РОТОР ВЕТРЯНОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2009 года по МПК F03D3/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к ротору ветряной турбины, более точно ротору ветряной турбины, который надежно вращается на валу и одновременно оптимизирован к частым и весьма нерегулярным колебаниям направления ветра, скорости ветра и интенсивности воздушного потока, за счет чего предотвращается поломка и нарушение нормальной работы ротора и значительно уменьшается генерация шума, даже когда на ротор воздействует сильный ветер.

Уровень техники

Как известно из техники, ветряная турбина является генератором, который с использованием ротора преобразует энергию ветра в механическую энергию и вырабатывает электроэнергию.

Ветряная турбина является устройством, способным вырабатывать электроэнергию из энергии ветра, являющегося источником чистой энергии, которой можно неограниченно и бесплатно пользоваться на земле. Ветряные турбины способны обеспечивать преимущества с точки зрения затрат, поскольку повышают конкурентоспособность цен и сводят к минимуму требования по размещению с точки зрения социальных последствий, поскольку обеспечивают альтернативный источник энергии, который не истощается как источники энергии, получаемой при сжигании полезных ископаемых, и, следовательно, сохраняет окружающую среду на земле, и с экономической точки зрения, поскольку обеспечивают стабильное снабжение электроэнергией и позволяют уменьшить зависимость от источников ввозимой энергии. В частности, поскольку в последнее время государства покупают электроэнергию, которую производят частные компании, существует тенденция все более широкого внедрения ветровой энергетики.

Ветряная турбина включает ротор, которые преобразует усилие ветра в энергию вращения, вал, вращаемый ротором, опору для установки ротора и вала на заданной высоте над землей и генератор, который дополнительно устанавливают над или под опорой и который вырабатывает электроэнергию, используя вращательное усилие ротора.

Ротор, который в основном используют в обычной ветряной турбине, имеет от 2 до 6 лопастей. Из техники известны роторы с лопастями различной формы для вращения вала с использованием усилия ветра.

Тем не менее, несмотря на преимущественное и широкое применение обычного ротора с 2-6 лопастями, для обеспечения надежного производства электроэнергии необходимо увеличить общую длину каждой лопасти, чтобы увеличить диаметр ротора. Таким образом, для установки турбины требуется значительная площадь, и сужается диапазон выбора применимых мест для ее размещения.

Чтобы увеличить усилие ветра, воздействующее на ротор, у которого лопасти имеют различную форму, с учетом его структурных характеристик необходимо увеличить его длину одновременно с увеличением числа лопастей. В результате, повышается вероятность износа конструкции ротора под воздействием часто и нерегулярно меняющегося направления ветра, скорости ветра и интенсивности воздушного потока. Поскольку эффективное производство электроэнергии невозможно при небольших порывах ветра и на территории низменностей, с учетом значительной нагрузки на ротор также необходимо устанавливать ротор на возвышенности.

В частности, когда роторы устанавливают на ветряной турбине прямого типа, у которой в электрической системе применяется ветряная турбина переменного тока, могут возникать сложности, поскольку на систему, вероятно, непосредственно влияют изменения скорости ветра. Так, чтобы ротор вращался преимущественно с постоянной скоростью независимо от скорости ветра, необходимо установить отдельное устройство управления, изменяющее наклон ротора, в результате чего растут затраты на монтажные работы и увеличивается генерация шума.

Для решения этих задач в нерассмотренной корейской патентной заявке 1998-74542 предложена ветряная турбина, включающая по меньшей мере одну вертикально расположенную турбину, кольца или диски, установленные на турбине на одинаковом расстоянии друг от друга, и множество лопастей, расположенных по спирали вокруг колец или турбины.

Несмотря на то, что множество лопастей ветряной турбины, описанной в упомянутой заявке, предпочтительно направляют поток ветра на турбину, если ветер с большой скоростью дует в наклонном и часто и нерегулярно меняющемся направлении от верхней и нижней частей турбины, при контакте с верхней и нижней поверхностями колец или дисков, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, на вал воздействует значительная нагрузка, и существует вероятность того, что турбина, установленная на валу, мгновенно остановится или уменьшится ее вращающий момент, что отрицательно скажется на эффективности производства электроэнергии.

В частности, в обычно ветряной турбине каждая пара лопастей образует воронку, которая может служить коллектором для ветра с ее наружных концов и концентрирует ветер в направлении турбины, чтобы при движении ветра в направлении турбины к нему можно было приложить предварительно созданное давление. Тем не менее, поскольку ветер выходит через отверстие между валом и лопастями, сложно непрерывно прикладывать вращающий момент к каждому обороту вала и тем самым невозможно обеспечить надежное вращение вала.

Кроме того, из корейской полезной модели 263185 известна ветряная турбина с цилиндрическим вентилятором, рассчитанная на производство электроэнергии даже при слабых порывах ветра и независимо от направления ветра. Цилиндрический вентилятор включает множество лопастей, установленных на одинаковом расстоянии друг от друга между верхним и нижним дисками, за счет чего производство электроэнергии возможно даже при слабых порывах ветра, и на него не влияет направление ветра.

Тем не менее, при непосредственном контакте ветра с поверхностями верхнего и нижнего дисков даже в этой ветряной турбине на вал воздействует значительная нагрузка, что может привести к деформации лопастей. В результате, цилиндрический вентилятор вала может мгновенно остановиться или может уменьшиться его вращающий момент, что отрицательно скажется на эффективности производства электроэнергии.

Помимо этого, несмотря на то, что с целью решения упомянутых задач из уровня техники известны различные роторы и сопутствующие устройства для предотвращения поломки роторов и увеличения скорости вращения вала без приложения к нему значительной нагрузки, поскольку эти роторы имеют увеличенные размеры, а дополнительные компоненты имеют более низкую структурную целостность, эффективность производства электроэнергии падает на низменных или городских территориях, где скорость ветра относительно невелика или ограничено пространство, и значительно ослаблена концентрация ветра, в результате чего теряется усилие ветра и снижается эффективность производства электроэнергии.

Кроме того, поскольку в обычных роторах при высокой скорости ветра, как во время тайфуна или сезона, когда часто случаются тайфуны, на роторы и валы непрерывно воздействует значительная нагрузка, существует вероятность их поломки. Если с учетом этого факта уменьшить размер ротора, чтобы предотвратить его поломку при высокой скорости ветра, например во время тайфуна, и тем самым защитить ветряную турбину, будет невозможно производить электричество при слабых порывах ветра. Если установить отдельный датчик для измерения скорости ветра, чтобы можно было автоматически останавливать ветряную турбину, вырастут затраты на монтаж ветряной турбины. Из-за большого числа сложных креплений увеличивается генерация шума и повышается вероятность поломки ветряной турбины, что отрицательно сказывается на эффективности производства электроэнергии.

Раскрытие изобретения

Техническая задача

Соответственно в настоящем изобретении предпринята попытка решить задачи, известные из уровня техники, и задачей настоящего изобретения является создание ротора ветряной турбины, у которого в одинарном диске выполнено множество направляющих отверстий для ветра, а на верхней и нижней поверхностях диска в районах направляющих отверстий для ветра диска выполнено множество полостей для ветра, что позволяет защищать ротор даже при попадании на верхнюю и нижнюю поверхности диска сильного косого ветра, часто и нерегулярно меняющего направление, и надежно направлять ветер, отражающийся от верхней и нижней поверхностей диска, чтобы плавно ускорять ротор и вал.

Другой задачей настоящего изобретения является создание ротора ветряной турбины, в котором с валом ротора, имеющего первый фланец, посредством первого универсального шарнира, имеющего второй фланец, соединен отдельный вал воздушного винта, при этом вал ротора посредством второго универсального шарнира косвенно связан с акселератором или генератором, что делает более удобным осуществление технического обслуживания и ремонта и позволяет по мере надобности легко устанавливать и эксплуатировать различные генераторы с различной генерирующей мощностью.

Техническое решение

Согласно одной из особенностей настоящего изобретения для решения названных задач предложен ротор ветряной турбины, включающий вал ротора, имеющий первый фланец на одном конце и с возможностью вращения опирающийся по меньшей мере на один подшипник, установленный на опорной раме, одинарный диск, установленный на валу ротора, множество направляющих ветер элементов, которые выполнены в диске, для направления ветра, попадающего на верхнюю и нижнюю поверхности диска, множество первых улавливающих ветер элементов, которые выполнены на верхней и нижней поверхностях диска в областях направляющих ветер элементов и служат для улавливания ветра, попадающего на верхнюю и нижнюю поверхности диска, и тем самым вращения вала ротора, множество вторых улавливающих ветер элементов, прикрепленных к валу ротора и диску и служащих для улавливания ветра и тем самым вращения вала ротора, первый универсальный шарнир, на одном конце которого находится второй фланец для соединения с первым фланцем, а на другом конце которого выполнены внутренние шлицы, и вал воздушного винта, на одном конце которого выполнены наружные шлицы, входящие во внутренние шлицы первого универсального шарнира, а на другом конце которого находится третий фланец и второй универсальный шарнир.

Согласно другой особенности настоящего изобретения направляющие ветер элементы представляют собой отверстия, проходящие через диск вблизи его края и разнесенные под одинаковым углом.

Согласно другой особенности настоящего изобретения первые улавливающие ветер элементы представляют собой полости для ветра, выполненные напротив друг друга вокруг направляющих ветер элементов на верхней и нижней поверхностях диска и служащие для улавливания ветра.

Согласно другой особенности настоящего изобретения вторые улавливающие ветер элементы представляют собой крылья, выполненные напротив друг друга на верхней и нижней поверхностях диска и имеющие первые вертикальные края, прикрепленные к валу ротора, и вторые горизонтальные края, прикрепленные к верхней и нижней поверхностям диска и оканчивающиеся вблизи первых сторон полостей для ветра, при этом каждое крыло имеет изогнутый до заданной глубины контур.

Согласно другой особенности настоящего изобретения третьи края крыльев прикреплены к наклонным рамам, оба конца которых прикреплены к валу ротора и верхней и нижней поверхностям диска.

Согласно еще одной особенности настоящего изобретения один конец каждого отверстия выходит на заданное расстояние наружу за пределы одного открытого конца каждой полости для ветра.

Согласно еще одной особенности настоящего изобретения каждая полость для ветра постепенно сужается, а ее высота уменьшается от одного ее конца к другому, и она имеет полукруглую форму в поперечном сечении.

Полезные результаты

Как следует из вышеизложенного описания, преимущества предложенного в настоящем изобретении ротора ветряной турбины заключаются в том, что даже при попадании на верхнюю и нижнюю поверхности ротора ветра с часто и нерегулярно меняющимся направлением и скоростью сопротивление ротора уменьшается, и он может надежно вращаться за счет оптимизации даже к слабым порывам ветра. Это позволяет осуществлять вращение ротора и доводить до максимума эффективность производства электроэнергии даже при непредсказуемом ветре, который возникает из-за элементов рельефа или сезонных факторов или на территории с очень неровным топографическим контуром из-за наличия гор и озер.

Кроме того, поскольку ротор имеет относительно простую конструкцию, а его размеры можно менять в зависимости от характеристик территории, не только уменьшаются затраты на монтаж ротора, но также может быть сведена к минимуму генерация шума. Помимо этого, так как не происходит загрязнение окружающей среды и не наносится ущерб окружающим объектам, ротор может стать одной из туристских достопримечательностей и будут значительно реже возникать споры с местными жителями по поводу установки ротора. За счет того, что на одном конце вала ротора последовательно установлен первый универсальный шарнир, имеющий второй фланец, и вал воздушного винта для соединения вала ротора с генератором, можно удобно и стабильно осуществлять техническое обслуживание и ремонт, значительно уменьшается генерация шума, и можно по мере надобности легко устанавливать и эксплуатировать различные генераторы с различной генерирующей мощностью.

Описание чертежей

Упомянутые задачи и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными по прочтении следующего далее подробного описания в сочетании с чертежами, на которых:

на фиг.1 показан наружный вид в перспективе ротора ветряной турбины с частичным разрезом опорной рамы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения,

на фиг.2 показан вид сверху верхней поверхности ротора ветряной турбины с частичным разрезом опорной рамы согласно варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.3 показан вид спереди передней поверхности ротора ветряной турбины с частичным разрезом опорной рамы согласно варианту осуществления настоящего изобретения,

на фиг.4 показан увеличенный вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий работу направляющего ветер элемента и первых и вторых улавливающих ветер элементов ротора ветряной турбины согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Предпочтительный вариант осуществления

Далее более подробно описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, пример которого проиллюстрирован на приложенных чертежах. Для обозначения одинаковых или сходных элементов на чертежах и в описании по возможности используются одинаковые позиции.

На фиг.1 показан наружный вид в перспективе ротора ветряной турбины с частичным разрезом опорной рамы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, на фиг.2 показан вид сверху верхней поверхности ротора ветряной турбины с частичным разрезом опорной рамы согласно варианту осуществления настоящего изобретения и на фиг.3 показан вид спереди передней поверхности ротора ветряной турбины с частичным разрезом опорной рамы согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Как показано на чертежах, ротор 10 ветряной турбины согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения включает вал 20 ротора, который посредством подшипников 12 и 13 установлен на опорной раме 11, одинарный диск 30, установленный на валу 20 ротора, множество направляющих ветер элементов 40, проходящих через диск 30, множество первых улавливающих ветер элементов 50, выполненных на верхней и нижней поверхностях диска 30 в областях направляющих ветер элементов 40, множество вторых улавливающих ветер элементов 60, прикрепленных к валу 20 ротора и диску, первый универсальный шарнир 70, имеющий второй фланец 71, и вал 80 воздушного винта, который имеет третий фланец 81 и второй универсальный шарнир 82 и способен перемещаться в вертикальном направлении.

К наружному концу вала 20 ротора прикреплен первый фланец 21. Первый фланец 21 соединен со вторым фланцем 71 винтами. На другом конце универсального шарнира 70 расположено отверстие 72, а на внутренней поверхности отверстия 72 выполнены внутренние шлицы 73, проходящие в вертикальном направлении. Один конец вала 80 воздушного винта имеет наружные шлицы 83, входящие во внутренние шлицы 73 универсального шарнира 70, а на другом конце вала 80 воздушного винта расположен третий фланец 81 и второй универсальный шарнир 82. Вал 80 воздушного винта передает вращательное усилие от вала 20 ротора акселератору 90 или генератору, который предусмотрен отдельно.

После передачи вращательного усилия от вала 20 ротора через первый универсальный шарнир 70 валу 80 воздушного винта, который имеет второй универсальный шарнир 82, вращательное усилие передается акселератору 90 или генератору 100. Таким образом, можно удобно осуществлять техническое обслуживание и ремонт и по мере надобности легко устанавливать и эксплуатировать различные генераторы с различной генерирующей мощностью.

В настоящем изобретении одинарный диск 30 представляет собой круглую одинарную пластину для уменьшения сопротивления сильному ветру. Через диск 30 проходит вал 20 ротора, к которому прочно прикреплен диск 30, при этом вал 20 с возможностью вращения посредством подшипников 12 и 13 установлен на опорной раме.

Рассмотрим фиг.4, на которой показано, что направляющие ветер элементы 40 представляют собой множество отверстий 40, проходящих через диск 30 вблизи его края и разнесенных под одинаковым углом. Как показано на фиг.2, один конец отверстия 41 выходит на заданное расстояние наружу за пределы одного открытого конца каждой полости 51 для ветра. Это объясняется тем, что при попадании на верхнюю и нижнюю поверхности диска 30 сильного ветра, дующего с высокой скоростью, и, таким образом, воздействии значительного усилия на диск 30, ветер может быть направлен и немедленно выпущен вверх или вниз через отверстия 41, которые образуют направляющие ветер элементы 40, чтобы предотвратить возникновение чрезмерного напряжения в диске 30 под действием сильного ветра, часто меняющего направление.

В районах направляющих ветер элементов 40, образованных отверстиями 41 на верхней и нижней поверхностях диска 30, выполнены первые улавливающие ветер элементы 50, представляющие собой множество полостей 51 для улавливания ветра. Поскольку большая часть сильного ветра быстро проходит через отверстия 41, полости 51 улавливают лишь остальную часть сильного ветра и используют ее для вращения вала 20 ротора, за счет чего предотвращается поломка ротора 10 и обеспечивается его стабильное вращение даже при сильном ветре.

Каждая полость 51 для ветра постепенно сужается, а ее высота уменьшается от одного конца к другому, и она имеет полукруглую форму в поперечном сечении. Когда через отверстия 41 быстро проходит сильный ветер, он скользит по поверхности полостей 51 и может быстро проходить через полости 51, не вызывая сопротивления. За счет того, что внутренняя поверхность каждой полости 51 образует полукруглое пространство, которое постепенно сужается, а его высота уменьшается от одного конца к другому, остальная часть сильного ветра, который слабо дует после того, как сильный ветер быстро прошел через отверстия 41, может быть уловлена глубоко внутри полостей 51 и использована для вращения диска 30.

Вторые улавливающие ветер элементы 60 согласно настоящему изобретению представляют собой множество крыльев 62, выполненных на наклонных рамах 61, оба конца которых прикреплены к валу 20 ротора и оканчиваются вблизи первых сторон полостей 51 для ветра на верхней и нижней поверхностях диска 30. Каждое крыло 62 имеет изогнутый до заданной глубины контур и, таким образом, улавливает ветер, способствуя вращению вала 20 ротора. Наклонные рамы 61, которые прикреплены к валу 20 ротора и верхней и нижней поверхностям диска 30 и наклонены под углом 45°, прочно удерживают диск 30 относительно вала 20 ротора и прочно удерживают крылья 62 относительно вала 20 ротора и диска 30. В результате, наклонные рамы 61 предотвращают поломку диска 30 и крыльев 62 даже при ветре, дующем с большой скоростью и нерегулярно меняющем направление, и во взаимодействии с полостями 51 для ветра, которые имеют полукруглую форму в поперечном сечении и постепенно сужаются, уменьшают сопротивление воздушному потоку и генерацию шума.

Предложенный в настоящем изобретении ротор 10 ветряной турбины с описанной выше конструкцией устанавливают на валу 20, который посредством подшипников 12 и 13 установлен на опорной раме 11, которая винтами 200, входящими в отверстия 11а, прикреплена к опоре 300. Под действием направления ветра, скорости ветра и интенсивности воздушного потока ротор 10 вращает вал 20. Вращательное усилие вала 20 ротора через первый универсальный шарнир 70 передается валу 80 воздушного винта, который имеет второй универсальный шарнир 82, и затем акселератору 90 или генератору 100 для производства электроэнергии.

Поскольку первый универсальный шарнир 70 и второй универсальный шарнир 82, установленный на валу 80 воздушного винта, поглощают вибрацию, создаваемую валом 20 и валом 80 воздушного винта, уменьшается генерация шума, и могут быть предотвращены поломки, относимые на счет вибрации, за счет чего обеспечивается защита ветряной турбины, включая ротор 10. Поскольку вал 80 воздушного винта может быть отсоединен от первого универсального шарнира 70, это делает удобным осуществление технического обслуживания и ремонта.

Промышленная применимость

Как следует из вышеизложенного описания, предложенный в настоящем изобретении ротор ветряной турбины обладает преимуществами за счет того, что при попадании на верхнюю и нижнюю поверхности ротора сильного ветра, часто и нерегулярно меняющего направление и скорость, сопротивление ротора уменьшается, и он способен надежно вращаться за счет оптимизации даже к слабым порывам ветра. Это позволяет осуществлять вращение ротора и доводить до максимума эффективность производства электроэнергии даже при непредсказуемом ветре, который возникает из-за элементов рельефа, или сезонных факторов, или на территории с очень неровным топографическим контуром из-за наличия гор и озер.

Кроме того, поскольку ротор имеет относительно простую конструкцию, а его размеры можно менять в зависимости от характеристик территории, не только уменьшаются затраты на монтаж ротора, но также может быть сведена к минимуму генерация шума. Помимо этого, так как не происходит загрязнение окружающей среды и не наносится ущерб окружающим объектам, ротор может стать одной из туристских достопримечательностей и будут значительно реже возникать споры с местными жителями по поводу установки ротора. За счет того, что на одном конце вала ротора последовательно установлен первый универсальный шарнир, имеющий второй фланец, и вал воздушного винта для соединения вала ротора с генератором, можно удобно и стабильно осуществлять техническое обслуживание и ремонт, значительно уменьшается генерация шума, и можно по мере надобности легко устанавливать и эксплуатировать различные генераторы с различной генерирующей мощностью.

На чертежах и в описании проиллюстрированы типичные предпочтительные варианты осуществления изобретения и, несмотря на применения конкретных терминов, они используются лишь в общем и описательном смысле, а не для ограничения объема изобретения согласно следующим далее притязаниям.

Ротор ветряной турбины включает вал ротора, имеющий первый фланец и с возможностью вращения установленный на опорной раме, одинарный диск, установленный на валу ротора, направляющие ветер элементы, которые выполнены в диске, для направления ветра, попадающего на поверхности диска; первые улавливающие ветер элементы, которые выполнены на поверхностях диска в вокруг направляющих ветер элементов и служат для улавливания ветра, попадающего на поверхности диска, вторые улавливающие ветер элементы, прикрепленные к валу ротора и диску и служащие для улавливания ветра; первый универсальный шарнир и вал воздушного винта. На одном конце первого универсального шарнира находится второй фланец для соединения с первым фланцем, а на другом конце выполнены внутренние шлицы. На одном конце вала воздушного винта выполнены наружные шлицы, входящие во внутренние шлицы, а на другом конце находится третий фланец и второй универсальный шарнир. Использование изобретения позволит обеспечить защиту ротора при сильном ветре и повысить эффективность. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Ротор ветряной турбины, включающий
вал ротора, имеющий первый фланец на одном конце и с возможностью вращения опирающийся по меньшей мере на один подшипник, установленный на опорной раме,
одинарный диск, установленный на валу ротора,
множество направляющих ветер элементов, которые выполнены в диске, для направления ветра, попадающего на верхнюю и нижнюю поверхности диска,
множество первых улавливающих ветер элементов, которые выполнены на верхней и нижней поверхностях диска в областях направляющих ветер элементов и служат для улавливания ветра, попадающего на верхнюю и нижнюю поверхности диска, и тем самым вращения вала ротора,
множество вторых улавливающих ветер элементов, прикрепленных к валу ротора и диску и служащих для улавливания ветра, и тем самым вращения вала ротора,
первый универсальный шарнир, на одном конце которого находится второй фланец для соединения с первым фланцем, а на другом конце которого выполнены внутренние шлицы, и
вал воздушного винта, на одном конце которого выполнены наружные шлицы, входящие во внутренние шлицы первого универсального шарнира, а на другом конце которого находится третий фланец и второй универсальный шарнир.

2. Ротор по п.1, в котором направляющие ветер элементы представляют собой отверстия, проходящие через диск вблизи его края и разнесенные под одинаковым углом.

3. Ротор по п.1, в котором первые улавливающие ветер элементы представляют собой полости для ветра, выполненные напротив друг друга вокруг направляющих ветер элементов на верхней и нижней поверхностях диска и служащие для улавливания ветра.

4. Ротор по п.1, в котором вторые улавливающие ветер элементы представляют собой крылья, выполненные напротив друг друга на верхней и нижней поверхностях диска и имеющие первые вертикальные края, прикрепленные к валу ротора, и вторые горизонтальные края, прикрепленные к верхней и нижней поверхностям диска и оканчивающиеся вблизи первых сторон полостей для ветра, при этом каждое крыло имеет изогнутый до заданной глубины контур.

5. Ротор по п.4, в котором третьи края крыльев прикреплены к наклонным рамам, оба конца которых прикреплены к валу ротора и верхней и нижней поверхностям диска.

6. Ротор по п.2, в котором один конец каждого отверстия выходит на заданное расстояние наружу за пределы одного открытого конца каждой полости для ветра.

7. Ротор по п.3, в котором каждая полость для ветра постепенно сужается, а ее высота уменьшается от одного ее конца к другому, и она имеет полукруглую форму в поперечном сечении.