Ветрогенератор Российский патент 2021 года по МПК F03D13/20 F03D80/40 F03D9/22 F03D80/80 F03D80/60 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к электрогенерирующим агрегатам, предназначенным для работы параллельно с энергосистемой. Изобретение может быть использовано для модернизации существующих ветрогенераторов, работающих в составе ветропарков.

Известен ветрогенератор, содержащий башню с отверстиями в ней, гондолу с электромеханическим оборудованием, лопасти, хаб (патент РФ №2075644, 20.02.1995, МПК F03D 11/04).

Недостатки известного ветрогенератора:

1. При забивании снегом и обледенении башенных отверстий, башня подвергается значительной колебательной ветровой нагрузке при сильных скоростях ветра.

2. В полезную механическую энергию превращается незначительная часть ветровой нагрузки.

Заявляемая конструкция ветрогенератора устраняет эти недостатки.

Техническим результатом изобретения является снижение колебательного воздействия ветра на башню и повышение коэффициента использования ветровой нагрузки.

Технический результат достигается тем, что в ветрогенераторе, содержащем башню, гондолу с электромеханическим оборудованием, лопасти, хаб, согласно настоящему изобретению, на башне имеется неподвижно закрепленное спиральное ребро, создающее восходящий вращающийся вокруг оси башни воздушный поток, в верхней части башни имеется улиточная камера, закрепленная неподвижно на нижней части гондолы и преобразующая вращательное движение воздушного потока в кинетическую энергию, на выходе улиточной камеры имеется сопло и закрепленный на хабе обтюратор с отверстиями, которые расположены напротив тыльной поверхности каждой лопасти.

Схема заявляемого ветрогенератора показана на фиг. 1, на которой изображен общий вид, и фиг. 2, на которой изображен сопловой узел.

Позициями обозначены следующие элементы и узлы:

1 - башня с электрообогревом наружной поверхности,

2 - спиральное ребро с электрообогревом наружной поверхности,

3 - улиточная камера,

4 - гондола,

5 - обтюратор,

6 - лопасть,

7 - сопло,

8 - хаб,

9 - фронтальная ветровая нагрузка,

10 - сопловая нагрузка,

11 - крутка воздуха в улиточной камере,

12 - лицевая поверхность лопасти,

13 - тыльная поверхность лопасти.

На фиг. 1 и 2 тонкими штрихпунктирными линиями обозначены оси вращения и симметрии.

Гондола 4 обозначена как сборочный блок, включающий внутри себя электромехническую часть, узлы поворота вокруг башни 1, узлы поворота лопаток, механизмы торможения и площадки обслуживания (на фиг. 1 эти узлы условно не показаны).

Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.

Пустотелая башня 1 с электрообогревом наружной поверхности содержит внутри себя грузоподъемные узлы, электрические кабели с коммутаторами и преобразователями (на фиг. 1 эти узлы условно не показаны) и служит для размещения гондолы 4 с лопастями 6 на определенной высоте с сильными скоростями ветра.

Нижняя часть башни 1 опирается на фундамент, который установлен с заглублением в грунт (на фиг. 1 фундамент и грунт условно не показаны).

Спиральное ленточное ребро 2 с электрообогревом наружной поверхности, закрепленное на башне по всей высоте, служит для преобразования прямолинейного движения воздуха в составе ветровой нагрузки, во вращательное спиралевидное с восходящим потоком к верхней части башни.

Направление навивки спирального ребра должно совпадать с направлением вращения лопастей при виде со стороны башни 1 и гондолы 4.

Ударное прямое действие потока воздуха на башню 1 при большой скорости ветра преобразуется за счет ленточного спирального ребра 2 во вращательное восходящее движение потока воздуха и при этом колебательные нагрузки гасятся.

Применение ленточного спирального ребра 2 является отличительным признаком заявляемого изобретения, позволяющим получить положительный технический результат по гашению колебательной ветровой нагрузки на башню 1 при сильных скоростях ветра при одновременном получении восходящего потока воздуха внизу гондолы 4, который может быть преобразован в механическую энергию.

Улиточная камера 3 (фиг. 1 и фиг. 2) крепится снизу гондолы 4 и поворачивается вместе с ней вокруг оси башни 1.

Снизу со стороны спирального ребра 2 улиточная камера 3 имеет свободный вход для восходящего вращающегося по направлению крутки 11 потока воздуха, а сверху выход закрыт днищем гондолы 4.

Гондола 4 установлена на верхней части башни 1 с возможностью поворота вокруг ее оси и служит для размещения в ней электромеханических узлов и вала, на котором закреплен хаб 8 вместе с лопастями 6, а также для крепления улиточной камеры 3.

Улиточная камера 3 служит для сбора, закрученного спиральным ребром 2 восходящего потока воздуха и увеличения параметра крутки, при котором происходит существенный рост кинетической энергии, передаваемой посредством сопла 7 на тыльную поверхность 13 лопасти. Сопло 7 служит для увеличения скорости движения воздуха и обеспечения локального воздействия в виде сопловой нагрузки 10 на тыльную поверхность лопасти 13.

Наличие улиточной камеры 3 с соплом 7 является отличительным признаком, позволяющим достигнуть положительного технического решения по повышению коэффициента использования ветровой нагрузки.

Обтюратор 5 представляет собой металлический диск, который крепится к хабу 8, вращается вместе с ним и имеет отверстия, расположенные по окружности напротив тыльной поверхности 13 каждой из лопастей 6 (на фиг. 2 отверстия позицией не обозначены).

При вращении хаба 8 вместе с лопастями 6 вокруг оси вала генератора в момент совпадения отверстия обтюратора 5 с выходным отверстием сопла 7 через отверстие обтюратора направляется поток сопловой нагрузки 10 на тыльную поверхность 13 лопасти 6, с лицевой поверхности 12 которой действует фронтальная ветровая нагрузка 9.

Так как поверхности 12 и 13 наклонены в разные стороны, то крутящий момент со стороны ветровой нагрузки 9 увеличивается за счет сопловой нагрузки 10 и этим достигается повышение коэффициента использования ветровой нагрузки.

При несовпадении отверстий обтюратора 5 с отверстием сопла 7 свободный выход потока воздуха перекрыт поверхностью обтюратора.

Заявляемый ветрогенератор работает следующим образом.

Фронтальная ветровая нагрузка 9 действуя на поверхность 12 начинает вращать лопасти 6 вместе с хабом 8 и с обтюратором 5 относительно оси генератора (генератор позицией на фиг. 1 и 2 не обозначен).

Одновременно неподвижным спиральным ребром 2 происходит закручивание прямолинейного ветрового потока в спиралевидный вихревой восходящий поток, поступающий в улиточную камеру 3.

При появлении снега включается электрообогрев наружной поверхности башни 1 и спирального ребра 2.

На этой стадии достигается положительный технический результат заявляемого изобретения по снижению колебательной ветровой нагрузки на башню 1 при сильных порывах ветра и устранения льдообразования, так как прямолинейное ударное действие потока воздуха преобразуется во вращательное вокруг башни за счет спирального ребра 2. Налипание снега и обледенение предотвращается за счет подогрева контактной поверхности башни 1 и ребра 2.

В улиточной камере 3 восходящий спиралевидный поток воздуха дополнительно закручивается для увеличения кинетической энергии в направлении крутки 11 и подается через сопло 7 на тыльную поверхность 13 лопасти 6 при совпадении отверстий обтюратора 5 и сопла 7.

В этот момент на лицевую поверхность 12 действует фронтальная нагрузка 9, происходит увеличение коэффициента использования ветровой нагрузки за счет дополнительного усилия от сопловой нагрузки 10 и достигается положительный технический результат заявляемого изобретения по отношению к известной конструкции.

При дальнейшем повороте хаба 8 после кратковременного перекрытия выходного отверстия сопла 7 сплошной поверхностью обтюратора к соплу 7 подходит следующая очередная лопасть 6 с отверстием в обтюраторе 5, через который сопловая нагрузка действует на поверхность 13 очередной лопасти, создавая дополнительный крутящий момент на валу ветрогенератора за счет увеличения коэффициента использования ветровой нагрузки.

Далее весь процесс работы спирального ребра 2, улиточной камеры 3 сопла 7, обтюратора 5 и лопастей 6 повторяется.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для модернизации существующих ветрогенераторов, работающих в составе ветропарков. Ветрогенератор содержит башню, гондолу с электромеханическим оборудованием, лопасти и хаб. На башне имеется неподвижно закрепленное спиральное ребро, создающее восходящий вращающийся вокруг оси башни воздушный поток. Наружные поверхности башни и ребра выполнены с электрообогревом. В верхней части башни имеется улиточная камера, закрепленная неподвижно на нижней части гондолы и преобразующая вращательное движение воздушного потока в кинетическую энергию. На выходе улиточной камеры имеется сопло и закрепленный на хабе обтюратор с отверстиями, которые расположены напротив тыльной поверхности каждой лопасти. Техническим результатом является снижение колебательного воздействия ветра на башню и повышение коэффициента использования ветровой нагрузки. 2 ил.

Ветрогенератор, содержащий башню, гондолу с электромеханическим оборудованием, лопасти, хаб, отличающийся тем, что на башне имеется неподвижно закрепленное спиральное ребро, создающее восходящий вращающийся вокруг оси башни воздушный поток, наружные поверхности башни и ребра выполнены с электрообогревом, в верхней части башни имеется улиточная камера, закрепленная неподвижно на нижней части гондолы и преобразующая вращательное движение воздушного потока в кинетическую энергию, на выходе улиточной камеры имеется сопло и закрепленный на хабе обтюратор с отверстиями, которые расположены напротив тыльной поверхности каждой лопасти.