Чашечный ветряк Антей Российский патент 2019 года по МПК F03D3/06 F03D3/04 F03D7/06 

Настоящее изобретение относится к области эксплуатации возобновляемых источников энергии, а именно к ветровой энергетике.

Из существующего уровня техники, известны два типа ветряков: первый тип использует горизонтальный вал вращения, второй тип применяет вертикальный вал. В настоящее время наибольшее распространение находят ветряки с горизонтальным валом вращения.

Конструкция такого ветряка включает: каркас; горизонтальный вал; лопасти; гандолу, содержащую: механизм поворота, редуктор, генератор.

Недостатки данного ветряка:

1. Неэффективное использование мощности ветрового потока. Так как та часть ветрового потока, которая воздействует на наклонные лопасти ветряка раскладывается на горизонтальную и вертикальную составляющие; при этом вертикальная составляющая, осуществляющая вращение вала использует лишь (данные интернет) его мощности. Решение увеличить воздействующую мощность потока, путем расширения площади их воспринимающих лопастей, ограничивается вертикальными габаритами ветряка. Так используемые в настоящее время ветряки в странах Европы, Азии и Америки имеют следующие габариты: высота каркаса - 60 м, диаметр вращения лопастей - 60 м, количество лопастей - 3, вес гандолы, установленной на вершине каркаса - 75 т. В результате возросшей парусности увеличивается нагрузка на каркас ветряка, что при сильном, порывистом ветре происходит его раскачка и поломка. Кроме того снижается уровень безопасности в работе обслуживающего персонала, затруднен доступ к рабочему месту в гандоле, усложняется монтаж ветряка.

2. Необходимость фронтальной установки плоскости вращения лопастей по отношению к направлению ветра, требует введения механизма поворота гандолы, что усложняет конструкцию ветряка.

Второй тип ветряка, применяющий вертикальный вал вращения, отличается простотой конструкции, удобством эксплуатации, возможностью работы уже на малых скоростях ветра, независимо от их направления. В качестве элементов, воспринимающих силу ветрового потока и осуществляющих вращение вала, используются конусы, половинки разрезанных труб, половинки пустотелых шаров (чашки). Принцип работы ветряка такого типа заключается в том, что воспринимающие элементы, закрепленные на валу посредством спиц, при вращении вокруг вала, встречают ветровой поток то открытой концентрирующей поверхностью, то закрытой обтекаемой. В результате возникающей разницы воспринимающей силы, осуществляется вращение вала. В настоящее время наиболее широкое применение в качестве воспринимающего элемента получили чашки. Они используются в приборе для определения скорости ветра в чашечном Анемометре. Патент РФ №2063045 от 27 июня 1996 г. Конструкция ветряка второго типа включает: корпус, распорки, вертикальный вал, горизонтальный вал, спицы, воспринимающие элементы, коническую зубчатую передачу, тормоз, редуктор, генератор, подшипниковые узлы.

Недостатком данного технического решения является низкая создаваемая мощность ветряка. Это ограничивает его применение для получения электроэнергии высокого напряжения.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является вариант ветряка с вертикальным валом вращения, использующим в качестве воспринимающих силу ветрового потока элементов - чашки.

Данная задача решается за счет того, что заявляемое изобретение: Чашечный ветряк Антей, включающий корпус, распорки, вертикальный вал, горизонтальный вал, спицы, чашки, коническую зубчатую передачу, тормоз, редуктор, генератор, подшипниковые узлы; может быть выполнен с конусными усилителями мощности воздействующего ветрового потока, конусные усилители могут быть установлены на поверхности земли по диаметру вращения чашек, конусные усилители могут быть установлены на жестко закрепленные в земле опоры, конусные усилители могут быть ориентированы по направлениям розы ветров, оси конусных усилителей могут быть направлены по касательной к окружности вращения центра чашек.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является: повышение эффективности использования ветрового потока, т.к. горизонтальное положение конусных усилителей и их приземленность расширяют перспективу увеличения входного диаметра конуса, что дает возможность принятия большего объема воздушного потока, повышения его мощности и увеличения крутящего момента на вале; устойчивость работы ветряка независимо от направления ветра; улучшение условий эксплуатации; повышение безопасности; упрощение проведения монтажных работ.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено:

на фиг. 1 - главный вид

на фиг. 2 - вид сверху

Ветряк включает следующие узлы и детали: корпус 1 (фиг. 1), распорки 2 (фиг. 1), вертикальный вал 3 (фиг. 1), горизонтальный вал 4 (фиг. 1), спицы 5 (фиг. 1), чашки 6 (фиг. 2), коническую зубчатую передачу 7 (фиг. 1), тормоз 8 (фиг. 1), редуктор 9 (фиг. 1), подшипниковые узлы 10 (фиг. 1), генератор 11 (фиг. 1), конусный усилитель 12 (фиг. 1), опоры 13 (фиг. 1).

Работает устройство следующим образом.

Ветровой воздушный поток, проходя через постепенно уменьшающееся проходное отверстие усилителя 12, сжимается, набирает скорость и выходит из него мощной, ускоренной струей. Струя, попадая на открытую концентрирующую поверхность чашки 6, собирается ею в одну равнодействующую силу. Под действием этой силы, чашки, двигаясь по кругу, создают через рычаг спиц 5 крутящий момент на вертикальном вале 3. Вал, свободно вращаясь в подшипниковых узлах 10, передает через коническую зубчатую передачу 7 вращение на горизонтальный вал 4 редуктора 9, а затем на вал генератора 11. Начитается работа ветряка. При необходимости проведения монтажных работ или работ по текущему ремонту вертикальный вал останавливается тормозом 8. Опоры 13, жестко соединенные с конусными усилителями 12, а также распорки 2, жестко соединенные с корпусом 1, закреплены в земле и удерживают конструкцию от раскачки.

Проведены опытные испытания с целью определения степени изменения скорости проходящего через конус воздушного потока.

Известно, что мощность воздушного потока определяется по формуле:

где:

Nn - мощность воздушного потока,

- плотность воздуха,

V - скорость воздушного потока,

F - площадь воздействия.

Из этой формулы видно, что секундная энергия или мощность воздушного потока пропорциональна кубу скорости, т.е. если скорость ветра увеличилась, например, в 2 раза, то энергия воздушного потока увеличилась в 2³=8 раз.

Испытания проводились с конусом уменьшенного масштаба, имеющим следующие данные:

Диаметр конуса на входе: D=200 мм.

Диаметр конуса на выходе: d=40 мм.

Длина конуса:

Конусность:

Результаты испытаний, где:

V_м/сек - скорость воздушного потока на входе,

- скорость воздушного потока на выходе.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Чашечный ветряк включает корпус, распорки, жестко соединенные с корпусом и закрепленные в земле, чашки, выполненные с возможностью создания через рычаг спиц крутящего момента на вертикальном валу, выполненном с возможностью вращения в подшипниках и передачи вращения через коническую зубчатую передачу на горизонтальный вал редуктора, а затем на вал генератора, и тормоз. Ветряк выполнен с конусными усилителями мощности воздействующего ветрового потока, которые установлены на жестко закрепленные в земле опоры по диаметру вращения чашек, ориентированы по направлениям розы ветров, а оси конусных усилителей направлены по касательной к окружности вращения центра чашек. Изобретение направлено на увеличение мощности ветряка. 2 ил.

Чашечный ветряк, включающий корпус, распорки, жестко соединенные с корпусом и закрепленные в земле, чашки, выполненные с возможностью создания через рычаг спиц крутящего момента на вертикальном валу, выполненном с возможностью вращения в подшипниках и передачи вращения через коническую зубчатую передачу на горизонтальный вал редуктора, а затем на вал генератора, и тормоз, отличающийся тем, что ветряк выполнен с конусными усилителями мощности воздействующего ветрового потока, которые установлены на жестко закрепленные в земле опоры по диаметру вращения чашек, ориентированы по направлениям розы ветров, а оси конусных усилителей направлены по касательной к окружности вращения центра чашек.