Ветротурбинная установка Российский патент 2023 года по МПК F03D3/04 F03D9/35 

Изобретение относится к ветряным двигателям и может быть использовано в качестве автономного источника энергии.

Известна ветротурбинная установка с двумя соосными крыльчатками, осевой (в виде пропеллера) над вытяжной трубой и многолопастной, с вертикальной осью вращения, внутри ветронаправляющего аппарата (патент на изобретение RU 2286477, опубл. 2006 г.).

Недостатками данной конструкции является: ограниченность скорости вращения ВТУ скоростью ветра, низкий КПД осевых крыльчаток, в следствии взаимоперпендикулярного расположения вектора ветропотока в трубе с горизонтальной плоскостью вращения лопастей осевой крыльчатки, в отличии, например от центробежных крыльчаток, в которых вектор перемещения ветропотока совпадает с плоскостью вращения крыльчатки, и момент инерции площади («распределенности») лопастей осевых крыльчаток относительно оси вращения, кратно меньше, чем у сопоставимых по диаметру, лопаток центробежных крыльчаток, что приводит к существенному снижению КПД.

Известны ортогональные крыльчатки с вертикальной осью вращения, например ротор Дарье, требующий для возникновения начала вращения приложения стороннего усилия, например посредством использования лопастей Савониуса, закрепленных к оси вращения ротора ортогональной крыльчатки. Однако по окончанию набора линейной скорости радиальными оконечностями ортогональной крыльчатки, превышающей скорость ветра, закрепленные лопасти Савониуса на оси вращения ортогональной крыльчатки, становятся «тормозом», увеличивая сопротивление вращению ротора («торможение ветром»), понижая кпд.

Известна ветротурбинная установка, собранная из ротора в виде центробежной крыльчатки с вертикальной осью вращения, с рабочими лопатками, загнутыми назад. Ротор установлен на ветроуловитель из неподвижных лопастей, собранных между собой внахлест, посредством наклонных, ветронаправляющих ребер жесткости с образованием вертикального воздуховода, соединенного с корпусом центробежной крыльчатки, выходные патрубки которого выведены в пазухи неподвижных лопастей ветроуловителя для потенциального использования энергии выходящего из ВТУ отработанного ветропотока (патент на изобретение RU 2638120 С1, опубл. 2017 г.).

Однако по причине наличия пониженного давления с подветренной стороны ВТУ и его практического отсутствия в верху вертикального воздуховода может происходить частичное падение скоростного давления входящего в ВТУ ветра, что требует увеличения высоты наклонных, ветронаправляющих ребер жесткости, что в свою очередь увеличивает металлоемкость ВТУ и понижает КПД установки, как и соединение выходных патрубков с пазухами лопастей ветроуловителя.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является недостаточная эффективность известных ветротурбинных установок, а так же экологичность известных ВТУ.

Техническим результатом заявленного решения является повышение эффективности установки при любых продолжительности, скорости и направлении ветра. Технический результат достигается тем что:

ветротурбинная установка, характеризующаяся, тем что содержит установленный в корпусе ротор, установлен на ветроуловителе ивыполнен сообщающимся с ним, корпус ротора содержит выходные патрубки, лопатки ротора закреплены на центробежной крыльчатке со стороны внутренней поверхности корпуса и направлены по хордам корпуса ротора, на лопастях ветроуловителя выполнены ребра жесткости, а его вертикально ориентированные и изогнутые в сторону ветропотока лопасти, смещены относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием между ними вертикального воздуховода, отличается тем, что на внутренних сторонах вертикального воздуховода закреплены затворы из отдельных створок, установленных с возможностью поворота относительно оси, имеющей отклонение от вертикали в сторону вращения ротора, при этом стартовые лопатки лопастей нижнего яруса верхней ортогональной крыльчатки ротора, установлены на внутренних сторонах этих лопастей, с возможностью поворота относительно оси, имеющей отклонение от вертикали в сторону вращения ротора.

Наличие лопастей нижнего яруса верхней ортогональной крыльчатки со стартовыми лопатками, удаленными от оси вращения на расстоянии радиуса крыльчатки, в сравнении с лопастями Савониуса, закрепленными непосредственно на оси вращения, обеспечивает легкий старт ротора, повторное использование энергии выходящего из ВТУ ветропотока, образование в верху вертикального воздуховода перед нижней центробежной крыльчаткой зоны пониженного давления, снижающей сопротивление ветропотоку в вертикальном воздуховоде, а возможность стартовых лопаток поворачивается относительно наклонной оси, и совмещаться в единое целое с внутренними сторонами нижних лопастей под действием центробежной силы исключает возникновение эффекта «торможения ветром», после достижения линейной скорости радиальных оконечностей верхней крыльчатки, превышающей скорость ветра.

Выполнение створок затвора в проеме для входа ветра в вертикальный воздуховод ветроуловителя с возможностью поворота вокруг оси, имеющей отклонение от вертикали, в сторону вращения ротора обеспечивает легкий вход ветра в вертикальный воздуховод и надежное запирание остальных проемов с подветренной стороны ВТУ под действием спиралеобразного ветропотока в вертикальном воздуховоде и зоны пониженного давления, возникающей снаружи подветренной стороны обдуваемой установки.

С целью обеспечения экологичности ВТУ, исключения звукового и визуального раздражающего воздействия, вокруг верхней крыльчатки выполнен каркас неподвижного дефлектора с ветронаправляющими экранами, при этом для лопастей нижнего яруса верхней ортогональной крыльчатки для входа ветра, указанные экраны расположены по ходу вращения ротора, а для лопастей верхнего яруса ортогональной крыльчатки против вращения ротора.

На прилагаемых схематичных чертежах изображено:

Фиг. 1 - ротор ВТУ в сборе;

Фиг. 2 - вертикальный разрез ВТУ;

Фиг. 3 - горизонтальное сечение нижней центробежной крыльчатки;

Фиг. 4 - стартовая лопатка нижней лопасти верхней крыльчатки;

Фиг. 5 - каркас неподвижного дефлектора вокруг верхней крыльчатки;

Фиг. 6 - вид А-А сверху на лопасти верхнего яруса ортогональной крыльчатки с ветронаправляющими экранами;

Фиг. 7 - вид В-В сверху на лопасти нижнего яруса центробежного действия, ортогонанальной крыльчатки с ветронаправляющими экранами;

Фиг. 8 - ветронаправляющие экраны верхней крыльчатки для верхних и нижних лопастей на стойках каркаса неподвижного дефлектора;

Фиг. 9 - ветроуловитель с вертикальным воздуховодом, внешними элементами ребер жесткости и неподвижных лопастей;

Фиг. 10 - горизонтальный разрез ветоуловителя с вертикальным воздуховодом, неподвижными лопастями, ребрами жесткости, створками затвора проема для входа ветра;

Фиг. 11 - схема сборки стенок вертикального воздуховода из внутренних элементов неподвижных лопастей с предварительной установкой наклонных ребер жесткости и створок затвора проема для входа ветра;

Фиг. 12 - схема стыковки внешней части неподвижной лопасти ветроуловителя к ее внутренней части (стенки вертикального воздуховода);

Фиг. 13 - каркас электрощитовой и аккумуляторной с люком в вертикальный воздуховод.

На прилагаемых снимках изображены ВТУ с ортогональными верхними крыльчатками: Фото 1 - ВТУ с крыльчаткой из дугообразных лопастей (лезвий) ротора Дарье Фото 2 - Упрощенный вариант ВТУ с ветроуловителем вертикального воздуховода, установленным непосредственно на фундамент и электрошкафом Фото 3 - ВТУ с прямыми лопастями крыльчатки.

Ветротурбинная установка (ВТУ) собрана из ротора 1 с вертикальной осью вращения, с соосными крыльчатками, нижней центробежной крыльчаткой 7, установленной на нижнем выпуске вала генератора и верхней ортогональной крыльчатке 2, установленной на верхнем выпуске вала генератора. Нижняя центробежная крыльчатка 7 с обтекателем 8 ветропотока, лопатками 9, выходными патрубками 6, фланцем входного отверстия установлена на фланце вертикального воздуховода 12, образованного внутренними стенками 19а неподвижных лопастей ветоуловителя, собранными между собой внахлест наклонными ребрами жесткости 20 и жалюзийными полосками 22 (собранными поочередно в отдельные блоки) с образованием проемов для входа ветра в вертикальный воздуховод 12, через створки затвора 23, установленные на его внутренних стенках 19а с возможностью поворота внутрь вертикального воздуховода 12, вокруг осей, имеющих отклонение от вертикали в сторону вращения ротора 1. Собранный вертикальный воздуховод 12 комплектуется внешними частями 19 неподвижных лопастей ветроуловителя, стойками 25, связями 24, наружными каркасами ребер 21 (фиг.1, 2, 3).

Нижние лопасти 4 установлены на верхней ортогональной крыльчатке 2 с возможностью перемещения вокруг выходных патрубков 6 корпуса 5 нижней центробежной крыльчатки 7. На внутренних сторонах нижних лопастей 4 верхней крыльчатки 2, выполнены стартовые лопатки 10 (с фиксаторами острого угла 11 между плоскостями лопастей 4 и лопатками 10) с возможностью поворота вокруг оси, имеющей отклонение от вертикали в направлении вращения ротора 1 и полного примыкания к внутренним сторонам лопастей 4, под воздействием центробежной силы (фиг.4).

Верхние ортогональные лопасти 3 крыльчатки 2, верхнего яруса, выполнены по принципу самолетного крыла, с возможностью взаимодействия их внутренних сторон с набегающим ветром, встречным, вращению ротора 1, что приводит к возникновению подъемной силы, вектор которой соответствует направлению вращения ротора 1 и способствует увеличению скорости вращения ротора 1. Верхние ортогональные лопасти 3 и нижние лопасти 4 разделены горизонтальным диском (не отображенном на чертеже), закрепленном к верхним 3 и нижним 4 лопастям ортогональной крыльчатки 2 (фиг.1).

Вокруг верхней крыльчатки 2 выполнен каркас в виде неподвижного дефлектора 14 с несущими элементами 18, стойками 17 и экранами 15 и 16 ветронаправляющего аппарата, закрепленных на стойках 17 посредством винтовых скоб 13, с возможностью регулировки угла атаки ветра на лопасти 3 и 4, причем для верхних лопастей 3 экраны 15 развернуты на встречу ветру и вращения ротора 1, для нижних лопастей 4 экраны 16 развернуты попутному ветру и вращению ротора 1. Передние кромки лопастей 4, нижнего яруса выставлены на ортогональной крыльчатке 2 со смещением к оси вращения ротора 1, а передние кромки лопастей 3, верхнего яруса выставлены на ортогональной крыльчатке 2 со смещением от оси вращения ротора 1 (фиг.1, фиг.5, фиг.7).

Ветроуловитель с неподвижными лопастями 19 устанавливается на несущий каркас (Фиг. 9) помещения электрощитовой, снабженного люком в потолке для выполнения профилактических работ внутри вертикального воздуховода 12.

Устройство работает следующим образом.

Начало вращения ротора 1 возникает при непосредственном воздействии ветра на лопасти 4 нижнего яруса с отогнутыми стартовыми лопатками 10 ортогональной крыльчатки 2, что приводит к возникновению зоны пониженного давления непосредственно внутри нижней центробежной крыльчатки 7, что в свою очередь обеспечивает «подсос» ветропотока в вертикальном воздуховоде 12, входящего в него под напором ветра из одной или двух пазух неподвижных лопастей 19, при этом открываются створки 23 одного или двух затворов (створки 23 остальных затворов плотно перекрывают остальные проемы под воздействием спиралеобразного ветропотока). Возникающий ветропоток в вертикальном канале передает свою энергию на лопатки 9 центробежной крыльчатки 7 соответственно и на ротор 1, а отработанный ветропоток, выходящий из патрубков 6 корпуса 5 повторно воздействует на вращение ротора 1 через лопасти 4 нижнего яруса (центробежного действия) ортогональной крыльчатки 2. Стартовые лопатки 10 под воздействием, возникающей центробежной силы поворачиваются и примыкают к внутренним сторонам лопастей 4, не создавая помех вращению ротора 1. Суммарное воздействие на ротор 1 от лопастей 4 и лопаток 9 нижней центробежной крыльчатки 5 от восходящего ветропотока по вертикальному воздуховоду 12 увеличивает скорость взаимодействия набегающего ветра с внутренними поверхностями лопастей 3 ортогональной крыльчатки 2 и соответственно величину подъемной силы, способствующей дополнительному увеличению скорости вращения ротора 1 до скорости, превышающей скорость вращения крыльчаток с горизонтальной осью вращения и соответственно росту КПД ВТУ (фиг.1-13).

Заявляемое изобретение отличается от известных ветротурбинных установок тем, что на дополнительно установленной верхней, ортогональной, двухъярусной крыльчатке, лопасти нижнего яруса расположены с возможностью перемещения вокруг корпуса с выходными патрубками нижней центробежной крыльчатки и снабжены стартовыми лопатками с фиксаторами острого угла, с возможностью поворота и прилегания плоскости стартовых лопаток к внутренним сторонам лопастей, относительно оси, имеющей отклонение от вертикали в сторону вращения ротора; и в проемах для входа ветра в вертикальный воздуховод, на его внутренних стенках установлены створки затворов с возможностью поворота и открытия створок внутрь вертикального воздуховода относительно оси, имеющей отклонение по вертикали в сторону вращения ротора.

Предлагаемая конструкция ветротурбинной установки является работоспособной и энергоэффективной при любых продолжительности и скорости ветра, обеспечивает существенное снижение затрат на электричество при ее использовании, а также повышение КПД.

Изобретение относится к ветряным двигателям и может быть использована в качестве автономного источника энергии. Ветротурбинная установка содержит установленный в корпусе ротор, который установлен на ветроуловителе и выполнен сообщающимся с ним. Корпус ротора содержит выходные патрубки. Лопатки ротора закреплены на центробежной крыльчатке со стороны внутренней поверхности корпуса и направлены по хордам корпуса ротора. На лопастях ветроуловителя выполнены ребра жесткости. Вертикально ориентированные и изогнутые в сторону ветропотока лопасти ветроуловителя смещены относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием между ними вертикального воздуховода. На внутренних сторонах вертикального воздуховода закреплены затворы из отдельных створок, установленных с возможностью поворота относительно оси, имеющей отклонение от вертикали в сторону вращения ротора. Стартовые лопатки лопастей нижнего яруса верхней ортогональной крыльчатки ротора установлены на внутренних сторонах этих лопастей, с возможностью поворота относительно оси, имеющей отклонение от вертикали в сторону вращения ротора. Техническим результатом является обеспечение работоспособности и энергоэффективности установки при любых продолжительности и скорости ветра. 16 ил.

Ветротурбинная установка, содержащая установленный в корпусе ротор, который установлен на ветроуловителе и выполнен сообщающимся с ним, корпус ротора содержит выходные патрубки, лопатки ротора закреплены на центробежной крыльчатке со стороны внутренней поверхности корпуса и направлены по хордам корпуса ротора, на лопастях ветроуловителя выполнены ребра жесткости, а его вертикально ориентированные и изогнутые в сторону ветропотока лопасти смещены относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием между ними вертикального воздуховода, отличающаяся тем, что на внутренних сторонах вертикального воздуховода закреплены затворы из отдельных створок, установленных с возможностью поворота относительно оси, имеющей отклонение от вертикали в сторону вращения ротора, при этом стартовые лопатки лопастей нижнего яруса верхней ортогональной крыльчатки ротора установлены на внутренних сторонах этих лопастей, с возможностью поворота относительно оси, имеющей отклонение от вертикали в сторону вращения ротора.