Ветряк парусный горизонтальный конический Российский патент 2023 года по МПК F03D1/06 

Описание изобретения.

1. Характеристика области техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения, для привода электрических генераторов, мельниц, водокачек и других устройств.

2. Характеристика уровня техники

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения, в частности по таким существенным признакам как горизонтальность оси вращения, дугообразная геометрия ветровоспринимаемых поверхностей - парусов, а также коническая форма ротора, является известный из уровня техники «Универсальный ротор Онипко» (см. RU 2 550 718 C2 (Онипко А.Ф. и др.). Ротор Онипко содержит как минимум две дугообразные лопасти, которые расположены вокруг оси вращения ротора и каждая из которых связана с крепежным элементом, расположенным вдоль оси вращения ротора, образующая выгнутой боковой поверхности дугообразной лопасти расположена близко к плоскости, которая параллельна оси вращения ротора, верхний край выгнутой боковой поверхности дугообразной лопасти связан с краем вогнутой боковой поверхности дугообразной лопасти, причем вогнутая поверхность дугообразной лопасти без крутых изгибов и углов наклонена от оси вращения ротора в направлении к основанию этой лопасти, связь края вогнутой боковой поверхности дугообразной лопасти с верхним краем выгнутой боковой поверхности дугообразной лопасти выполнена под углом, противоположный край вогнутой боковой поверхности дугообразной лопасти связан под углом с выгнутой боковой поверхностью смежной дугообразной лопасти. Ротор «Онипко» имеет ряд недостатков и представляет собой ветрогенератор с жесткими лопастями-парусами, которые не меняют угол наклона в зависимости от силы ветра, и их максимальный КПД возможен только при определенной скорости ветра. Сопряженные с лопастями, относительно большие по своей площади, боковые поверхности ротора «Онипко» при вращении воздействуют на поток в поперечном направлении и таким образом работают на торможение ротора. Также этот ротор отличается тем, что во вращение его приводит лишь прямая кинетическая энергия потока и вследствие конструктивных особенностей, здесь практически не используются силы возникающие за счет разницы давлений между наветренной, и подветренной сторонами лопасти-паруса. «Универсальный ротор Онипко» - это жесткая, массивная и сложная в изготовлении конструкция из металла, композитного волокна или пластика, требующая особой точности в соблюдении размеров при изготовлении. В отличие от данного прототипа заявленная конструкция имеет не жесткие паруса, имеет консольный вал, малые и большие кронштейны для натяжения парусов, канаты, стропы-оттяжки и тросы для натяжения парусов, значительно более легкий вес относительно диаметра ротора, а следовательно, значительно меньшую массу покоя, легко сборную и легко разборную конструкцию. Также в предлагаемой конструкции сведены к минимуму наличие и геометрия элементов, снижающих КПД устройства.

Из уровня техники известен ветряк (см. US 2018142669 A1 (CHO YEOUNG CHEOL [KR] и др.). Данный прототип представляет собой спиральный, лопастной, конический ротор, состоящий из горизонтального вала, опирающегося на две подшипниковые опоры и жестких спирально закрученных лопастей, корневая часть каждой из которых, также по спирали, по всей длине прикреплена к наружной поверхности вала. Турбина данного ветряка задумана высоко оборотистой, поэтому каждая лопасть выполняется в несколько оборотов вокруг вала. Угол атаки каждой лопасти здесь направлен не на отражение воздушного потока к периферии вращающейся части ротора, а наоборот, направляет поток внутрь ротора, что является не самым лучшим решением, так-как ротор при больших ветрах может пропускать через себя ровно столько воздуха, сколько позволит его геометрия, остальной же поток ветра будет огибать ротор, не отдавая энергию. Основной же недостаток данной конструкции - это то, что при постройке большой, мощной ветроэнергетической установки с таким ротором, придется обеспечивать строгую геометрию и жесткость каждой спирально закрученной лопасти большого диаметра. Изготовление таких лопастей слишком дорого. Если учесть, что в составе ротора несколько таких лопастей, то материалоемкость и общий вес такой конструкции, даже при применении относительно легких и прочных современных композитных пластиков, также будут очень большими. В отличие от данного прототипа заявленная конструкция имеет не жесткие паруса, изогнутые по дуге, имеет консольный вал, малые и большие кронштейны, канаты, стропы-оттяжки и тросы для натяжения парусов, более легкий вес относительно диаметра ротора, легко сборную и легко разборную конструкцию. Также, в отличии от данного прототипа, ротор предлагаемой конструкции при тех же скоростях ветра будет эффективно утилизировать энергию, но будет менее оборотистым, что важно для обеспечения безопасности, при постройке больших роторов.

Из уровня техники известен также винт (см. RU 2722198 C1 (Михайлов В. В. [RU]), имеющий геликоидальную форму и включающий каркас, содержащий вал и полотно, образующее лопасти, отличающийся тем, что полотно лопастей выполнено цельным по всему винту. По сути, - винт Михайлова В.В., предложенный автором для использования в качестве винтов ветровых электростанций и летательных аппаратов, - это тот же шнек, известный из уровня техники, спирально закрученный, конической формы шнек, имеющий в своей основе жесткий каркас с натянутым на весь этот каркас целиком по всей длине винта полотном. Предлагаемая же в моей заявке конструкция, при некоторой возможности одинакового наименования отдельных ее элементов, кардинально отличается от прототипа, а именно:

- движителями ротора являются несколько изогнутых по дуге парусов. Не единое шнекоподобное полотно закрученное по спирали, а несколько парусов, натянутых между малыми и большими кронштейнами по дуге;

- в конструкции винта Михайлова полотно натягивается не между малыми и большими «кронштейнами», а на весь каркас целиком, включая «кронштейны»;

- передняя, узкая часть каждого паруса закрепляется за малые кронштейны, а задняя широкая часть каждого паруса не закреплена по всей своей длине за один задний кронштейн, как это реализовано в винте Михайлова, а натянута непосредственно, или с помощью канатов, между верхней и нижней частью двух соседних больших кронштейнов;

- каждый парус имеет только продольные, направленные от передней узкой, к задней широкой его части, упругие ребра жесткости, выполненные например из легких и упругих композитных, стеклопластиковых стержней, зафиксированные в форме дуги стропами-оттяжками в сторону вершины предыдущего большого кронштейна;

- парусные полотна не имеют поперечных ребер жесткости какие есть у винта Михайлова В.В. под названием спицы. В предлагаемой конструкции ротора они не требуются, кроме того, любые поперечные элементы, расположенные внутри паруса или скажем снаружи, с подветренной стороны гибкого паруса, неизбежно под действием ветра будут создавать бугры, складки и другие плохо влияющие на КПД рельефные образования на наветренной, рабочей части паруса. Минимизация влияния на КПД винта Михайлова В.В. спиц возможна только в случае обеспечения дополнительной жесткости и пропитки полотна этого винта-шнека смолами как указано в п.5 формулы. Но в этом случае будет изготовлен абсолютно жесткий винт, такой же жесткий, с неизменяемой геометрией, как ротор ветряка US 2018142669 A1 (200) или как ротор Онипко RU 2 550 718 C2. Конструкцию винта Михайлова В.В. нельзя назвать простой и легко разборной. Во-первых, отдельные элементы ротора приваривают - спицы к внешней и внутренней образующим и втулкам, втулки приваривают к валу. При использовании сварки формируются неразборные соединения. Во-вторых, при пропитке полотна смолами легкая разборка винта Михайлова В.В. становится невозможной. В-третьих, при сборке винта необходим кондуктор, - отдельная конструкция, включающая в себя основание, конус для формирования внешней образующей винта, малый конус для формирования средней образующей винта и крестовину. Причем такие элементы как основание и конус для формирования внешней образующей винта, это вспомогательные конструкции, превосходящие винт по своим размерам. Если надо будет собрать большой ротор Михайлова В.В., под мощную ветроэнергетическую установку в отдаленных районах, с плохой логистикой, то туда же в рамках разовой акции придется доставлять и кондуктор, превосходящий винт по размеру. Такой метод сборки не следует считать легким. Предлагаемый же в заявке ротор легко собирается, легко разбирается, легко и компактно транспортируется в разобранном виде.

В плане эффективности, относительно перечисленных прототипов, предлагаемая в заявке конструкция отличается тем, что:

- имеет высокий, изменяющийся от силы ветра КПД вследствие того, что парус под ветром изгибается по дуге, автоматически принимая оптимальную для данной силы ветра аэродинамическую форму.

- имеет низкую стоимость изготовления элементов ротора в сравнении с аналогами и в сравнении с другими, промышленно применимыми ветряками;

- имеет простую, легко разборную конструкцию и относительно малый вес;

- способна снижать обороты, останавливаться и не воспринимать большую часть силы ураганного ветра, при исполнении варианта, когда паруса между большими кронштейнами натянуты с помощью системы роликов и тросов, где ролики расположены в верхней и нижней части каждого большого кронштейна, а тросы последовательно запасованы от нижнего к верхнему ролику каждого большого кронштейна, затем к нижнему ролику соседнего кронштейна и далее циклично по всей окружности ротора образуя замкнутый контур. В этом варианте конструкции внешние углы задней широкой части каждого паруса, а также стропы-оттяжки, закреплены за тросы. Тросы связаны механически с встроенной в систему роликов и тросов электрической лебедкой, и при ее включении тросы могут перемещаться в обоих направлениях, паруса при этом сворачиваются или разворачиваются.

- вследствие относительно малого веса ротора, большой боковой парусности и консольного типа всей конструкции, ротор эффективно и быстро разворачивается к ветру, что также положительно влияет на его КПД.

3. Характеристика сведений, раскрывающих сущность изобретения

Задачей изобретения является повышение эффективности ветроустановок в широком диапазоне скоростей ветра, обеспечение низкой себестоимости вырабатываемой энергии, а также решение проблем экологии и природоохраны, с которыми столкнулась современная ветроэнергетика.

Поставленная задача решается применением предлагаемой конструкции. Общее устройство ветряка по п.1 формулы поясняется изображением на фиг. 1 - вид ветряка сбоку и сзади, где ветряк установленный на вертикальной мачте (1), оснащенной поворотным механизмом (2), имеет подшипниковый узел (3), с горизонтальным консольным валом (4), к консольному участку вала, на расстоянии по его длине, с помощью ступиц (5), прикреплены малые (6) и большие (7) кронштейны, необходимые для натяжения парусов (8) из гибкого материала, например из ткани, при этом, передние узкие части парусов закреплены за малые кронштейны, а задняя широкая часть каждого паруса натянута непосредственно, или с помощью канатов (9), между верхней и нижней частью двух соседних больших кронштейнов; каждый парус имеет продольные, направленные от передней узкой, к задней широкой его части, упругие ребра жесткости (10), выполненные например из легких композитных стеклопластиковых стержней, изогнутые и зафиксированные в форме дуги стропами-оттяжками (11) в сторону вершин больших кронштейнов ротора, чем обеспечивается необходимый изгиб по дуге всего полотна паруса. Ротор в сборе под воздействием ветра приводит во вращение генератор (12). Для пространственного понимания конструкции представлены фиг. 2 - вид ветряка сбоку, фиг. 3 - вид ветряка спереди.

Вариант исполнения ветряка по п.2 формулы поясняется фиг. 4, 5, 6, 7 с представленной системой роликов (13) и тросов (14), где ролики расположены в верхней и нижней части каждого большого кронштейна, а тросы последовательно запасованы от нижнего к верхнему ролику каждого большого кронштейна, затем к нижнему ролику соседнего кронштейна и далее циклично по всей окружности ротора образуя замкнутый контур. Внешние углы задней широкой части каждого паруса в этом случае, также как и стропы-оттяжки, закрепляются за тросы. Тросы связаны механически с встроенной в систему роликов и тросов электрической лебедкой (15). При включении электрической лебедки радиосигналом или иным способом, тросы могут перемещаться в обоих направлениях, паруса при этом сворачиваются или разворачиваются. В положении со свернутыми парусами ротор прекращает вращение под воздействием ветра. На фиг.7 показана принципиальная схема работы системы роликов, тросов и электрической лебедки.

Технический результат применения ветряка парусного, горизонтального, конического:

1. Высокий КПД ротора, причиной чему является то, что: полотно паруса под ветром изгибается по дуге, принимая близкую к идеальной, для данной скорости ветра, аэродинамическую форму; набегающий вдоль оси вращения ротора поток воздуха взаимодействует с парусом под оптимальными углами; ротор располагает большой площадью взаимодействия паруса с ветром, что влечет эффективное преобразование энергии потока и большой вращательный момент, даже при малых скоростях ветра;

2. Низкая стоимость изготовления элементов ротора, по сравнению с аналогами и другими применяемыми в промышленности ветряками;

3. Простота и малый вес конструкции;

4. Ранний и легкий старт, даже при низкой скорости ветра;

5. Отсутствует руль разворота ротора по направлению ветра. Ротор, располагая большой поперечной парусностью, сам эффективно разворачивается к ветру, при этом высока скорость реакции ротора на изменение направления ветра;

6. Ветряк может оснащаться системой принудительного сворачивания и разворачивания парусов с помощью установленной на роторе системы роликов, тросов и электрической лебёдки, при включении которой паруса сворачиваются или разворачиваются;

7. Возможность экспериментировать, подстраивая габариты ротора под местные условия, увеличивать или уменьшать эффективный диаметр ветряка заменой больших кронштейнов и парусов, и как вариант, съемной части вала в пределах ротора. Закрепив малые кронштейны на валу посредством ступицы, с возможностью ее продольного смещения и поворота, появляется возможность изменять угол атаки парусов;

8. Простота устранения массовой разбалансировки и вибрации ротора. Каждый отдельный парус в свернутом состоянии легко взвесить. Также легко взвесить любой другой элемент конструкции ротора. Вся конструкция ротора может выполняться легко разборной;

9. Низкая стоимость технического обслуживания и ремонта;

10. Малый шум в работе ветряка. Отсутствие инфразвука;

11. Минимальные риски гибели птиц. Птица не полетит внутрь ярко окрашенного вращающегося конуса.

4. Перечень чертежей.

Фиг. 1. Ветряк. Вид сбоку и сзади.

Фиг. 2. Ветряк. Вид сбоку.

Фиг. 3. Ветряк. Вид спереди.

Фиг. 4. Общий вид. Расположение роликов, тросов и лебедки на роторе.

Фиг. 5. Увеличенный вид А.

Фиг. 6. Увеличенный вид Б.

Фиг. 7. Принципиальная схема работы системы роликов, тросов и лебедки.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Вал ротора изготавливается из легкого и прочного материала, такого как алюминиевый или титановый сплав. Также для изготовления вала могут быть использованы полимерные композитные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных смол. Из таких же материалов, с учетом обеспечения легкости и прочности всей конструкции, изготавливаются основные конструктивные элементы ротора - ступицы, большие и малые кронштейны. Количество парусов, установленных на роторе, может быть различным. Паруса изготавливаться из ткани или гибкого пластика и оснащаются ребрами жесткости, например вшитыми в полотно легкими стеклопластиковыми, композитными стержнями. Также в качестве ребер жесткости парусов могут быть использованы упругие титановые трубы. Ролики могут быть изготовлены из пластика или алюминия. Для обеспечения легкости хода ролики следует оснащать подшипниками. Тросы, канаты и стропы-оттяжки могут быть изготовлены из прочных, не поддающихся растяжению полимерных нитей или тонкой стальной проволоки.

Ротор ветряка собирается в следующей последовательности. На вал (4) устанавливаются и фиксируются ступицы (5). Затем на ступицы устанавливают большие (7) и малые (6) кронштейны, которые закрепляют болтовыми соединениями или иным способом. В парусные полотна (8) вшиваются стержни ребер жесткости (10). Далее полотна, с применением болтовых соединений или иным способом, передней узкой своей частью прикрепляются к малым кронштейнам (6), задняя же, широкая часть каждого паруса, непосредственно или канатом (9), натягивается между двумя соседними большими кронштейнами (7) и также фиксируется любым надежным способом. К ребрам жесткости (10) каждого паруса используя любое надежное соединение крепятся стропы-оттяжки (11), при натяжении которых в сторону вершины предыдущего большого кронштейна создается необходимая дугообразная форма полотен парусов. Фиг. 1, 2, 3.

При обеспечении ротора защитой от штормовых ветров большие кронштейны оснащаются системой роликов (13) и тросов (14). Ролики закрепляются в верхней и нижней части каждого большого кронштейна (7), а тросы последовательно запасовываются от нижнего к верхнему ролику каждого большого кронштейна, затем к нижнему ролику соседнего кронштейна и далее циклично по всей окружности ротора образуя замкнутый контур. Внешние углы задней широкой части каждого паруса (8) и стропы-оттяжки (11) закрепляются в этом случае не за вершины больших кронштейнов, а за тросы (14), с применением зажимов фиг.5 или другого крепежа. Тросы имеют возможность перемещаться между роликами. В движение эти тросы приводятся связанной механически с системой роликов и тросов электрической лебедкой (15). Для минимизации смещения центра масс ротора относительно оси вращения, лебедка устанавливается на валу ротора. Фиг. 4, 5, 6, 7.

Собранный ротор ветряка соединяется с горизонтальным подшипниковым узлом (3), установленным на вертикальной мачте (1), оснащенной поворотным механизмом (2) и под воздействием ветра приводит во вращение ротор генератора (12). Фиг. 1, 2, 3, 4.

Похожие изобретения:

НАЗВАНИЕ ГОД АВТОРЫ НОМЕР ДОКУМЕНТА УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РОТОР ОНИПКО 2012 Алексей Федорович Онипко, Сергей Николаевич Василенко, Андрей Алексеевич Онипко. RU2550718C2 ВИНТ, КОНДУКТОР И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВИНТА 2019 Михайлов Владимир Викторович. RU2722198C1 ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 2018 Михайлов Владимир Викторович. RU2698941C1 Spiral blade unit and wind generator and blade connector for the unit 2015 CHO YEOUNG CHEOL [KR] и др. US20180142669A1 МОДУЛЬНОЕ ВЕТРОКОЛЕСО 2017 Яков Михайлович Кашин, Александр Яковлевич Кашин, Андрей Александрович Яковенко. RU2649166C1 ПАРУСНЫЙ ВЕТРЯК 2006 Стейнке Ричард А. Макгуайр Джон К. RU2419726C2 Ветроэнергетическая установка 2010 Анатолий Юрьевич Галецкий, Тарас Юрьевич Галецкий. WO2011109003A1

Использовались материалы интернет сайтов:

https://energo.house/veter/vetrogenerator-onipko.html Уникальные чертежи ветрогенератора Онипко, принцип работы и противоречивость конструкции.

The Archimedes представила эффективный бытовой ветрогенератор Liam F1 (zeleneet.com) Ветрогенератор «Liam F1».

Ветряк предназначен для преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения, для привода электрических генераторов, мельниц, водокачек и других устройств. В устройстве задняя широкая часть каждого паруса натянута непосредственно или с помощью канатов между верхней и нижней частью двух соседних больших кронштейнов; полотно каждого паруса изогнуто по дуге стропами-оттяжками, одни концы которых закреплены за ребра жесткости паруса, другие за вершину большого кронштейна, предыдущего по направлению вращения ротора первым двум большим кронштейнам, между которыми натянута задняя широкая часть паруса. Устройство оснащено механизмом принудительного сворачивания и разворачивания парусов при помощи системы роликов, тросов и электрической лебедки. При включении электрической лебедки тросы могут перемещаться в обоих направлениях, паруса при этом сворачиваются или разворачиваются. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Ветряк для привода электрического генератора, установленный на вертикальной мачте, оснащенной поворотным механизмом, имеет подшипниковый узел с горизонтальным консольным валом, отличающийся тем, что к консольному участку вала на расстоянии по его длине с помощью ступиц прикреплены малые и большие кронштейны, необходимые для натяжения парусов из гибкого материала, например из ткани, при этом передние узкие части парусов закреплены за малые кронштейны, а задняя широкая часть каждого паруса натянута непосредственно или с помощью канатов между верхней и нижней частью двух соседних больших кронштейнов; каждый парус имеет продольные, направленные от передней узкой к задней широкой его части, упругие ребра жесткости, выполненные, например, из композитных стеклопластиковых стержней; полотно каждого паруса изогнуто по дуге стропами-оттяжками, одни концы которых закреплены за ребра жесткости паруса, другие за вершину большого кронштейна, предыдущего по направлению вращения ротора первым двум большим кронштейнам, между которыми натянута задняя широкая часть паруса; собранный ротор с натянутыми парусами имеет коническую форму.

2. Ветряк по п.1, отличающийся тем, что задняя широкая часть каждого паруса между большими кронштейнами натянута с помощью системы роликов и тросов, где ролики расположены в верхней и нижней части каждого большого кронштейна, а тросы последовательно запасованы от нижнего к верхнему ролику каждого большого кронштейна, затем к нижнему ролику соседнего кронштейна и далее циклично по всей окружности ротора, образуя замкнутый контур; внешние углы задней широкой части каждого паруса, так же как и стропы-оттяжки, закреплены за тросы, связанные механически с встроенной в систему роликов и тросов электрической лебедкой, при включении которой тросы могут перемещаться в обоих направлениях, паруса при этом сворачиваются или разворачиваются.