ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к устройствам, с помощью которых может быть использована сила ветра для экологически чистого получения различных видов энергии, например электрической, тепловой или механической для хозяйственных целей.

Известна башня ветродвигателя, содержащая корпус с окнами и установленные в них поворотные клапаны, при этом корпус выполнен по высоте составным из цилиндрических колец и снабжен соединенными с ним вертикальными стойками, а клапаны выполнены кольцевой формы из мягкого материала и консольно закреплены с внутренней стороны колец над окнами /см., например, SU 1451332, 1989 (1) - аналог/.

Известна рамная опора ветроустановки, у которой центральный ствол выполнен полым и снабжен блоками, контактирующими с тросовыми оттяжками и расположенными в верхней части полости ствола, и тяговым механизмом, размещенным в нижней части полости ствола и соединенным с оттяжками /см., например, SU 1451333, 1989(2) - аналог/.

Известен ветродвигатель, который имеет вертикальный вал с основанием и ветроколесо с дугообразными лопастями, смещенными одна относительно другой с образованием воздушного канала, разделенного перегородками. Внутренние полости лопастей перегородками воспринимают энергию ветра и приводят ветроколесо во вращение. Нижняя крышка ветроколеса снабжена катками, основание - опорным диском. Ветродвигатель имеет дополнительные ветроколеса, которые смещены по отношению друг к другу в окружном направлении, а верхняя и нижняя крышки соседних ветроколес соединены между собой /см., например, SU 1451328, 1987 (3) - ближайший аналог/.

К недостаткам перечисленных конструкций относится:

1. Башня ветродвигателя может быть использована только в ветроустановках малой мощности, так как при большом диаметре ветроколеса воздушный поток не будет доходить до противоположной стороны ветроколеса. Данная ветроустановка будет иметь низкий коэффициент использования силы ветра по той причине, что входящий во внутреннюю полость башни воздух будет повышать там давление и прижимать кольцеобразные клапана к стенке, а, имея наружную цилиндрическую форму, она будет легко обтекаться воздушным потоком ветра, заходя во внутреннюю полость узкой полосой по вертикали, создаваемой открытыми клапанами. Башня ветродвигателя будет не эффективна в районах, где преобладают ветра со скоростью менее 6 м/с, так как при таких скоростях ветра высокооборотные ветроколеса стоят.

2. Рамная опора ветроустановки является несущей конструкцией для множества высокооборотных ветроколес, которые во время работы представляют для ветра сопротивление одного порядка с сопротивлением паруса. Такое сопротивление ветру будет создавать большую силу опрокидывающего момента, предъявляя к рамной опоре ветроустановки требования повышенной прочности и установки ее на мощной опоре, что будет повышать стоимость ветроустановки. Множество ветроколес будет создавать высокий уровень шума, что не позволит строительство таких ветроустановок в зоне обитания человека. Данная ветроустановка будет неэффективна в районах с преобладанием ветров, имеющих скорость менее 6 м/с, так как в ней используются традиционные высокоскоростные ветроколеса, которые при низких скоростях ветра бездействуют.

3. Ветродвигатель имеет тот недостаток, что каждое ветроколесо, из которых он состоит, работает автономно, никаким образом не влияя на работу других ветроколес с целью улучшения качества работы ветродвигателя. По причине наличия у ветроколес только двух лопастей их воздушные каналы дважды за один оборот находятся в зоне бездействия по отношению к направлению ветра, что придает ветроколесам импульсный характер работы. Создаваемая набором ветроколес внешняя форма ветродвигателя имеет ступенчатую, поднимающуюся снизу вверх поверхность, по которой ветер плавно меняет направление, не отдавая ветродвигателю существенную часть своей энергии.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении большей мощности и повышении коэффициента использования силы ветра по отношению к существующим ветродвигателям с вертикальной осью вращения при равных габаритах и скорости ветра. Повышение мощности не только улучшает экономический показатель, но и снижает порог скорости ветра, при которой ветроустановка начинает работать. В районах, где преобладает слабый ветер, это качество является принципиально важным.

Поставленная задача решается тем, что в ветродвигателе, содержащем ветроколеса с дугообразными лопастями, имеющими воздушные каналы, образованные дугообразными перегородками и нижней и верхней крышками, скрепленные между собой, при этом ветроколесо, лежащее в основании, жестко соединено с вертикальным валом, ветроколеса имеют три дугообразных лопасти, расположенные под углом 120° по отношению друг к другу, при этом каждая лопасть имеет одинаковое с соседними лопастями четное число дугообразных воздушных каналов, одна половина которых неразрывно связана с воздушными каналами соседней лопасти, расположенной по часовой стрелке, а другая половина воздушных дугообразных каналов неразрывно связана с воздушными каналами соседней лопасти, расположенной против часовой стрелки, при этом верхняя и нижняя крышки ветроколес имеют вогнутую дугообразную кромку равного радиуса в части, формирующей лопасть ветроколеса по линии радиуса, а центры радиусов дугообразных кромок разнесены относительно друг друга под углом от 20° до 50°, у одной половины ветроколес центр дугообразной вогнутой кромки нижней крышки по отношению к центру дугообразной вогнутой кромки верхней крышки смещен по часовой стрелке, а у другой половины ветроколес на такой же угол смещен против часовой стрелки, при этом сборка ветродвигателя путем наложения ветроколес друг на друга и их крепления друг с другом осуществляется таким образом, что вогнутые дугообразные кромки лопастей верхних крышек нижележащих ветроколес совмещаются с вогнутой дугообразной кромкой лопастей нижних крышек вышележащих ветроколес, формируя у ветродвигателя на боковой поверхности три винтообразные, захватывающие ветер полости.

От ближайшего аналога ветродвигатель отличается значительно большим сопротивлением ветру в рабочей зоне, что повышает давление воздуха в каналах и скорость его движения, благодаря чему возрастает мощность ветродвигателя. Конструкция ветродвигателя позволяет практически исключить импульсный характер крутящего момента в зависимости от положения его сторон по отношению к направлению ветра.

К материалу заявки прилагаются чертежи.

На фиг.1 изображен общий вид ветродвигателя с обозначением основных элементов, из которых он состоит.

На фиг.2 изображено ветроколесо 2 /фиг.1/ с обозначением элементов, содержащихся в данном ветроколесе. Вид сверху.

На фиг.3 изображена боковая проекция ветроколеса 2 /фиг.1/ с обозначением дополнительных элементов.

На фиг.4 изображен вид сверху ветроколеса 3 /фиг.1/ с указанием особенностей его конструкции.

На фиг.5 изображена боковая проекция ветроколеса 3 /фиг.1/ с обозначением составляющих его элементов.

Ветродвигатель, общий вид которого изображен на фиг.1, содержит вал 1, на котором закреплен пакет жестко соединенных между собой, уложенных друг на друге определенным образом ветроколес двух типов: ветроколес 2 и ветроколес 3, закрытых обтекателями 4.

Ветроколеса 2 и 3 содержат три лопасти 5, состоящие из воздушных каналов 6, образованных перегородками 7, нижней крышкой 8 и верхней крышкой 9 у ветроколеса 2, а у ветроколеса 3 - состоящие из воздушных каналов 6, образованных перегородками 7, нижней крышкой 10 и верхней крышкой 11. Лопасти 5 имеют воздушные каналы 6 дугообразной формы, одна половина которых неразрывно связана с половиной подобных воздушных каналов соседней лопасти, расположенной по часовой стрелке, а другая половина воздушных каналов 6 каждой лопасти 5 - с половиной подобных воздушных каналов соседней лопасти, расположенной против часовой стрелки.

У нижней крышки 8 ветроколес 2 и верхней крышки 11 ветроколес 3 наружная кромка лопастей 5 выполнена по радиусам R2 и R3. Перегородка 7, проходящая по наружной кромке лопастей 5, на участке наружной кромки, выполненной радиусом R3, срезается по диагонали, образуя у ветроколес 2 кромку «А», а у ветроколес 3 - кромку «Д».

Верхняя крышка 9 ветроколес 2 и нижняя крышка 10 ветроколес 3 идентичны и отличаются от крышек 8 и 11 ветроколес 2 и 3 тем, что наружная кромка указанных крышек выполняется только радиусом R2 до точки соединения с радиусом R3, что при изготовлении ветроколес центры радиусов R1 верхних и нижних крышек каждого ветроколеса разносит на угол α, выбираемый в пределах от 20° до 50°, смещая боковую кромку радиусом R1 лопастей 5 верхней крышки 9 по отношению к боковой кромке радиусом R1 нижней крышки 8, например, по часовой стрелке у ветроколес 2, а у ветроколес 3 боковую кромку радиусом R1 верхней крышки 11, в данном случае, смещает относительно нижней крышки 10 против часовой стрелки.

Ветродвигатель собирается таким образом, что боковые кромки R1 лопастей 5 ветроколес 2 и 3 верхних крышек совмещаются с боковыми кромками R1 ветроколес 2 и 3 нижних крышек при наложении ветроколес 2 и 3 друг на друга в строгой последовательности: сначала группу ветроколес 2, затем группу ветроколес 3, жестко соединяя ветроколеса друг с другом. Благодаря такой последовательности сборки ветродвигателя формируется винтообразная, захватывающая ветер полость «ВС», состоящая из двух половин: нижней винтообразной, поднимающейся снизу вверх до середины ветродвигателя по вертикали «В», и винтообразной верхней, опускающейся сверху вниз до середины ветродвигателя по вертикали «С».

Таким образом, на боковой поверхности ветродвигателя формируются три захватывающие ветер, состоящие из двух винтообразных частей "В" и "С" полости "ВС". В сборке ветроколеса 2 и 3 закрыты обтекателем 4.

Работа ветродвигателя происходит следующим образом. Ветер любого направления захватывается обращенной к нему полостью "ВС", меняя направление снизу вверх в нижней половине ветродвигателя и сверху вниз в верхней половине, создавая в зоне захвата повышенное давление. Под влиянием созданного давления воздух внутри ветродвигателя приходит в движение по воздушным каналам 6. Благодаря множеству перегородок 7 увеличивается площадь контакта ветродвигателя с воздушным потоком, а трехлопастные ветроколеса 2 и 3 обеспечивают максимальное число работающих воздушных каналов 6 по сравнению с двухлопастными или четырех- и более лопастными ветроколесами, что увеличивает силу крутящего момента и улучшает коэффициент использования силы ветра.

Ветродвигатель относится к области ветроэнергетики. Для повышения коэффициента использования силы ветра и снижения порога скорости ветра, обеспечивающего работоспособность, в ветродвигателе, содержащем ветроколеса с дугообразными лопастями, имеющими воздушные каналы, образованные дугообразными перегородками и нижней и верхней крышками, скрепленные между собой, ветроколеса имеют три дугообразных лопасти, расположенные под углом 120° по отношению друг к другу, при этом каждая лопасть имеет одинаковое с соседними лопастями четное число дугообразных воздушных каналов, одна половина которых неразрывно связана с воздушными каналами соседней лопасти, расположенной по часовой стрелке, а другая половина воздушных дугообразных каналов неразрывно связана с воздушными каналами соседней лопасти, расположенной против часовой стрелки. Верхняя и нижняя крышки ветроколес имеют вогнутую дугообразную кромку равного радиуса в части, формирующей лопасть ветроколеса по линии радиуса, а центры радиусов разнесены относительно друг друга под углом от 20° до 50°, у одной половины ветроколес центр дугообразной вогнутой кромки нижней крышки по отношению к центру дугообразной вогнутой кромки верхней крышки смещен по часовой стрелке, а у другой половины - против часовой стрелки. Сборка ветродвигателя осуществляется таким образом, что вогнутые дугообразные кромки лопастей верхних крышек нижележащих ветроколес совмещаются с вогнутой дугообразной кромкой лопастей нижних крышек вышележащих ветроколес, формируя у ветродвигателя на боковой поверхности три винтообразные, захватывающие ветер полости. 5 ил.

Ветродвигатель, содержащий ветроколеса с дугообразными лопастями, имеющими воздушные каналы, образованные дугообразными перегородками и нижней и верхней крышками, скрепленные между собой, при этом ветроколесо, лежащее в основании, жестко соединено с вертикальным валом, отличающийся тем, что ветроколеса имеют три дугообразные лопасти, расположенные под углом 120° друг к другу, при этом каждая лопасть имеет одинаковое с соседними лопастями четное число дугообразных воздушных каналов, одна половина которых неразрывно связана с воздушными каналами соседней лопасти, расположенной по часовой стрелке, а другая половина воздушных дугообразных каналов неразрывно связана с воздушными каналами соседней лопасти, расположенной против часовой стрелки, при этом верхняя и нижняя крышки ветроколес имеют вогнутую дугообразную кромку равного радиуса в части, формирующей лопасть ветроколеса по линии радиуса, а центры радиусов дугообразных кромок разнесены относительно друг друга под углом от 20 до 50°, у одной половины ветроколес центр дугообразной вогнутой кромки нижней крышки по отношению к центру дугообразной вогнутой кромки верхней крышки смещен по часовой стрелке, а у другой половины ветроколес на такой же угол смещен против часовой стрелки, при этом сборка ветродвигателя путем наложения ветроколес друг на друга и их крепления друг с другом осуществляется таким образом, что вогнутые дугообразные кромки лопастей верхних крышек нижележащих ветроколес совмещаются с вогнутой дугообразной кромкой лопастей нижних крышек вышележащих ветроколес, формируя у ветродвигателя на боковой поверхности три винтообразные захватывающие ветер полости.