АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Российский патент 2016 года по МПК F03D5/00 F03D7/00 F03D9/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть применено для выработки чистой электроэнергии.

Из уровня техники известна аэроэлектростанция, включающая несколько (три) вертикальных аэродинамических труб (АДТ), входы которых расположены навстречу направлению ветра, а выходы сообщены с атмосферой; каждая труба имеет среднюю часть квадратного сечения и в ней установлена многолопастная турбина (RU 2438040 С2, опубл. 27.12.2011).

Известная аэроэлектростанция из-за неравномерности частоты вращения генератора не позволяет применять полученный ток в электродвигателях коммунального и промышленного назначения, а также имеет недостаточно высокий КПД из-за невысокой скорости вращения турбин и непостоянства ветра.

Известен способ получения электроэнергии, реализуемый данной электростанцией, по которому создают поток воздуха в аэродинамических трубах за счет действия ветра, воздействуют потоком воздуха на лопасти турбин, последовательно установленных в АДТ, и преобразуют вращение турбин в электроэнергию посредством генераторов (см. там же).

Известный способ также не позволяет применять полученный ток в электродвигателях коммунального и промышленного назначения из-за неравномерности частоты вращения генератора, а также обеспечивает недостаточно высокий КПД из-за невысокой скорости вращения турбин и непостоянства ветра.

Наиболее близким к предложенному аэродвигателю является ветряной двигатель, турбина которого содержит центральную вертикальную ось со ступицей и закрепленные на ней вогнутые крылья с шарнирно установленными на последних лопастях. Каждое из крыльев снабжено горизонтальными подкрылками. Средний подкрылок жестко закреплен, а верхний и нижний выполнены в виде подвижных секторов, установленных внахлестку с рабочей поверхностью крыльев (RU 2009371 C1, опубл. 15.03.1994). Лопасти турбины имеют неизменяемый профиль, поэтому в некоторых своих положениях они оказывают большое сопротивление набегающему потоку, что ограничивает скорость вращения турбины.

Задачей изобретения является создание высокоэффективной АДЭС с постоянной частотой вырабатываемой электроэнергии и высоким КПД.

Задача решается аэродинамической электростанцией (АДЭС), содержащей по меньшей мере одну аэродинамическую трубу (АДТ), входная часть которой сообщена с вентилятором, а выходная - с атмосферой, и размещенные по длине АДТ высокоскоростные аэродинамические агрегаты (ВАДА), каждый из которых включает высокоскоростной аэродинамический двигатель (ВАДД) и соединенный с его валом генератор, при этом согласно изобретению каждый ВАДА включает также соединенный с валом ВАДД разгонный двигатель, АДТ имеет прямоугольное сечение, а каждый ВАДД включает ротор с установленными на нем качающимися лопастями, расположенными поперек АДТ вдоль вала.

Задача также решается способом получения и тиражирования электроэнергии с помощью данной аэродинамической электростанции, заключающимся в том, что разгоняют поток воздуха в аэродинамической трубе за счет нагнетания его на входе в АДТ и выброса воздуха в атмосферу, воздействуют потоком воздуха на лопасти ВАДД, последовательно установленные в АДТ, и преобразуют вращение роторов ВАДД в электроэнергию посредством генераторов, и характеризующимся тем, что с помощью разгонных двигателей разгоняют лопасти соответствующих ВАДД до скорости, превышающей скорость потока, набегающего на лопасти каждого ВАДД.

Технический результат от использования предложенных способа и АДЭС заключается в повышении скорости вращения лопастей изменяемого профиля и одновременно в повышении скорости потока, омывающего лопасти, за счет использования разгонных двигателей в каждом ВАДА. Линейная скорость лопасти ВАДД превышает скорость потока воздуха в АДТ на коэффициент быстроходности, который определяется отношением линейной скорости лопасти к скорости потока воздуха в пределах 30-35 раз.

Задача также решается высокоскоростным аэродинамическим двигателем (ВАДД) для использования на АДЭС, ротор которого включает установленные на валу два маховика, а каждая лопасть ВАДД выполнена из двух полулопастей, каждая из которых установлена с помощью прямых шипов в подшипниках маховиков с возможностью качания на 8-10 градусов относительно хорды лопасти, расположенной вдоль оси ротора, при этом полулопасти находятся в зубчатом зацеплении друг с другом посредством одного зуба, выполненного на одной полулопасти, и двух зубьев, выполненных на другой полулопасти.

В предпочтительном варианте выполнения каждая полулопасть имеет симметричный профиль, поперечное сечение первой полулопасти каждой лопасти имеет закругленный конец, обращенный навстречу потоку, расширяется в сторону второй полулопасти, длина первой полулопасти в поперечном сечении составляет 0,35-0,45 хорды лопасти, вторая полулопасть плавно сужается в поперечном сечении в направлении от первой полулопасти и заканчивается острым концом, а при нулевом угле атаки оси качания полулопастей пересекают хорду лопасти посередине отрезка хорды каждой полулопасти соответственно.

В вышеуказанных известных технических решениях аэродинамические трубы работают за счет давления аэропотока, которое значительно меньше давления, создаваемого ВАДА, в которых скорость лопасти определяется ВАДД, превышающими скорость природного встречного воздушного потока в несколько раз, что создает подъемную силу лопасти, которая используется предложенным изобретением. В результате лопасти вращаются со скоростью больше скорости аэропотока как минимум в 30-35 раз (скоростной коэффициент ВАДД).

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 показана предложенная АДЭС в плане.

На фиг. 2 показан ВАДД, вид спереди (со стороны боковой стенки АДТ) с частичным разрезом.

На фиг. 3 - вид на ВАДД сверху с частичным разрезом.

На фиг. 4 - поперечный разрез ВАДД в плоскости, перпендикулярной оси ротора в процессе работы.

На фиг. 5 - поперечный разрез лопасти ВАДД при нулевом угле атаки.

На фиг. 6 - вид лопасти на фиг. 5 сверху.

На фиг. 7 - поперечный разрез лопасти ВАДД при угле атаки, отличном от нуля.

Предложенная аэродинамическая электростанция содержит несколько (или одну) аэродинамических труб (АДТ) 1. В каждой АДТ 1 входная часть соединена через жалюзийную решетку 2 и приемную камеру с вентилятором 3, а выходная часть 4 - с атмосферой. В машинном зале 8 по длине каждой АДТ 1 установлены высокоскоростные аэродинамические агрегаты 9 (ВАДА) с определенным шагом в зависимости от мощности ВАДА. Каждый ВАДА 9 включает высокоскоростной аэродинамический двигатель 10 (ВАДД) и соединенные с его валом с одной стороны генератор 11 и с другой стороны разгонный двигатель 12 - рекуператор электроэнергии.

В предпочтительном варианте АДЭС имеет две АДТ 1, одна из которых работает постоянно, а вторая включается в периоды пиковых нагрузок (зимний период, суточные пиковые нагрузки) и во время ремонта другой трубы.

Внутри каждой АДТ 1 прямоугольного сечения установлен корпус 13 ВАДД 10, в котором на валу 14 с двух сторон на шпонках установлены маховики ротора 15, которые соединены друг с другом по ободам установленными на прямых шипах шатунно-лопастными механизмами изменяемого профиля в виде качающихся лопастей 16. Лопастям 16 присвоено имя «лопасти Ушаковой изменяемого профиля».

Высота прямоугольного сечения АДТ 1 равна диаметру маховиков ротора 15 ВАДД 10. Съемная крышка 17 ВАДД 10 с помощью болтов соединена в корпусом 13.

Маховики ротора 15 расположены в углублениях боковых стенок АДТ 1, так что ширина АДТ 1, обозначенная на фиг. 3 как «В», равна размеру посадки маховиков (расстоянию между роторами). Высота АДТ 1 (глубина), обозначенная на фиг. 2 «h», равна высоте корпуса 13 от днища до крышки.

Вал 14 выходит через стенки АДТ, опираясь концами на подшипники. На тонком конце вала 14 насажена на шпонках муфта для соединения с разгонным двигателем 12. На большем по диаметру конце вала 14 насажена муфта для подсоединения генератора 11.

Число лопастей 16 предпочтительно является нечетным, например 3, 5, 7 лопастей, поскольку при этом меньше ударные нагрузки на вал, чем при четном числе лопастей.

Каждая лопасть 16 ВАДД 10 выполнена из двух полулопастей - первой ведущей полулопасти 17 и второй ведомой полулопасти 18 (фиг. 5, 6). Полулопасти 17 и 18 имеют каждая прямые шипы 19 и 20, которые вставлены в игольчатые подшипники, закрепленные на ободах ротора 15 с возможностью поворота на углы 8-10 градусов. Углы поворота полулопастей 17, 18 ограничены приваренными на ободах ротора 15 пластинами 21, 22. Таким образом каждая полулопасть 17, 18 является качающейся, преимущественно на 8-10 градусов относительно хорды лопасти 16, расположенной вдоль оси ротора 15. Полулопасти 17, 18 находятся в зубчатом зацеплении друг с другом. На фиг. 5 показано, что на первой полулопасти 17 выполнены два зуба 23, а на второй полулопасти 18 выполнен один зуб 24. (Возможен обратный вариант: один зуб на первой полулопасти 17 и два зуба на второй полулопасти 18). Зубья 23 и 24 имеют профиль, обеспечивающий обкатывание зуба 24 по обращенным к нему поверхностям зубьев 23, как это имеет место при зубчатом зацеплении колес.

Полулопасти 17 и 18 имеют симметричный профиль, первая ведущая полулопасть 17 закруглена с одного конца, расширяется в направлении к зубчатому зацеплению. Вторая ведомая полулопасть 18 плавно сужается в направлении к свободному концу и заканчивается острым концом толщиной 3-5 мм. Поверхности второй полулопасти 18 являются продолжениями поверхностей первой полулопасти 17. Длина первой полулопасти 17 в поперечном сечении равна 0,35-0,45 хорды лопасти, длина второй полулопасти 18 равна 0,55-0,65 хорды. Хорда равна сумме длин полулопастей. Длина хорды может составлять 400-500 мм. При нулевом угле атаки оси качания полулопастей 17 и 18 пересекают хорду лопасти посередине отрезка хорды каждой полулопасти 17 и 18 соответственно.

Хорда относительно вала ВАДД 10 делится меридианом, проходящим через ось вала под прямым углом к хорде в равных долях. Углы атаки лопасти 16 при воздействии аэропотока могут быть положительными, отрицательными или равными нулю. (При положительных и отрицательных углах атаки поворот концов полулопастей 17 и 18 составляет ±6-10 мм.) При нулевом угле атаки лопасть 16 имеет симметричный профиль. При положительных и отрицательных углах атаки - S-образный профиль.

Способ получения и тиражирования электроэнергии и работа АДЭС и ВАДД осуществляются следующим образом.

На первой стадии происходит разгон потока воздуха в АДТ 1 за счет нагнетания воздуха вентилятором 3 на входе в ГДТ 1 и выброса аэропотока в атмосферу. Скорость V, вытекающей из хвостового отверстия ГДТ, определяется по формуле V²=2gH. На второй стадии происходит разгон лопастей 16 ВАДА 10 до скоростей, превышающих скорости потока в 30-35 раз. При воздействии аэропотока на качающиеся лопасти 16 полулопасти 17 и 18 меняют свое положение на 8-10 градусов относительно хорды лопасти 16 за счет поворота вокруг своих осей.

Синхронизация поворота полулопастей 17 и 18 обеспечивается за счет их зубчатого зацепления. При повороте полулопастей 17 и 18 в своих положениях при положительном и отрицательном углах атаки лопасти 16 приобретают S-образный профиль за счет своей вышеописанной геометрии (фиг. 4).

За один оборот маховиков ротора 15 на 360 градусов лопасти 16 изменяемого профиля Ушаковой меняют свой профиль четыре раза: а) при повороте от 0 до 3 градусов - симметричный профиль со знаком +; б) от 3 до 180 градусов - S-образный профиль со знаком +; в) от 180 до 183 градусов - симметричный профиль со знаком -; г) от 183 до 360 градусов - S-образный профиль со знаком -. Как при положительном, так и при отрицательном углах атаки (от 3 до 180 градусов - S-образный профиль со знаком + и от 183 до 360 градусов - S-образный профиль со знаком -) смещение перерезывающей силы от нагрузки смещено от оси вращения вала 14 в сторону острия ведущей полулопасти 17 всегда влево, что дает произведение перерезывающей силы на плечо смещения перерезывающей силы h₁, что приводит к положительному результату, направленному в сторону вращения лопасти 16 изменяемого профиля Ушаковой (дополнительное увеличение мощности).

Омывающий лопасть 16 S-образного профиля высокоскоростной аэропоток создает подъемную силу лопасти. Проекция подъемной силы лопасти 16 на вектор линейной скорости создает силу тяги лопасти. Лопасти 16 ВАДД 10 S-образного изменяемого профиля будут способствовать ускорению аэропотока, играя роль насоса для прокачки аэропотока.

После разгона лопастей 16 включаются разгонные двигатели 12, которые дополнительно разгоняют лопасти 16 и роторы 15 ВАДД 10, и скорость аэропотока нарастает по длине ГДТ 1. Разгонные двигатели 12 - рекуператоры позволяют ВАДД 10 преодолеть сопротивление вращения силами тяги лопастей, поддерживать скорости вращения роторов 15 ВАДД 10 в нужных параметрах (3000 или 2250 об/мин). Кроме того, при снижении нагрузок в линии электропередачи (ЛЭП) и увеличении оборотов разгонный двигатель 12 - рекуператор способен возвращать в сеть (ЛЭП) электрическую энергию (рекуперация), снижая до проектных показателей обороты ВАДА 8.

Вращение роторов 15 ВАДА 10 передается на валы генераторов 11, преобразующих вращение вала в электроэнергию.

Предложенная группа изобретений позволяет повысить КПД выработки электроэнергии на АДЭС за счет увеличения скорости вращения лопастей роторов высокоскоростных аэродинамических двигателей.

Изобретение относится к электроэнергетике. Предложенная аэродинамическая электростанция (АДЭС) содержит по меньшей мере одну аэродинамическую трубу 1 (АДТ), верхняя часть которой сообщена с вентилятором 3, а нижняя - с атмосферой, и размещенные по длине АДТ 1 высокоскоростные аэродинамические агрегаты (ВАДА), каждый из которых включает высокоскоростной аэродинамический двигатель (ВАДД) и соединенный с его валом генератор. Каждый ВАДА включает также соединенный с валом ВАДД разгонный двигатель. АДТ 1 имеет прямоугольное сечение. Каждый ВАДД включает ротор с установленными на двух маховиках 15 качающимися лопастями 16, расположенными поперек АДТ 1 вдоль вала. Способ получения и тиражирования электроэнергии с помощью данной АДЭС заключается в том, что разгоняют аэропоток в АДТ 1 за счет нагнетания воздуха на входе в АДТ 1 и выброса воздуха в атмосферу, воздействуют потоком воздуха на лопасти 16 ВАДД, последовательно установленные в АДТ 1, и преобразуют вращение роторов ВАДД в электроэнергию посредством генераторов. С помощью разгонных двигателей разгоняют лопасти 16 соответствующих ВАДД до скорости, превышающей скорость потока, набегающего на лопасти каждого ВАДД. Предложенный ВАДД для использования на АДЭС включает ротор с установленными на нем качающимися лопастями 16. Ротор включает установленные на валу два маховика 15, а каждая лопасть 16 ВАДД выполнена из двух полулопастей, каждая из которых установлена с помощью прямых шипов в игольчатых подшипниках маховиков 15 с возможностью качания относительно хорды лопасти 16. Полулопасти находятся в зубчатом зацеплении друг с другом посредством одного зуба, выполненного на одной полулопасти, и двух зубьев, выполненных на второй полулопасти. Группа изобретений позволяет повысить скорость вращения лопастей и одновременно повысить скорость аэропотока, омывающего лопасти, за счет использования разгонных двигателей в каждом ВАДА. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Аэродинамическая электростанция, содержащая по меньшей мере одну аэродинамическую трубу (АДТ), входная часть которой сообщена с вентилятором, а выходная - с атмосферой, и последовательно размещенные по длине АДТ высокоскоростные аэродинамические агрегаты (ВАДА), каждый из которых включает высокоскоростной аэродинамический двигатель (ВАДД) и соединенный с его валом генератор, отличающаяся тем, что каждый ВАДА включает также соединенный с валом ВАДД разгонный двигатель, АДТ имеет прямоугольное сечение, а каждый ВАДД включает ротор с установленными на нем вдоль вала качающимися лопастями, расположенными поперек АДТ.

2. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что каждый разгонный двигатель является рекуператором электроэнергии.

3. Электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что ротор включает установленные на валу два маховика, а каждая лопасть ВАДД выполнена из двух полулопастей, каждая из которых установлена с помощью прямых шипов в подшипниках маховиков с возможностью качания на 8-10 градусов относительно хорды лопасти, расположенной вдоль оси ротора, при этом полулопасти находятся в зубчатом зацеплении друг с другом посредством одного зуба, выполненного на одной полулопасти, и двух зубьев, выполненных на другой полулопасти.

4. Электростанция по п. 3, отличающаяся тем, что каждая полулопасть имеет симметричный профиль, поперечное сечение первой полулопасти каждой лопасти имеет загругленный конец, расширяется в направлении к зубчатому зацеплению, длина первой полулопасти в поперечном сечении составляет 0,35-0,45 хорды лопасти, вторая полулопасть плавно сужается в поперечном сечении в направлении от первой полулопасти и заканчивается острым концом, а при нулевом угле атаки оси качания полулопастей пересекают хорду лопасти посередине отрезка хорды каждой полулопасти соответственно.

5. Способ получения и тиражирования электроэнергии с помощью аэродинамической электростанции по любому из пп. 1-4, заключающийся в том, что разгоняют поток воздуха в аэродинамической трубе за счет нагнетания в нее воздуха и выброса воздуха в атмосферу, воздействуют потоком воздуха на лопасти ВАДД, последовательно установленные в АДТ, и преобразуют вращение роторов ВАДД в электроэнергию посредством генераторов, характеризующийся тем, что с помощью разгонных двигателей разгоняют лопасти соответствующих ВАДД до скорости, превышающей скорость потока, набегающего на лопасти каждого ВАДД.

6. Высокоскоростной аэродинамический двигатель (ВАДД), содержащий ротор с установленными на нем качающимися лопастями, причем ротор включает установленные на валу два маховика, а каждая лопасть ВАДД выполнена из двух полулопастей, каждая из которых установлена с помощью прямых шипов в подшипниках маховиков с возможностью качания относительно хорды лопасти, при этом полулопасти находятся в зубчатом зацеплении друг с другом посредством одного зуба, выполненного на одной полулопасти, и двух зубьев, выполненных на другой полулопасти.

7. Двигатель по п. 6, отличающийся тем, что полулопасти установлены с возможностью качания на 8-10 градусов относительно хорды лопасти.

8. Двигатель по п. 6, отличающийся тем, что каждая полулопасть имеет симметричный профиль, поперечное сечение первой полулопасти каждой лопасти имеет закругленный конец, расширяется в направлении к зубчатому зацеплению, длина первой полулопасти в поперечном сечении составляет 0,35-0,45 хорды лопасти, а вторая полулопасть плавно сужается в поперечном сечении в направлении от первой полулопасти и заканчивается острым концом, а при нулевом угле атаки оси качания полулопастей пересекают хорду лопасти посередине отрезка хорды каждой полулопасти соответственно.