверсов в горизонтальной плоскости, вращающих вертикальный вал (см. А.с. SU 1809160 А1, от 09.01.91).

Ветродвигатель работает от ветра любого направления. Воздушный поток, взаимодействуя с куполом парашюта, раскрывает его вдоль центральной штанги, соединяющей траверс и купол парашюта. Купол наполняется воздухом, расширяется и производит работу, вращая вал, к которому прикреплен другой конец траверса. При движении купола парашюта навстречу ветру купол сжимается вдоль штанги, снижая аэродинамическое сопротивление.

При скоростях ветра, превышающих предельно допустимую, площадь Миделя куполов уменьшается за счет перемещения регулировочной втулки вдоль штанги купола.

Недостатки этого устройства следующие:

1. Ветроротор работает только при высоких скоростях ветра, раздувающих ткань парашютов. Известно, что в большинстве регионах больший период времени года ветры дуют умеренной силы без резких порывов и с малой их амплитудой. Это обуславливает бездействие указанного устройства значительное время.

Это есть существенный недостаток устройства.

2. Значительная часть энергии ветра расходуется на раскрытие парашютов, при этом максимум раскрытия парашютов уже может не совпадать с максимумом порыва ветра, если он переменной интенсивности.

3. Низкий КПД за счет высокой турбулентности ветрового потока, создаваемой закрытым парашютом, имеющим необтекаемую форму.

4. Ширина входного отверстия купола остается постоянной, что настраивает устройство на снятие ветровой энергии дозированной части, пропорциональной диаметру входа.

5. Резкие порывы ветра переменной интенсивности и направления могут схлоповать парашюты, создавая ударную вибрацию вертикального вала, выводя из строя узлы передачи его вращения к электрогенератору или другому механическому потребителю.

6. Устройство имеет сложную систему регулировки предельно допустимого потока ветра.

Указанные недостатки приводят к неэффективному использованию устройства.

Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии при сверхмалых и больших скоростях ветрового потока и при изменениях его азимута и обеспечивается за счет того, что в ковшовом ветророторе, содержащем вертикальный вал и закрепленные на валу горизонтальные спицы с объемными парно-симметричными относительно вала ковшовыми лопастями, согласно изобретению оболочки ковшовых лопастей состоят из створок, которые подпружинены на смыкание и раздвигаются при критических порывах ветра диском толкающего поршня, скользящего по штанге, прикрепленной перпендикулярно к спице и совпадающей с направлением ее оси, пропуская насквозь через ковшовую лопасть поток ветра.

Вертикальный вал передает механическое вращение потребителям, например, электрогенератору через насаженное на него маховое колесо большего диаметра, чем диаметр вала, или с вала.

Минимальное число пар - одна.

Края входа ковшовой лопасти крепятся к одному концу спицы с помощью обода, проходящего по ее диаметру. Другой конец спицы горизонтально крепится к вертикальному валу.

Створки лопасти шарнирно прикреплены к ободу одним концом и сжаты в целостную оболочку с помощью пружин с противоположного конца.

При слабых порывах ветра толкающий диск не воздействует на створки ковшовой плоскости, при сильных потоках воздуха толкач продвигается по штанге вглубь лопасти и раздвигает створки лопасти. При этом образуется сквозной проход ветра без передачи кинетической энергии ковшовой лопасти. Последнее приводит к автоматическому регулированию снятия заданной энергии ветропотока, а также и скорости вращения ротора и предупреждению поломки ротора от силовых воздействий критических порывов ветра.

Раскрывающаяся оболочка ковшовой лопасти и механизм ее раскрытия является существенной отличительной особенностью предлагаемого устройства.

Поверхность диска толкающего подвижного элемента лопасти рассчитана на критический ветропоток.

Лопасть выполняется из твердого материала, например пластика или алюминия или из проволочного каркаса, обтянутого тканью или эластичной пленкой. Последнее значительно снижает ее материалоемкость и вес.

Отверстие ковшовой лопасти обращено навстречу ветровому потоку и воспринимает его энергию, заставляя вращаться вертикальный вал, а противоположная лопасть обтекаемой частью менее подвержена воздействию ветропотока. Последнее обстоятельство обуславливает вращение вертикального вала в одну сторону при изменениях направления ветропотока.

Заявителем не обнаружено технических решений, обладающих признаками, сходными с отличительными признаками предложенного решения, на основании чего можно считать, что последнее обладает существенными отличиями.

На чертеже изображен общий вид предлагаемого устройства.

Устройство содержит ковшовые лопасти 1 с ободами 2, створки 3, оболочки 4, горизонтальные спицы 5, вертикальный вал 6, одним концом к которому крепятся спицы 5, штангу 7, внутри обода 2 лопасти 1 толкающий поршень 8 и пружины 9.

Устройство работает следующим образом.

Поток ветра входит в отверстие лопасти, площадь которой рассчитана, например, на минимальный поток ветра 1 м/с, и передает ей кинетическую энергию. Лопасть проворачивается в горизонтальной плоскости, передавая вертикальному валу механическое вращение.

Сильные порывы ветра, например 10 м/с, толкают поршень, находящийся внутри лопасти, поршень краями диска раздвигает створки оболочки и пропускает насквозь поток ветра, не отдающего свою энергию лопасти.

Изменение азимута ветропотока не влияет на работу ротора.

Достоинство предлагаемого устройства по сравнению с прототипом состоит в следующем.

1. Ветроротор имеет сменный комплект ковшовых лопастей различной окружности входного отверстия, рассчитанных на скорости ветра от 0,5 до 12 и более метров в секунду.

2. Устройство работает при малых, что существенно, скоростях ветрового потока за счет применения лопастей большого диаметра, а также при разнообразных режимах потока ветра: слабом, ураганном, с умеренными порывами и без порывов, сохраняя заданную мощность ротора.

3. Оболочка лопасти может быть металлической, пластиковой, пленочной.

4. Лопасти могут разниться величиной окружности от малой до значительной, закрепляться на спице ротора согласно техническому заданию и потребности снятия энергии ветропотока.

5. Устройство в эксплуатации технически и экологически безопасно.

7. Ветроротор можно поднимать на значительную высоту, в область постоянного и сильного потока ветра с помощью летательных аппаратов, например дирижаблей, воздушных змей, или устанавливать на мачтах ЛЭП, заводских трубах и т.п.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования энергии ветра при сверхмалых и больших скоростях ветрового потока, а также при изменениях его азимута и повышении эффективности установки. Ковшовый ветроротор содержит вертикальный вал и закрепленные на валу горизонтальные спицы с объемными парно-симметричными относительно вала ковшовыми лопастями. Оболочки ковшовых лопастей состоят из створок, которые подпружинены на смыкание и раздвигаются при критических порывах ветра диском толкающего поршня, скользящего по штанге, прикрепленной перпендикулярно к спице и совпадающей с направлением ее оси, пропуская насквозь через ковшовую лопасть поток ветра. 1 ил.

Ковшовый ветроротор, содержащий вертикальный вал и закрепленные на валу горизонтальные спицы с объемными парно-симметричными относительно вала ковшовыми лопастями, отличающийся тем, что оболочки ковшовых лопастей состоят из створок, которые подпружинены на смыкание и раздвигаются при критических порывах ветра диском толкающего поршня, скользящего по штанге, прикрепленной перпендикулярно к спице и совпадающей с направлением ее оси, пропуская насквозь через ковшовую лопасть поток ветра.