Ветродвигатель с N лопастных винтов Российский патент 2024 года по МПК F03D1/02 F03D7/02 F03D15/00 

Изобретение относится к возобновляемой энергетике, в частности к ветроэнергетике, и может быть использовано как источник электрической энергии.

В мировом эксплуатируемом парке ветровые энергетические установки (ВЭУ) с горизонтальным валом (ВЭУГВ) пропеллерного типа составляют более 90%. Их серийным выпуском занимаются тысячи предприятий. Недостатком конструкции ВЭУГВ является малая поверхность лопасти, а как следствие этого - начальный крутящий момент близок к нулю, и поэтому запуск таких ВЭУ затруднен. Крупные установки ВЭУ вообще приходится раскручивать от постороннего источника. Скорость концов лопастей роторов таких ВЭУГВ при сильном воздушном потоке (ВП) может приближаться к скорости звука, создавая шум как у винтомоторного самолета и помехи для электронных устройств. Их лопасти бьют птицу и другую летающую живность. Наиболее распространены ВЭУГВ с трехлопастной компоновкой. Как правило, это скоростные ветротурбины максимально возможной единичной мощности. Выработка электроэнергии ВЭУГВ зависит от размера ее ротора и в настоящее время на рынке доступны ВЭУГВ с большим диаметром ротора (>175 м). Производители, стремящиеся к большей экономической эффективности ВЭУГВ, использовали возможность масштабирования конструкции с помощью последних моделей. В настоящее время производители получают большую экономическую эффективность ВЭУГВ за счет увеличения их размера лопастей (т.е. "ометаемой " площади), а не за счет повышения эффективности лопастей. Однако увеличение размера лопастей и, следовательно, "ометаемой" площади и мощности ВЭУГВ традиционной конструкции ограничено их прочностными свойствами и надежностью. Для существенного увеличения "ометаемой" площади и мощности ВЭУ необходима разработка принципиально новых конструкций.

Известен многомодульный комплекс маломощных ветроэнергетических установок с горизонтальным валом "Венец" (ВЭУГВ) с общей системой ориентации на вектор ВП [Хаскин Л.А. Башня из ветроэнергетических модулей. М. Наука и жизнь, №9, 2003 г, с. 70-72], принятый нами за аналог. Многомодульные ВЭУГВ состоят из одного-двух десятков небольших ветроколес диаметром до 2 м. Причина большинства недостатков традиционных ВЭУГВ, приводящих к потере мощности, кроется в особом характере обтекания концов их лопастей. Чтобы изменить его, разработчики решили поместить ветроколесо (пропеллер) модуля ВЭУГВ в кольцевой обтекатель и закрепить на центральном теле с помощью профилированных лопаток. Лопатки создают предварительную закрутку ВП на подходе к ветроколесу. Таким образом, устраняются закрутка на выходе из него и связанные с этим явлением потери мощности, достигающие в обычных ВЭУГВ 5-10%. Кольцевой обтекатель существенно снижает шум работающего ветроколеса. На входе он закрыт сеткой, обеспечивающей защиту птиц. Недостатки многомодульного комплекса ВЭУГВ:

1. Наличие нескольких генераторов на некоторую суммарную выходную мощность значительно дороже одного генератора на ту же мощность.

2. Передача стандартному потребителю энергии, получаемой от нескольких генераторов с разными выходными параметрами, требует дополнительных затрат.

Известна ВЭУГВ, содержащая несколько ветроколес (лопастных винтов) разного диаметра [Устройство ветродвигателя, содержащего лопастные винты разного диаметра, расположенные в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения от винта малого диаметра к следующему винту большего диаметра относительно предыдущего с зазором между ними. Фролов М.П. Патент №2654662, опубл. 21.05.2018 г., Бюл. №15], принятая нами за прототип. В ней лопастные винты разного диаметра расположены в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения. Эти лопастные винты от малого диаметра к следующему винту большего диаметра располагаются с зазором. Тихоходные лопастные винты и быстроходные лопастные винты расположены со смещением на равный угол с возможностью неперекрывания лопастей винтов вдоль общей оси вращения. Причем такая ВЭУГВ выполнена с возможностью самоустановки по потоку ветра при набегании потока ветра под углом к общему валу вращения. Это техническое решение имеет ряд недостатков:

1. Ветроколеса (лопастные винты) составляют значительную часть стоимости ВЭУГВ традиционной конструкции. Известно, что их мощность зависит от "ометаемой " площади, определяемой диаметром его ветроколеса. Применение нескольких ветроколес, "ометаемая" площадь которых определяется в основном диаметром наибольшего ветроколеса, явно нецелесообразно.

2. Конструкция анализируемой ВЭУ недоработана, так как отсутствует энергетический блок по выводу получаемой энергии потребителю, отсутствуют также технические средства ориентации его на поток ветра.

Изобретение относится к области техники нетрадиционной энергетики - ветроэнергетике. Разработан ветродвигатель с N лопастных винтов (BNЛB). При разработке конструкции нового ВNЛВ решалась задача по минимизации ряда недостатков ВЭУГВ традиционных конструкций. Решено заменить достигшие предела по величине и прочности лопастные винты традиционной конструкции на N лопастных винтов приемлемой величины для существенного повышения "ометаемой" площади, мощности и надежности конструкции, существенного снижения экологических проблем и стоимости одного кВт установленной мощности в конструкции ВNЛВ.

На Фиг.1 показана BNЛB со стороны направления ветра, на Фиг. 2 показан BNЛB, вид сверху, на Фиг. 3 показан BNЛB, вид сбоку.

BNЛB состоит из N лопастных винтов (ЛВ) 1, имеет блок управления и комплект датчиков, управляющий электроприводами двух направляющих колес 13 (12). Оси его ЛВ 2 закрепляются на горизонтальных участках прямоугольной рамы базовой конструкции 8 с помощью подшипников 3. На концах этих осей закреплены рабочие звездочки 6. Кроме того, в верхних углах прямоугольной рамы базовой конструкции 8 с помощью подшипников 3 закрепляются оси 4 двух направляющих звездочек 7, а на нижних ее углах - более длинные оси с генераторными звездочками 10. Оси генераторных звездочек 11 подсоединены через соединительные муфты 12 к генераторным блокам 9, выходы последних подсоединены к сети потребителя. Все звездочки ВNЛВ объединены с помощью цепной трансмиссии 5, [https://perevozka24.ru/pages/metallicheskie-gusenicy-dlya-spectehniki], причем она закреплена (наложена) сверху всех его звездочек 6,7, кроме генераторных 10, которые охватываются цепной трансмиссией 5 снизу. Базовая конструкция 8 установлена на рельсовом кольце 16 и опирается на три колеса, два направляющих колеса 13 расположены на диаметре рельсового кольца 16, а третье опорное колесо 14 на рельсовой полуокружности посередине между ними на части базовой конструкции, расположенной перпендикулярно к прямоугольной раме по центру ее нижней части. Первые два направляющих колеса 13 имеют электроприводы 15 и по командам с блока управления выставляют базовую конструкцию 8 относительно направления ветра так, чтобы лопастные винты 1 находились в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению ветра.

Работа ВNЛВ

Для эффективной работы ВNЛВ необходимо провести ориентацию всех N его ЛВ 1 так, чтобы они находились в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению ветра. Блок управления и комплект датчиков формируют команды управления электроприводам 15 двух направляющих колес 13, которые осуществляют ориентацию ВNЛВ. Под воздействием ветра на ЛВ 1 их оси 2, которые закреплены с помощью подшипников 3 в прямоугольной раме базовой конструкции 8, начинают вращаться. На концах этих осей 2 вдоль горизонтальных сторон прямоугольной рамы базовой конструкции 8 закреплены рабочие звездочки 6. Они объединены цепной трансмиссией 5, закрепленной сверху (наложены) не только на вращающихся рабочих звездочках 6, но и на направляющих звездочках 7. Генераторные звездочки 10 закрепляются (охватываются) цепной трансмиссией 5 снизу. Вращающиеся рабочие звездочки 6 передают энергию вращения со всех N ЛВ 1 на цепную трансмиссию 5, которая передает эту суммарную энергию N вращающихся ЛВ 1 через генераторные звездочки 10 в 2 генераторных блока 9, работающих синхронно на сеть потребителя. Это упрощает съем энергии потребителю при работе двух блоков 9 или работу одного блока при ремонте второго. Конструкция заявляемого ветродвигателя предполагает практически неограниченное увеличение его "ометаемой" площади и мощности при приемлемых размерах лопастей относительно известных мощных ВЭУГВ традиционной конструкции с гигантскими лопастями. Сегодня величина этих лопастей ограничивается в традиционных конструкциях ВЭУГВ прочностью материалов и технологической сложностью изготовления.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике, в частности к ветроэнергетике, и может быть использовано как источник электрической энергии. Ветродвигатель содержит лопастные винты в вертикальной плоскости и выполнен с возможностью самоустановки по направлению потока ветра. Оси лопастных винтов закрепляются на горизонтальных участках прямоугольной рамы базовой конструкции с помощью подшипников. За базовой конструкцией на концах этих осей закреплены рабочие звездочки. В верхних углах прямоугольной рамы базовой конструкции с помощью подшипников закрепляются оси направляющих звездочек, а на нижних углах более длинные оси с генераторными звездочками, подсоединенными через муфты к генераторным блокам, выходы которых подсоединены к сети потребителя. Все звездочки ветродвигателя объединены с помощью цепной трансмиссии, последняя закреплена сверху всех звездочек ветродвигателя, кроме генераторных, которые охватываются цепной трансмиссией снизу. Базовая конструкция установлена на рельсовом кольце и опирается на три колеса, два направляющих колеса расположены на нижнем участке прямоугольной рамы и непосредственно на диаметре рельсового кольца, а третье опорное колесо посередине рельсовой полуокружности между ними на части базовой конструкции, расположенной перпендикулярно к прямоугольной раме по центру ее нижней части. Направляющие колеса имеют электроприводы и по командам с блока управления, соединенного с комплектом датчиков, выставляют базовую конструкцию относительно направления ветра так, чтобы лопастные винты находились в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению ветра. 3 ил.

Ветродвигатель, содержащий N лопастных винтов в вертикальной плоскости, и при этом он выполнен с возможностью самоустановки по потоку ветра к их осям вращения, отличающийся тем, что он имеет блок управления и комплект датчиков, а оси его лопастных винтов закрепляются на горизонтальных участках прямоугольной рамы базовой конструкции с помощью подшипников, причем за базовой конструкцией на концах этих осей закреплены рабочие звездочки, кроме того, в верхних углах прямоугольной рамы базовой конструкции с помощью подшипников закрепляются оси направляющих звездочек, а на нижних углах более длинные оси с генераторными звездочками, эти оси подсоединены через муфты к генераторным блокам, выходы которых подсоединены к сети потребителя; причем все звездочки ветродвигателя объединены с помощью цепной трансмиссии, последняя закреплена сверху всех звездочек ветродвигателя, кроме генераторных, которые охватываются цепной трансмиссией снизу; базовая конструкция установлена на рельсовом кольце и опирается на три колеса, два направляющих колеса расположены на нижнем участке прямоугольной рамы и непосредственно на диаметре рельсового кольца, а третье опорное колесо посередине рельсовой полуокружности между ними на части базовой конструкции, расположенной перпендикулярно к прямоугольной раме по центру ее нижней части, причем первые два направляющих колеса имеют электроприводы и по командам с блока управления выставляют базовую конструкцию относительно направления ветра так, чтобы лопастные винты находились в вертикальной плоскости перпендикулярной направлению ветра.