ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК F03D3/00 F03D3/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к ветродвигателю, и может быть использовано для получения механической и электрической энергии.

Уровень техники

Известен ветродвигатель, содержащий барабанное ветроколесо с равномерно расположенными по его окружности лопастями, параллельными оси вращения ветроколеса и изогнутыми в направлении вращения, и кольцевой направляющий аппарат, установленный коаксиально снаружи ветроколеса и имеющий расположенные равномерно по кольцу перегородки, установленные с образованием каналов и отклоненные от радиуса ветроколеса в направлении, противоположном его вращению, при этом, с целью повышения эффективности использования энергии ветра в широком диапазоне изменения скорости и направления ветра, каждая из перегородок выполнена в виде неподвижной части, расположенной со стороны лопастей ветроколеса, и поворотной части, связанных осевым шарниром, ось которого параллельна оси вращения ветроколеса, при этом поворотная часть имеет ширину, перекрывающую в крайнем положении части соответствующий канал.

В ветродвигателе поворотные части перегородок кинематически связаны между собой для синхронного поворота.

В ветродвигателе направляющий аппарат снабжен упорами по числу перегородок, расположенными снаружи аппарата и взаимодействующими с поворотными частями, одна из которых подпружинена.

В ветродвигателе подпружиненная поворотная часть снабжена регулятором усилия пружины (см. а.с. SU №1721285, кл. F03D 3/04, опубл. 23.03.1992 г.).

Недостатком данного двигателя является невысокая надежность и КПД.

Известен ветродвигатель, содержащий вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью, расположенную внутри системы ветронаправляющих экранов, при этом свободноповорачивающийся вокруг своей вертикальной оси ветронаправляющий экран непосредственно ориентирован на лопасть ветротурбины, причем крайние положения экрана определяют размер лопасти ветротурбины, которая установлена продольной осью вращения ветронаправляющего экрана и касающейся окружности, которая образована крайней наружной точкой лопасти ветротурбины.

В ветродвигателе система ветронаправляющих экранов снабжена подвижными и неподвижными стопорами, позволяющими регулировать величину сектора свободного поворота ветронаправляющих экранов (см. пат. RU №2074980, кл. F03H 3/04, опубл. 10.03.1997 г.).

Недостатком данного ветродвигателя является сложность конструкции, невысокая мощность при малых скоростях ветрового потока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятая автором за прототип является вихревая ветроэнергетическая установка, содержащая, по меньшей мере, один кинематически связанный с электрогенератором модуль, на вертикальном валу которого закреплен имеющий вертикальные фигурные лопасти дискообразный ротор, охватываемый направляющим аппаратом, образованным горизонтальным плоским дискообразным основанием с установленными на его поверхности концентрично по окружности вертикальными лопатками, вертикальные поперечные сечения которых соответствуют поперечным аэродинамеческим сечениям крыльев летательных аппаратов, при этом модуль снабжен сблокированным попарно и образующими каркас опорными стойками, смежные из которых кинематически связаны друг с другом посредством регулируемых по длине стяжек, направляющий аппарат - механизмом изменения угла атака лопаток, ротор - вспомогательными вертикальными фигурными лопастями и закрепленными на поверхности ротора у передней и задней кромок криволинейными в плане предкрылком и закрылком, вертикальный вал ротора выполнен гибким, каждая лопатка - составной из выпуклых передней и задней подвижной секций, последняя из которых кинематически связана с механизмом изменения угла атаки лопаток, каждая основная и вспомогательная лопасти выполнены составными из центральных прямолинейных и сопряженных с ними изогнутых в плане в противоположных направлениях передних и задних секций, при этом вышеуказанные основные и вспомогательные лопасти сблокированы попарно и образуют основную и вспомогательную осесимметричные пары, последняя из которых развернута относительно основной пары лопастей в плане против часовой стрелки на угол α, равный 5-20°, а расстояние Т₁ между лопастями основной пары и расстояния Т₂ между лопастями вспомогательной пары составляет, соответственно, 0,5-0,7 и 0,9-1,2 радиуса R ротора, причем длина L₁ лопастей основной пары превышает в 1,85-2,1 раза длину лопастей L₂ вспомогательной пары.

Установка, снабжена дополнительными модулями, гибкие валы которых образуют общий вертикальный вал.

Установка выполнена с шумопоглощающим покрытием. В установке электрогенератор выполнен многополюсным низкооборотным (см. пат. RU №2375603, кл. F03D 3/00, опубл. 10.12.2009 г.).

Недостатком данного ветродвигателя является сложность конструкции, невысокая мощность при малых скоростях ветрового потока, наличие противодействующих моментов.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка ветродвигателя, обладающего высокой прочностью, упрощением конструкции, увеличением мощности, коэффициента использования ветрового потока, плавностью вращения лопастей и снижением шума.

Технический результат, который может быть получен с помощью предлагаемого изобретения, сводится к высокой прочности, упрощению конструкции, увеличению мощности, коэффициента использования ветрового потока, плавности вращения лопастей и снижению шума.

Технический результат достигается с помощью ветродвигателя, содержащего ветровую турбину и имеющего вертикальную ось вращения, состоящую, по меньшей мере, из одной секции, в которой установлены лопасти S-образной формы, при этом секция снабжена каркасом в виде многоугольной призмы с поворотными ветронаправляющими экранами, установленными с возможностью обеспечения плавного перетекания воздуха с ветронаправляющих экранов на лопасти S-образной формы ветровой турбины, причем ветродвигатель выполнен в виде башни, при этом поворотные ветронаправляющие экраны установлены на каждой стороне многоугольной призмы, с углом поворота от 0 до 90° с возможностью выполнения функции жалюзи и прикрытия каждой стороны каркаса, а по углам снабжены замками, при этом в нижней части башни установлены машинный зал и операторское помещение.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 дан ветродвигатель, общий вид, две секции в виде башни.

На фиг. 2 тоже, вид сверху, направление ветровых потоков.

На фиг. 3, тоже, вид сверху.

Осуществление изобретения

Ветродвигатель, содержащий вращающуюся ветровую турбину с вертикальной осью (на фиг. не обозначена), выполненную, по меньшей мере, из одной секции 1, на фиг. 1, в качестве примера показаны две секции 1, которые собраны в виде башни (на фиг. не обозначена), причем в нижней части башни или рядом с ней расположены: машинный зал 2, в котором установлены передаточные механизмы (на фиг. не показаны), генераторы (на фиг. не показаны), приборы (на фиг. не показаны) силовой коммутации, датчики (на фиг. не показаны) контрольно-измерительных приборов и операторское помещение 3, в котором установлены приборы (на фиг. не показаны) контроля и управления ветродвигателем, при этом секция 1 образована, по меньшей мере, из трех лопастей 4, причем лопасть 4 выполнена S-образной формы, а секция 1 снабжена каркасом 5, выполненным в виде многоугольной призмы, например восьмиугольной или призмы, в основе которой может быть расположен любой другой многоугольник, при этом каждая сторона многоугольной призмы, кроме верхнего и нижнего оснований прикрывается, установленным на ней, поворотным во внешнюю сторону ветронаправляющим экраном 6, выполняющих функцию жалюзи и приводом (на фиг. не показан) для поворота ветронаправляющих экранов 6, которые позволяют перенаправлять противодействующий поток в рабочую зону лопастей 4 и расширить приемную зону ветровой турбины, что значительно увеличивает коэффициент использования ветрового потока и упрощает управление ветровой турбиной в зависимости от скорости ветра и нагрузки, при этом угол поворота каждого ветронаправляющего экрана 6 варьируется от 0 до 90 градусов, а во время критических ветровых нагрузок ветронаправляющие экраны 6 выполняют функцию жалюзи, полностью закрывая конструкцию ветродвигателя со всех сторон, предохраняя ее от разрушения, при этом для увеличения прочности всей конструкции ветродвигателя во время критических ветровых нагрузок, ветронаправляющие экраны 6 дополнительно снабжены по углам замками 7, причем при попадании ветрового потока в приемную зону ветровой турбины, поток делится на три части 8, 9, 10, а каждый из ветронаправляющих экранов 6 соединен с последующим ветронаправляющим экраном 6 с помощью тяги 11 и рычага 12, при этом лопасти 4 выполнены S-образной формы, что улучшает плавность вращения и снижения уровня шума.

Ветродвигатель работает следующим образом.

При попадании ветрового потока в приемную зону ветровой турбины поток делится на три части 8, 9, 10, при этом каждая из частей 8, 9, 10 ветрового потока плавно перенаправляется поворотными во внешнюю сторону ветронаправляющими экранами 6 на лопасти 4 в рабочую зону ветровой турбины, причем, так как каркас 5 секции 1 выполнен в виде многоугольной призмы, например восьмиугольной, то каждая сторона восьмиугольной призмы, кроме верхнего и нижнего оснований, прикрывается поворотным ветронаправляющим экраном 6, что позволяет перенаправлять противодействующий ветровой поток в рабочую зону лопастей 4, расширить приемную зону ветровой турбины, при этом угол поворота каждого ветронаправляющего экрана 6 варьируется от 0 до 90 градусов, кроме того, предлагаемая конструкция позволяет складывать мощности разнонаправленных ветровых потоков на разных высотных уровнях башни и эффективно использовать турбулентные ветровые потоки, которые образуются, например, в результате действия на ветровой поток сложной рельефной местности, таким образом, что моменты их действия на лопасти 4, выполненные S-образной формы складываются, причем в каждой секции 1, в качестве примера установлено по четыре лопасти 4, при этом в работе одновременно находятся три лопасти 4 из четырех и полностью отсутствуют противодействующие моменты в отличие от аналогичных вертикальных ветродвигателей, поворотом ветронаправляющих экранов 6 эффективно управляют скоростью вращения и мощностью ветровой турбины от максимальной при полностью открытых ветронаправляющих экранах 6 и до «0» при полностью закрытых ветронаправляющих экранах 6, а так как каждый из ветронаправляющих экранов 6 связан тягой 11 и рычагом 12 с последующим, то, следовательно, поворачивается относительно стороны многоугольной призмы на один и тот же градус, как и все остальные, при этом нагрузка на привод снижается, так как векторы сил, возникающих при взаимодействии ветронаправляющих экранов 6 и ветрового потока практически сводится к нулю, но при ламинарном движений ветрового потока в зависимости от его направления и скорости, угол открытия ветронаправляющих экранов 6 с разных сторон секции 1, может быть различным и задаваться компьютером (на фиг. не показан) по определенной программе, что позволит еще более эффективно использовать ветровой поток, причем во время критических ветровых нагрузок ветронаправляющие экраны 6 выполняют функцию жалюзи, полностью закрывают ветродвигатель со всех сторон, предохраняя его от разрушения, а для увеличения прочности конструкции ветродвигателя во время критических ветровых нагрузок, служат замки 7, установленные по углам ветронаправляющих экранов 6.

Монтаж ветродвигателя может быть выполнен по принципу строительного башенного крана.

Таким образом, испытания ветродвигателя по предлагаемому изобретению, показали увеличение мощности до трех раз, особенно на малых скоростях ветрового потока за счет того, что секция 1 образована, по меньшей мере, из трех лопастей 4, причем лопасть 4 выполнена S-образной формы, а также секция 1 снабжена каркасом 5, выполненным в виде многоугольной призмы, например восьмиугольной призмы, при этом каждая сторона многоугольной призмы, кроме верхнего и нижнего оснований прикрывается, установленным на ней, поворотным ветронаправляющим экраном 6, в виде жалюзи с приводом замками 7, установленными по углам, улучшило плавность вращения, снижение уровня шума, увеличило прочность всей конструкции ветродвигателя во Время критических ветровых нагрузок, при этом предлагаемая конструкция ветродвигателя значительно увеличивает коэффициент использования ветрового потока и упрощает управление ветровой турбиной в зависимости от скорости ветра и нагрузки, причем выполнение лопастей 4 S-образной формы улучшило плавность вращения и снижение уровня шума.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- высокая прочность конструкции с одновременным ее упрощением;

- увеличение мощности ветродвигателя;

- увеличение коэффициента использования ветрового потока;

- упрощение управления ветродвигателем в зависимости от скорости ветра и нагрузки;

- возможность эффективно использовать турбулентные ветровые потоки, образованные в результате действия на ветровой поток сложной рельефной местности;

- плавность вращения лопастей;

- снижение уровня шума.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для получения механической и электрической энергии. Ветродвигатель с вертикальной осью вращения содержит ветровую турбину. Ветровая турбина состоит, по меньшей мере, из одной секции. В секции установлены лопасти S-образной формы. Секция снабжена каркасом в виде многоугольной призмы с поворотными ветронаправляющими экранами. Ветронаправляющие экраны установлены на каждой стороне многоугольной призмы с возможностью обеспечения плавного перетекания воздуха с них на лопасти S-образной формы ветровой турбины. Ветродвигатель выполнен в виде башни. Ветронаправляющие экраны выполнены поворотными с углом поворота от 0 до 90° с возможностью выполнения функции жалюзи и прикрытия каждой стороны каркаса. По углам ветронаправляющие экраны снабжены замками. В нижней части башни установлены машинный зал и операторское помещение. Технический результат заключается в повышении прочности конструкции, увеличении мощности ветродвигателя и снижении шума. 3 ил.

Ветродвигатель, содержащий ветровую турбину и имеющий вертикальную ось вращения, состоящую, по меньшей мере, из одной секции, в которой установлены лопасти S-образной формы, при этом секция снабжена каркасом в виде многоугольной призмы с поворотными ветронаправляющими экранами, установленными с возможностью обеспечения плавного перетекания воздуха с ветронаправляющих экранов на лопасти S-образной формы ветровой турбины, причем ветродвигатель выполнен в виде башни, отличающийся тем, что поворотные ветронаправляющие экраны установлены на каждой стороне многоугольной призмы, с углом поворота от 0 до 90° с возможностью выполнения функции жалюзи и прикрытия каждой стороны каркаса, а по углам снабжены замками, при этом в нижней части башни установлены машинный зал и операторское помещение.