ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2008 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к области малой энергетики и может быть использовано для создания установок повышенной мощности.

Известна энергетическая установка, содержащая кольцевой понтон-ротор, снабженная ветровоспринимающими рабочими органами (лопастями) и гибкими элементами связи ротора со ступицами преобразователя энергии (см. патент РФ № 2119092, БИ № 26, 1998 г.).

Недостатками этого решения являются: малая изгибная жесткость установки при больших диаметрах; ветровоспринимающие рабочие органы, расположенные на кольцевом понтоне, находятся на достаточно низком уровне, что приводит к снижению эффективности работы установки; расположение понтона и ветровоспринимающих рабочих органов на одном диаметре повышает силу сопротивления движению кольцевого понтона на воде.

Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая кольцевой понтон-ротор, размещенный с возможностью вращения вокруг центральной неподвижной башни, поворотные лопасти, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей, гибкие тяги, связанные со ступицей преобразователя энергии, установленной с возможностью вращения вокруг продольной оси неподвижной башни (см. патент РФ № 2187018, БИ № 22, 2002 г.).

Эта установка, как наиболее близкая по технической сущности к предлагаемой, выбрана в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются:

1. Большая подверженность воздействию волн, а именно большая нагрузка на понтон от набегающих ветровых волн.

2. Низкая изгибная жесткость лопастей.

3. Повышенные потери мощности из-за падения давления на концах лопастей.

4. Повышенное водоизмещение понтона-ротора, необходимое для компенсации перекоса из-за неуравновешенного аэродинамического момента.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, выражается в повышении эффективности работы ветроэнергетической установки и ее устойчивости.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в уменьшении материалоемкости конструкции, увеличении прочности и жесткости конструкции и увеличении эффективности преобразования энергии.

Поставленная задача решается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая кольцевой понтон-ротор, размещенный с возможностью вращения вокруг центральной неподвижной башни, поворотные лопасти, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей, гибкие тяги, связанные со ступицей преобразователя энергии, установленной с возможностью вращения вокруг продольной оси неподвижной башни, отличается тем, что кольцевой понтон выполнен с возможностью погружения ниже уровня водной поверхности, поворотные лопасти размещены между жесткими кольцевыми дисками, при этом нижний кольцевой диск скреплен с кольцевым понтоном посредством жестких стержневых элементов, а верхний кольцевой диск скреплен горизонтальными радиальными гибкими тягами с опорным кольцом, установленным на неподвижной башне с возможностью вращения вокруг ее продольной оси, причем ступица преобразователя энергии скреплена горизонтальными гибкими тягами с нижним кольцевым диском, а верхний и нижний диски соединены стержневыми элементами, установленными с наклоном их верхних концов по направлению вращения понтона-ротора.

Кроме того, точки крепления к ступице у половины гибких тяг связи нижнего кольцевого диска со ступицей преобразователя энергии отклонены от радиального направления против направления вращения понтона, а точки крепления к ступице у другой половины гибких тяг отклонены от радиального направления по направлению вращения понтона на такой же угол.

При этом кольцевые диски выполнены шириной от 0,8 до 1,5 от величины хорды лопасти.

При этом жесткие стержневые элементы выполнены в виде полых цилиндрических колонн.

Кроме того, кольцевые диски выполнены с плавным уменьшением толщины к периферии и к центру, при этом поверхности кольцевых дисков, примыкающие к лопастям, выполнены плоскими.

Кроме того, нижний кольцевой диск выполнен с нижней поверхностью в форме усеченного конуса с углом при основании 2...3 градуса, в котором окружность меньшего радиуса расположена сверху.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак «...кольцевой понтон выполнен с возможностью погружения ниже уровня водной поверхности...» позволяет снизить воздействие волн на понтон-ротор.

Признак «...поворотные лопасти размещены между жесткими кольцевыми дисками, ...» позволяют обеспечить жесткость и снижение концевых потерь на лопастях.

Признак «...нижний кольцевой диск скреплен с кольцевым понтоном посредством жестких стержневых элементов, а верхний кольцевой диск скреплен горизонтальными радиальными гибкими тягами с опорным кольцом, установленным на неподвижной башне с возможностью вращения вокруг ее продольной оси, ...» обеспечивает изгибную жесткость лопастей.

Признак «...ступица преобразователя энергии скреплена горизонтальными гибкими тягами с нижним кольцевым диском, а верхний и нижний диски соединены стержневыми элементами, установленными с наклоном их верхних концов по направлению вращения понтона-ротора,» позволяет обеспечить передачу крутящего момента от понтона-ротора без изгиба и закручивания осей лопастей.

Признаки 2-го пункта формулы в сочетании с последним признаком первого пункта обеспечивают передачу энергии. Крутящий момент передается нижними гибкими тягами, и опорное кольцо не испытывает крутящего момента (не закручивается).

Признаки 3-го пункта формулы и признак «...поверхности кольцевых дисков, примыкающие к лопастям, выполнены плоскими,» увеличивают эффективность за счет исключения концевых потерь.

Признак «...концевые диски выполнены с плавным уменьшением толщины к периферии и к центру, ...» обеспечивает минимальное аэродинамическое сопротивление дисков.

Признаки 4-го пункта формулы обеспечивают устойчивость ротора против перекоса при минимальном сопротивлении набегающим волнам.

Признаки 6-го пункта формулы обеспечивают создание аэродинамического момента, дополнительно компенсирующего перекос ротора, и тем самым позволяют уменьшить водоизмещение понтона.

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена ветроэнергетическая установка в разрезе. На фиг.2 - вид установки сверху (ступица преобразователя энергии и прикрепленные к ней гибкие тяги здесь условно не показаны). На фиг.3 показан разрез А-А фиг.1.

На чертежах обозначено: 1 - кольцевой понтон-ротор, 2 - поворотные лопасти, 3 и 4 - нижний и верхний (соответственно) кольцевые диски, 5 - жесткие стержневые элементы, выполненные в виде полых цилиндрических колонн, для крепления нижнего диска 3 с кольцевым понтоном-ротором 1, 6 - горизонтальные радиальные гибкие тяги для крепления верхнего кольцевого диска 4 с опорным кольцом 7, 8 - ступица преобразователя энергии (не показан), 9 - горизонтальные гибкие тяги для крепления ступицы 8 с нижним кольцевым диском 3, 10 - неподвижная башня, 11 - вертикальные оси лопастей, 12 - наклонные штанги.

Ветроэнергетическая установка представляет собой турбину, состоящую из двух систем, связанных по вертикали полыми колоннами, так что плоскости этих систем параллельны поверхности воды. Причем водоизмещение понтона таково, что он погружен ниже уровня воды на 5...10 м. Нижняя несущая система выполнена в виде кольцевого понтона-ротора 1, собранного из отдельных жестко связанных, например, болтами или сваркой, понтонов. Причем водоизмещение понтона таково, что он погружен ниже уровня воды на 5...10 м. Можно выполнить понтон с минимальным волновым сопротивлением, например, в виде двух труб круглого сечения, которые обеспечивают достаточную устойчивость. На верхней несущей системе, представляющей собственно ветротурбину поперечного потока, установлены ветровоспринимающие рабочие органы, выполненные в виде поворотных лопастей 2, размещенных между жесткими кольцевыми дисками 3 и 4. Верхний кольцевой диск 4 скреплен горизонтальными радиальными гибкими тягами 6 с опорным кольцом 7, установленным на неподвижной башне 10. Причем опорное кольцо 7 установлено с возможностью вращения вокруг продольной оси башни 10. Ступица 8 преобразователя энергии скреплена горизонтальными гибкими тягами 9 с нижним кольцевым диском 3. Механизмы поворота лопастей 2 могут быть выполнены в любом общеизвестном варианте. Кроме того, точки крепления к ступице 8 у половины гибких тяг 9 связи нижнего кольцевого диска 3 со ступицей 8 преобразователя энергии отклонены от радиального направления против направления вращения понтона 1, а точки крепления к ступице 8 у другой половины гибких тяг 9 отклонены от радиального направления по направлению вращения понтона на такой же угол. Кольцевые диски 3 и 4 выполнены шириной от 0,8 до 1,5 от величины хорды лопасти 2, с плавным уменьшением толщины к периферии и к центру, при этом поверхности кольцевых дисков 3 и 4, примыкающие к лопастям, выполнены плоскими. Причем нижний кольцевой диск 3 выполнен с нижней поверхностью в форме усеченного конуса с углом при основании 2...3 градуса, в котором окружность меньшего радиуса расположена сверху.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Поворотные лопасти 2 посредством механизмов их разворота (не показаны) поворачиваются вокруг вертикальных осей 11 на предварительно рассчитанные углы атаки относительно ветра. Аэродинамические силы, воздействующие на лопасти 2, передаются через оси 11 на нижний 3 и верхний 4 кольцевые диски. Малые зазоры между торцами лопастей 2 и плоскими поверхностями на дисках 3 и 4 препятствуют перетеканию воздуха по торцам, что исключает концевые потери мощности. При этом крутящий момент через колонны 5 приводит во вращение кольцевой понтон 1 и через предварительно натянутые гибкие тяги 9 ступицу 8 преобразователя энергии. Крутящий момент с верхнего кольцевого диска 4 через наклонные стержневые элементы (штанги) 12 также передается на нижний кольцевой диск 3 и далее на ступицу 8. Опорное кольцо 7, установленное в подшипнике на неподвижной башне 10, и ступица 8 удерживают диски 3 и 4 в горизонтальной плоскости соответственно через гибкие тяги 9 и 6. Тем самым обеспечивается жесткость понтона-ротора 1. Аэродинамический момент относительно горизонтальной оси, вызывающий наклон плоскости вращения понтона-ротора 1, эффективно компенсируется за счет увеличения архимедовой силы на полых цилиндрических колоннах 5, находящихся на подветренной стороне понтона-ротора 1. Кроме того, аэродинамический момент компенсируется за счет направленной вниз силы, возникающей на нижнем диске 3, что уменьшает требуемое водоизмещение колонн. Ветровые волны, проходя на поверхности моря над погруженным понтоном-ротором 1, оказывают лишь незначительное воздействие на колонны 5.

Изобретение относится к области малой энергетики, а именно к ветряным двигателям, и может быть использовано для создания установок повышенной мощности. Установка содержит кольцевой понтон-ротор, размещенный с возможностью вращения вокруг центральной неподвижной башни, поворотные лопасти, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей, гибкие тяги, связанные со ступицей преобразователя энергии, установленной с возможностью вращения вокруг продольной оси неподвижной башни. Кольцевой понтон выполнен погруженным ниже уровня водной поверхности, поворотные лопасти размещены между жесткими кольцевыми дисками, нижний кольцевой диск скреплен с кольцевым понтоном посредством жестких стержневых элементов, а верхний - скреплен горизонтальными радиальными гибкими тягами с опорным кольцом, установленным на неподвижной башне с возможностью вращения вокруг ее продольной оси. Ступица преобразователя энергии скреплена горизонтальными гибкими тягами с нижним кольцевым диском, а верхний и нижний диски соединены стержневыми элементами, установленными с наклоном их верхних концов по направлению вращения понтона-ротора. Конструкция обеспечивает увеличение эффективности преобразования энергии при увеличении прочности и жесткости, а также уменьшении материалоемкости. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая кольцевой понтон-ротор, размещенный с возможностью вращения вокруг центральной неподвижной башни, поворотные лопасти, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей, гибкие тяги, связанные со ступицей преобразователя энергии, установленной с возможностью вращения вокруг продольной оси неподвижной башни, отличающаяся тем, что кольцевой понтон выполнен погруженным ниже уровня водной поверхности, поворотные лопасти размещены между жесткими кольцевыми дисками, при этом нижний кольцевой диск скреплен с кольцевым понтоном посредством жестких стержневых элементов, а верхний кольцевой диск скреплен горизонтальными радиальными гибкими тягами с опорным кольцом, установленным на неподвижной башне с возможностью вращения вокруг ее продольной оси, причем ступица преобразователя энергии скреплена горизонтальными гибкими тягами с нижним кольцевым диском, а верхний и нижний диски соединены стержневыми элементами, установленными с наклоном их верхних концов по направлению вращения понтона-ротора.2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что точки крепления к ступице у половины гибких тяг связи нижнего кольцевого диска со ступицей преобразователя энергии отклонены от радиального направления против направления вращения понтона, а точки крепления к ступице у другой половины гибких тяг отклонены от радиального направления по направлению вращения понтона на такой же угол.3. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что кольцевые диски выполнены шириной от 0,8 до 1,5 от величины хорды лопасти.4. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что жесткие стержневые элементы выполнены в виде полых цилиндрических колонн.5. Ветроэнергетическая установка по п.3, отличающаяся тем, что кольцевые диски выполнены с плавным уменьшением толщины к периферии и к центру, при этом поверхности кольцевых дисков, примыкающие к лопастям, выполнены плоскими.6. Ветроэнергетическая установка по п.5, отличающаяся тем, что нижний кольцевой диск выполнен с нижней поверхностью в форме усеченного конуса с углом при основании 2 - 3°, в котором окружность меньшего радиуса расположена сверху.