ВЕТРЯНОЙ МНОГОЛОПАСТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики.

Известен ветряной многолопастной двигатель, содержащий основание и установленный на нем вал с лопастями, расположенный перпендикулярно потоку ветра (SU, 1744304 А1, кл. F 03 D 7/06, 30.06.1992).

К недостаткам двигателя относятся невысокие эффективность и коэффициент полезного действия (КПД).

Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии ветра при меньших затратах на сооружение и изготовление двигателя и коэффициента полезного действия (КПД).

Ветряной многолопастной двигатель содержит основание и установленный на нем вал с лопастями, расположенный перпендикулярно потоку ветра. При этом вал ветряного многолопастного двигателя установлен в одной или нескольких подвижных опорах, закрепленных на элементе (элементах) основания, лопасти, плоскости которых имеют кривизну, закреплены на осях, установленных в подвижных опорах на валу в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии вала, с возможностью изменения своего расположения таким образом, что сопротивление потоку ветра плоскостей максимально при совпадении направления потока ветра и направления проекции линейной скорости вращения лопастей вокруг вала на линию направления потока, при этом в каждой плоскости, перпендикулярной оси симметрии вала, установлено по одной оси, располагающейся по обе стороны оси симметрии вала, лопасти, установленные на одной оси, расположены в перпендикулярных или непараллельных плоскостях, при количестве осей на валу, равном двум, оси располагаются в вертикальных перпендикулярных плоскостях, оси симметрии осей расположены между центрами давления потока ветра на лопасти в положении, когда их сопротивление потоку максимально, и передними краями лопастей, относительно фронта потока ветра при движении их против направления потока, на осях и валу размещаются устройства фиксации лопастей, представляющие собой выступы, расположенные на осях между лопастями и валом, и соответствующие им выступы, расположенные на валу, сопрягающиеся поверхности которых имеют возможность соединяться при достижении лопастями положения, при котором их сопротивление потоку максимально или при котором их сопротивление потоку минимально, причем лопасти на осях установлены так, что когда любая ось расположена перпендикулярно направлению потока ветра, сопротивление потоку лопасти, расположенной справа (слева) от оси симметрии вала, максимально.

Оси попарно связаны несколькими жесткими конструктивными элементами, в которых оси установлены в подвижных опорах, а также зубчатой передачей, состоящей из одной или нескольких пар колес зубчатых (секторов зубчатых), находящихся в зацеплении попарно и установленных неподвижно на связанных осях.

Лопасти крепятся к осям посредством съемных соединений или лопасти, закрепленные на осях, установлены на валу посредством съемных соединений.

Двигатель имеет дополнительные крепления лопастей, а именно жесткие элементы, расположенные на участках лопастей, в которых лопасти установлены на осях в подвижных опорах, в каждом элементе закреплены одна или несколько лопастей, причем жесткие элементы прикреплены к нижней части вала с помощью стоек или (и) жесткие элементы скреплены между собой элементом, имеющим форму кольца и расположенным в плоскости перпендикулярной оси симметрии вала, и закреплены за верхнюю часть вала гибкими элементами.

На осях и дополнительных креплениях лопастей размещаются дополнительные устройства фиксации лопастей, представляющие собой выступы, расположенные на осях, и соответствующие им выступы, расположенные на жестких элементах, сопрягающиеся поверхности которых имеют возможность соединяться при достижении лопастями положения, при котором их сопротивление потоку максимально или при котором их сопротивление потоку минимально.

Двигатель имеет дополнительные крепления лопастей, а именно расположенные на участках лопастей жесткие элементы, в которых лопасти установлены на осях в подвижных опорах, в каждом элементе закреплены одна или несколько лопастей, причем жесткие элементы прикреплены к нижней части вала стойками или(и) жесткие элементы соединены между собой элементом, имеющим форму кольца и расположенным в плоскости, перпендикулярной оси симметрии вала, и закреплены за верхнюю часть вала гибкими элементами, причем лопасти в местах дополнительных креплений установлены на осях при помощи съемных соединений.

Двигатель имеет дополнительные крепления лопастей, а именно расположенные на участках лопастей жесткие элементы, в которых лопасти установлены на осях в подвижных опорах, в каждом элементе закреплены одна или несколько лопастей, жесткие элементы прикреплены к нижней части вала стойками или(и) жесткие элементы скреплены между собой элементом, имеющим форму кольца и расположенным в плоскости, перпендикулярной оси симметрии вала, и закреплены за верхнюю часть вала гибкими элементами, причем на осях и дополнительных креплениях лопастей размещаются дополнительные устройства фиксации лопастей, представляющие собой выступы, расположенные на осях у жестких элементов, и соответствующие им выступы, расположенные на жестких элементах, сопрягающиеся поверхности которых имеют возможность соединяться при достижении лопастями положения, при котором их сопротивление потоку максимально или минимально, при этом лопасти в местах дополнительных креплений установлены на осях при помощи съемных соединений.

На одной или обеих сопрягающихся поверхностях устройств фиксации лопастей нанесен один или несколько слоев демпфирующего материала.

Вал установлен в одной или нескольких дополнительных подвижных опорах, которые закреплены одним или несколькими жесткими или гибкими элементами на одной или нескольких опорах, или (и) одна или несколько дополнительных подвижных опор ветряного многолопастного двигателя закреплена (закреплены) одним или несколькими жесткими или гибкими элементом (элементами) за дополнительную подвижную опору (опоры) расположенного рядом одного (или нескольких) ветряного многолопастного двигателя (двигателей).

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлено:

на фиг.1 изображен ветряной многолопастной двигатель (общий вид);

на фиг.2 изображен ветряной многолопастной двигатель с жесткими элементами и зубчатой передачей (общий вид);

на фиг.3 изображено крепление лопастей к осям посредством съемных соединений;

на фиг.4 изображено дополнительное крепление лопастей, образованное посредством жестких элементов, подвижных опор и стоек;

на фиг.5 изображены дополнительные устройства фиксации лопастей;

на фиг.6 изображены дополнительные крепления лопастей (вариант);

на фиг.7 изображены дополнительные крепления лопастей (вариант);

на фиг.8 изображен вал, установленный на одну или несколько дополнительных опор, снабженных жесткими или гибкими элементами;

на фиг.9 и фиг.10 изображены иллюстрации различного характера обтекания потоком среды разных плоскостей лопасти.

Ветряной многолопастный двигатель содержит вал 2, установленный в подвижной опоре 6, закрепленной на основании 1, на валу 2 закреплены подвижные опоры 5, в которых установлены оси 4 с лопастями 3, на валу 2 и осях 4 размещаются устройства фиксации лопастей 7.

Двигатель (см. фиг.1) работает следующим образом: когда ось 4 с лопастями 3 устанавливается вдоль направления потока воздуха, она поворачивается в подвижной опоре 5 на 90 градусов или отличный от него угол в направлении, указанном стрелкой б, относительно предыдущего положения. При этом лопасть 3 занимает положение наибольшего сопротивления потоку воздуха (например, вертикальное) или положение меньшего сопротивления, но более минимального сопротивления потоку воздуха. В данном положении за счет соединения сопрягающихся поверхностей элементов устройства фиксации лопастей 7 ось 4 фиксируется. В то же время лопасть 3 на противоположной стороне плоскости вращения вала 2 с лопастями 3, устанавливаясь вдоль направления потока воздуха, также поворачивается на 90 градусов или отличный от него угол и занимает положение наименьшего сопротивления потоку воздуха (например, горизонтальное), обращаясь к набегающему потоку своей продольной плоскостью с наименьшей площадью сечения. Поворот лопастей 3 на осях 4 в подвижных опорах 5 в направлении, указанном стрелкой б, происходит за счет воздействия набегающего потока воздуха на поверхности лопастей 3. При изменении положения осей 4 (за счет вращения вала 2), от параллельного направлению потока воздуха к непараллельному (т.е. такому, когда между осями 4 и направлением потока имеется некоторый угол), происходит поворот лопастей 3 по стрелке б. Поворот происходит за счет воздействия потока воздуха на лопасть 3, вращающуюся относительно оси вала 2 против направления потока воздуха. За счет разных площадей продольных сечений плоскостей противоположных лопастей 3 создается вращающий момент, движущий вал 2 в направлении, указанном стрелкой а.

На фиг.2 представлен вариант ветряного многолопастного двигателя.

В его состав дополнительно входят неподвижно закрепленные на осях 4 зубчатые колеса 10, находящиеся в зацеплении попарно с зубчатыми колесами, расположенными рядом с осями 4, а также элементы 8 с размещенными в них подвижными опорами 9, в которых дополнительно установлены оси 4. Зубчатые колеса 10 обеспечивают статическое равновесие находящихся в зацеплении осей 4 с размещенными на них лопастями 3.

Элементы 8 обеспечивают надежное зацепление зубчатых колес 10 друг с другом. После прохождения осями 4 положения, когда оси 4 параллельны потоку ветра, одна пара лопастей 3, вращаясь в направлении, указанном стрелками б1 и б2, становится вертикально (занимает положение наибольшего сопротивления потоку воздуха) и создает вращающий момент вала 2 в направлении, указанном стрелкой а. Пара противоположных лопастей 3 становится горизонтально (занимает положение наименьшего сопротивления потоку воздуха), создавая минимальное встречное сопротивление.

На фиг.3 представлен вариант ветряного многолопастного двигателя.

В его состав дополнительно входят съемные соединения 11, при помощи которых лопасти 3 крепятся на осях 4.

На фиг.4 представлен вариант ветряного многолопастного двигателя.

В его состав дополнительно входят жесткие элементы 12, закрепленные на валу 2 при помощи стоек 14. В жестких элементах 12 при помощи подвижных опор 13 дополнительно установлены на валу 2 оси 4 с лопастями 3. Дополнительные крепления лопастей 3 предназначены для увеличения прочности конструкции с целью увеличения длины применяемых лопастей 3.

На фиг.5 представлен вариант ветряного многолопастного двигателя.

В его состав дополнительно входят дополнительные устройства фиксации 15 лопастей 3, размещенных на осях 4 и жестких элементах 12. Дополнительные устройства фиксации 15 лопастей 3 удерживают лопасти 3 в положении наибольшего сопротивления потоку воздуха, уменьшая деформацию скручивания лопастей 3 под воздействием напора ветра.

На фиг.6 представлен вариант ветряного многолопастного двигателя.

В его состав дополнительно входят жесткие элементы 12, закрепленные на валу 2 при помощи стоек 14. В жестких элементах 12, при помощи подвижных опор 13 с установленными в них осями 16, дополнительно установлены на валу 2 оси 4 с лопастями 3 при помощи съемных соединений 17. Дополнительные крепления лопастей 3 предназначены для увеличения прочности конструкции с целью увеличения длины применяемых лопастей 3.

На фиг.7 представлен вариант ветряного многолопастного двигателя.

В его состав дополнительно входят жесткие элементы 12, закрепленные на валу 2 при помощи стоек 14. В жестких элементах 12, при помощи подвижных опор 13 с установленными в них осями 16, дополнительно установлены на валу 2 оси 4 с лопастями 3 при помощи съемных соединений 17. Причем на осях 16 и жестких элементах 12 размещены дополнительные устройства фиксации лопастей 15, которые удерживают лопасти 3 в положении наибольшего сопротивления потоку воздуха, уменьшая деформацию скручивания лопастей 3 под действием напора ветра. Дополнительные крепления лопастей 3 предназначены для увеличения прочности конструкции с целью увеличения длины применяемых лопастей 3.

Кроме того, на одну или несколько сопрягающихся поверхностей устройств фиксации 7 лопастей 3 нанесен один или несколько слоев демпфирующих устройств в виде слоев демпфирующих материалов, что позволит избежать соударений элементов устройств фиксации 7 лопастей 3 при соединении друг с другом. Кроме того, вал 2 установлен в дополнительных подвижных опорах 18 (см. фиг.8). Дополнительная подвижная опора 18 одного ветряного многолопастного двигателя прикреплена жестким элементом 19 за дополнительную подвижную опору 18 другого ветряного многолопастного двигателя, которая в свою очередь прикреплена за опору 20 еще одним жестким элементом 19. Соединение ветряных многолопастных двигателей между собой и дополнительное крепление их за прочные опоры 20 обеспечивает высокую прочность и устойчивость конструкции к сильным ветровым нагрузкам.

Также в качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления изобретения, приводится расчет коэффициента полезного действия многолопастного ветряного двигателя.

Расчет коэффициента полезного действия многолопастного ветряного двигателя.

Так как сила давления ветра Fдв на лопасть в положении, когда плоскость лопасти перпендикулярна потоку, определена соотношением:

, где

S - площадь максимального сечения плоскости лопасти, подверженной воздействию потока среды,

V/2 - давление потока среды на лопасть (динамический напор),

ρ - плотность среды, из которой состоит поток,

V - скорость потока,

К - коэффициент, учитывающий характер обтекания лопасти потоком среды (см. фиг.9, фиг.10).

Для силы давления ветра, противодействующей, т.е. действующей на лопасть в положении, когда лопасть параллельна потоку - Fдвп, справедливо соотношение (1) с соответствующими значениями S и К.

А так как Fвр и Fпвр прямо пропорциональны Fдв и Fдвп, то формула КПД примет вид:

КПД=(Fвр-Fпвр-Fтр-Fпп)/Fвр, где

Fвр - суммарная сила вращения, приложенная к лопастям;

Fпвр - суммарная сила противодействия вращению, приложенная к лопастям;

Fтр -сила трения в подвижных опорах;

Fпп - усилие, затрачиваемое на поворот лопастей.

Так как потери на трение незначительны, Fтр≈(3%-5%) для промышленных подшипников, а Fпп зависит от конструктивного исполнения, то при расчете Fтр и Fпп не учитываем, и формула КПД примет вид:

Применяя к соотношению (2) соотношение (1) и учитывая что, например, для четырехлопастной схемы Fвр=Fдв и Fпвр=Fдвп соответственно, при прочих равных условиях получим:

, где

Smin, Smax - площади сечений плоскостей лопастей, подтвержденных воздействию потока среды;

K1, K2 - коэффициенты, учитывающие характер воздействия потока среды.

Таким образом, при соотношении К1/К2 0,9 к 1,1 и Smin/Smax 1 к 10, что соответствует несложной технологии изготовления, расчитывая по формуле (3), получим:

КПД_{установки}=0,918,

с учетом потерь на трение и принимая потери на поворот лопастей 10%, получим теоретическое значение КПД 75-80%.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии ветра. Двигатель содержит основание с валом, расположенным перпендикулярно потоку ветра, и лопастями. Вал закреплен в подвижных опорах, а лопасти закреплены на осях с возможностью изменения своего положения так, что сопротивление потоку ветра максимально при совпадении направления потока ветра и направления проекции линейной скорости вращения лопастей вокруг вала на линию направления потока и сопротивление минимально при противоположных направлениях потока ветра и проекции линейной скорости, при этом количество осей на валу равно двум, на осях и валу размещены устройства фиксации лопастей, представляющие собой выступы, расположенные на осях между лопастями и валом, и соответствующие им выступы, расположенные на валу, сопрягающиеся поверхности которых могут соединяться при достижении лопастями положения, при котором их сопротивление потоку максимально или минимально, при этом лопасти установлены так, что когда любая ось перпендикулярна направлению потока ветра, сопротивление потоку лопасти, расположенной справа (слева) от оси симметрии вала, максимально. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Ветряной многолопастный двигатель, содержащий основание и установленный на нем вал с лопастями, расположенный перпендикулярно потоку ветра, отличающийся тем, что вал ветряного многолопастного двигателя установлен в одной или нескольких подвижных опорах, закрепленных на элементе (элементах) основания, лопасти, плоскости которых имеют кривизну, закреплены на осях, установленных в подвижных опорах на валу в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии вала, с возможностью изменения своего расположения таким образом, что сопротивление потоку ветра плоскостей максимально при совпадении направления потока ветра и направления проекции линейной скорости вращения лопастей вокруг вала на линию направления потока, при этом в каждой плоскости, перпендикулярной оси симметрии вала, установлено по одной оси, располагающейся по обе стороны оси симметрии вала, лопасти, установленные на одной оси, расположены в перпендикулярных или непараллельных плоскостях, при количестве осей на валу, равном двум, оси располагаются в вертикальных перпендикулярных плоскостях, оси симметрии осей расположены между центрами давления потока ветра на лопасти в положении, когда их сопротивление потоку максимально, и передними краями лопастей относительно фронта потока ветра при движении их против направления потока, на осях и валу размещаются устройства фиксации лопастей, представляющие собой выступы, расположенные на осях между лопастями и валом, и соответствующие им выступы, расположенные на валу, сопрягающиеся поверхности которых имеют возможность соединяться при достижении лопастями положения, при котором их сопротивление потоку максимально или при котором их сопротивление потоку минимально, причем лопасти на осях установлены так, что, когда любая ось расположена перпендикулярно направлению потока ветра, сопротивление потоку лопасти, расположенной справа (слева) от оси симметрии вала, максимально.2. Ветряной многолопастный двигатель по п.1, отличающийся тем, что оси попарно связаны несколькими жесткими конструктивными элементами, в которых оси установлены в подвижных опорах, а также зубчатой передачей, состоящей из одной или нескольких пар колес зубчатых (секторов зубчатых), находящихся в зацеплении попарно и установленных неподвижно на связанных осях.3. Ветряной многолопастный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что лопасти крепятся к осям посредством съемных соединений, или лопасти, закрепленные на осях, установлены на валу посредством съемных соединений.4. Ветряной многолопастный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что имеет дополнительные крепления лопастей, а именно жесткие элементы, расположенные на участках лопастей, в которых лопасти установлены на осях в подвижных опорах, в каждом элементе закреплены одна или несколько лопастей, причем жесткие элементы прикреплены к нижней части вала с помощью стоек, или (и) жесткие элементы скреплены между собой элементом, имеющим форму кольца и расположенным в плоскости, перпендикулярной оси симметрии вала, и закреплены за верхнюю часть вала гибкими элементами.5. Ветряной многолопастный двигатель по п.1, отличающийся тем, что на осях и дополнительных креплениях лопастей размещаются дополнительные устройства фиксации лопастей, представляющие собой выступы, расположенные на осях, и соответствующие им выступы, расположенные на жестких элементах, сопрягающиеся поверхности которых имеют возможность соединяться при достижении лопастями положения, при котором их сопротивление потоку максимально или при котором их сопротивление потоку минимально.6. Ветряной многолопастный двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет дополнительные крепления лопастей, а именно, расположенные на участках лопастей жесткие элементы, в которых лопасти установлены на осях в подвижных опорах, в каждом элементе закреплены одна или несколько лопастей, причем жесткие элементы прикреплены к нижней части вала стойками или(и) жесткие элементы соединены между собой элементом, имеющим форму кольца и расположенным в плоскости, перпендикулярной оси симметрии вала, и закреплены за верхнюю часть вала гибкими элементами, причем лопасти в местах дополнительных креплений установлены на осях при помощи съемных соединений.7. Ветряной многолопастный двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет дополнительные крепления лопастей, а именно, расположенные на участках лопастей жесткие элементы, в которых лопасти установлены на осях в подвижных опорах, в каждом элементе закреплены одна или несколько лопастей, жесткие элементы прикреплены к нижней части вала стойками, или(и) жесткие элементы скреплены между собой элементом, имеющим форму кольца и расположенным в плоскости, перпендикулярной оси симметрии вала, и закреплены за верхнюю часть вала гибкими элементами, причем на осях и дополнительных креплениях лопастей размещаются дополнительные устройства фиксации лопастей, представляющие собой выступы, расположенные на осях у жестких элементов, и соответствующие им выступы, расположенные на жестких элементах, сопрягающиеся поверхности которых имеют возможность соединяться при достижении лопастями положения, при котором их сопротивление потоку максимально или минимально, при этом лопасти в местах дополнительных креплений установлены на осях при помощи съемных соединений.8. Ветряной многолопастный двигатель по п.1, отличающийся тем, что на одной или обеих сопрягающихся поверхностях устройств фиксации лопастей нанесен один или несколько слоев демпфирующего материала.9. Ветряной многолопастный двигатель по п.1, отличающийся тем, что вал установлен в одной или нескольких дополнительных подвижных опорах, которые закреплены одним или несколькими жесткими или гибкими элементами на одной или нескольких опорах, или (и) одна или несколько дополнительных подвижных опор ветряного многолопастного двигателя закреплена (закреплены) одним или несколькими жесткими или гибкими элементами за дополнительную подвижную опору (опоры) расположенных рядом одного или нескольких ветряных многолопастных двигателей.