Оптимизированный ветродвигатель Российский патент 2025 года по МПК F03D3/02 F03D1/02 

Эффективность работы ветроэнергетических установок (ВЭУ) зависит от их конструкции и параметров основных элементов. Общей характерной особенностью ВЭУ работающих на основе возобновляемых источниках энергии является то, что для организованного подвода и отвода ВП к лопастям ВЭУ и от нее используются различного типа новые конструктивные решения. Изобретение относится к области нетрадиционной энергетики и может быть использовано как источник энергии. Наряду с победным шествием ВЭУ с горизонтальным валом(ВЭУГВ), в последние годы вновь пробудился интерес к более простым конструкции ВЭУ с вертикальным валом (ВЭУВВ), обладающим несколькими неоспоримыми достоинствами. Они выгодно отличаются от традиционных ВЭУГВ по таким характеристикам, как эффективность, простота конструкции, надежность, удобство технического обслуживания и ремонта. В качестве аналога рассмотрим "Безредукторный ветрогенератор конструкции Н.С. Голубенко " [agrostorv.com HYPERLINK "https://agrostory.com/energy/ukrainian-developer-has-created-an-innovative-wind-turbine/") HYPERLINK "https://agrostory.com/energy/ukrainian-developer-has-created-an-innovative-wind-turbine/"energy/ukrainian...has...an-innovative...] по Фиг. 1. Н.С. Голубенко предложил принципиально новую конструкцию - вместо одного громоздкого низкооборотного генератора установить малогабаритные генераторы с маленькими турбинами не где-нибудь, а непосредственно на лопастях несущей ветротурбины и обойтись без редуктора. Энергия ВП "ометаемой" площади несущей ветротурбины обеспечивает ее вращение с большой скоростью, так как работает она фактически без традиционной генераторной нагрузки, т.е. на холостом ходу (потери -это трение вала и сопротивление воздуха от ее лопастей). На рабочие ветроколеса, расположенные на лопастях несущей ветротурбины, кроме внешнего ВП действует ВП, создаваемый несущей ветротурбиной, вращающейся с высокой скоростью. При этом скорость результирующего ВП, воздействующего на рабочие ветроколеса, в разы превосходит скорость внешнего ВП. Общеизвестно, что энергия ВП пропорциональна кубу его скорости. В связи с этим несмотря на небольшую ометаемую площадь рабочих ветроколес, они вращаются с высокой скоростью вместе с генератором, формируя на его выходе значительную электрическую мощность. Это позволило при высокой скорости оборотов генераторов уменьшить их вес и стоимость.

В то же время конструкция ветрогенератора Н.С. Голубенко имеет ряд недостатков:

1. Ометаемая площадь рабочих ветроколес на порядок меньше ометаемой площади конструкции ветрогенератора. Это снижает результирующую энергоэффективность устройства.

2. Прочность несущих лопастей должна быть существенно завышена по сравнению с традиционными конструкциями (из-за закрепления на них 3-х генераторов весом в несколько тонн), что усложняет балансировку при наладке, приведет к завышению стоимости 1 квт установленной мощности ветрогенератора.

3. Ожидаются трудности при решении задачи преобразования электрической энергии одновременно работающих генераторов: применение индивидуального преобразования требует применения трех устройств преобразования или применения последовательного соединения напряжений генераторов. Это увеличивает зависимость результирующего напряжения от флуктуаций скорости ВП. Параллельное соединение генераторов требует дополнительных управляющих устройств для выравнивания напряжений генераторов, чтобы избежать возникновения уравнительных токов между ними.

В качестве прототипа рассмотрим "Ветродвигатель" [Патент RU № 2765324, Опубл. 28.01. 2022 г. Бюл. № 4], который содержит подстанцию управления, горизонтальный вал, конусный направитель воздушного потока(ВП) и ступицы разного уровня, на которых равномерно размещены лопасти. Лопасти имеют аэродинамическую форму. К горизонтальному валу крепится конусный направитель и ступица первого уровня. Горизонтальный вал с помощью проходных подшипников через поворотную головку с механизмом ориентации и муфту соединен с валом обращенного генератора, на корпусе которого закреплена ступица второго уровня и при наличии радиальных и соединительных стержней равномерно размещены аэродинамические лопасти второго уровня. Узлы и детали первого уровня относятся к первой ветротурбине ветродвигателя, а узлы и детали второго уровня - ко второй ветротурбине, и они вращаются в противоположных направлениях. Подстанция управления обеспечивает ориентацию "Ветродвигателя" на внешний ВП, уровень зарядного тока, который поддерживает постоянство заданного коэффициента скорости кромок лопастей λ для каждой из ветротурбин.

Особенность традиционных конструкций ВЭУГВ заключается в том, что существенно большая часть энергии ВП извлекается на периферии рабочей зоны, что связано как с увеличением коэффициента мощности от центра к периферии (эффективная рабочая зона из-за роста оборотной скорости от начала к концу лопасти и большей ометаемой площади ветроколеса на ее периферии - смотри Фиг. 2).

Известно, что подъемная сила отдельных фрагментов аэродинамической лопасти:

где ρ - массовая плотность воздуха, V - скорость движения крыла относительно ВП, S - площадь лопасти, Су - коэффициент подъемной силы лопасти.

Ввиду малого радиуса момент развиваемый лопастями первого ветроколеса "Ветродвигателя" мал. На лопасти первого ветроколеса прототипа действует результирующий вектор скорости V ВП. Векторная сумма скоростей от внешнего ВП и ВП, направленного по касательной к вращающееся лопасти- wR мала. Да и ометаемая площадь S первого ветроколеса мала по сравнению с ометаемой площадью второго ветроколеса.

Основным недостатком "Ветродвигателя"- прототипа является малая энергетическая эффективность его первого ветроколеса.

В связи с вышеизложенным, целесообразно вместо традиционной неэффективной рабочей зоны лопастей вблизи вала "Ветродвигателя" - его первого ветроколеса, разместить там специальную конструкцию из скоростных малых ВЭУВВ.

В процессе решения задачи по повышению энергоэффективности -"Ветродвигателя" в неэффективной зоне по Фиг. 2 разработана другая конструкция "Ветродвигателя" -(В). В состоит из 2-х ВЭУВВ и одного ВЭУГВ с лопастями в эффективной рабочей зоне. При разработке конструкции В решалась задача по увеличению результирующей скорости ВП, действующего на лопасти каждой из 2-х ВЭУВВ. Их валы через соединительные муфты подсоединены к входным валам конического редуктора, а его выходной вал заторможен и подсоединен к третьей транспортной стойке на колесе, установленном на рельсовом кольце. Причем корпус конического редуктора крепежным узлом жестко подсоединен к горизонтальному валу, связанному с энергоблоком. На горизонтальном валу перед энергоблоком закреплена ступица и на ней с помощью трех штанг, по длине равных вертикальным валам двух ВЭУВВ, закреплены лопасти ВЭУГВ, которые работают в эффективной рабочей зоне с повышенной скоростью результирующего ВП. Кроме вращения лопастей ВЭУВВ вокруг своих валов в В добавилось вращение их валов в плоскости перпендикулярной вектору внешнего ВП. На каждую лопасть ВЭУВВ действует результирующий вектор ВП, равный векторной сумме ВП 2-х перпендикулярно расположенных векторов ВП-внешнего и возникающего по касательной к ее лопастям при вращении валов ВЭУВВ в плоскости перпендикулярной вектору внешнего ВП. Причем энергоблок опирается на первые две транспортные стойки на направляющих колесах с электроприводами, расположенных на диаметре рельсового кольца, в то время как опорное колесо третьей транспортной стойки располагается на средине рельсового полукольца между направляющими колесами. Жесткая ориентация валов ВЭУВВ и ВЭУГВ относительно вектора внешнего ВП обеспечивается подстанцией управления. Ниже дано подробное описание конструкции В. На Фиг. 3 он показан со стороны вектора внешнего ВП, на Фиг. 4. дан его вид сверху, на Фиг. 5 показан его вид сбоку. В состав В входят две ВЭУВВ с лопастями аэродинамического профиля - 1, генераторный блок - 2, конический редуктор - 3, опорное колесо - 4, два ведущих колеса с электроприводами - 5, рельсовое кольцо - 6, заторможенный выходной вал конического редуктора - 7, крепежный узел - 8 к корпусу редуктора - 3, горизонтальный вал - 9, входные два вала конического редуктора - 10, валы ВЭУВВ - 11, соединительные муфты - 12, три транспортные стойки - 13, ступица ВЭУГВ - 14, штанги ВЭУГВ - 15, аэродинамические лопасти ВЭУГВ - 16.

Работа В. Ориентацию В обеспечивает подстанция управления, которая формирует команды на электроприводы ведущих колес- 5, задавая положение валов ВЭУВВ - 11 в плоскости перпендикулярной направлению внешнего ВП, а горизонтального вала-9 ВЭУГВ, параллельного направлению внешнего ВП. Под воздействием внешнего ВП на аэродинамические лопасти 1, 16 начинают вращаться валы 11 и 9 ветротурбин. Вращение валов 11 через муфты 12 передается на входные валы 10 конического редуктора 3, а выходной вал конического редуктора 7 заторможен (он присоединен к третьей транспортной стойке 13 с опорным колесом 4 на рельсовом кольце 6). В связи с тем, что выходной вал 7 заторможен, начинает вращаться вокруг него корпус конического редуктора 7. Вращение корпус редуктора 3 жестко подсоединен крепежным узлом 8 к горизонтальному валу 9 генераторного блока 2. Перед генераторным блоком 2 на горизонтальном валу закреплена ступица 14, на которой через штанги 15 закреплены лопасти ВЭУГВ 16. Вращение корпуса редуктора 3 передается через горизонтальный вал 9 в генераторный блок 2 и усиливается при вращении ВЭУГВ, закрепленном на этом же валу 9. Энергия с выхогда генераторного блока 2 подается в сеть потребителям. По сравнению с прототипом в В более эффективно используется "ометаемая" площадь.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано как источник энергии. Ветродвигатель содержит подстанцию управления, горизонтальный вал и ступицу, на которой размещены лопасти ветротурбины. Валы двух ветротурбин с вертикальными валами через соединительные муфты подсоединены к входным валам конического редуктора. Выходной вал редуктора заторможен и подсоединен к третьей транспортной стойке на колесе, установленном на рельсовом кольце. Корпус конического редуктора крепежным узлом жестко подсоединен к горизонтальному валу, на котором перед энергоблоком закреплена ступица. На ступице с помощью штанг, по длине равных вертикальным валам соответствующих ветротурбин, закреплены лопасти ветротурбины с горизонтальным валом. Энергоблок опирается на первые две транспортные стойки на направляющих колесах с электроприводами, расположенных на диаметре рельсового кольца. Опорное колесо третьей транспортной стойки располагается на средине рельсового полукольца между направляющими колесами. 5 ил.

Ветродвигатель, содержащий подстанцию управления, горизонтальный вал и ступицу, на которой размещены лопасти ветротурбины, отличающийся тем, что дополнительно содержит две ветротурбины с вертикальными валами, их валы через соединительные муфты подсоединены к входным валам конического редуктора, а выходной вал редуктора заторможен и подсоединен к третьей транспортной стойке на колесе, установленном на рельсовом кольце, причем корпус конического редуктора крепежным узлом жестко подсоединен к горизонтальному валу, на котором перед энергоблоком закреплена ступица, и на ней с помощью штанг, по длине равных вертикальным валам соответствующих ветротурбин, закреплены лопасти ветротурбины с горизонтальным валом, а энергоблок опирается на первые две транспортные стойки на направляющих колесах с электроприводами, расположенными на диаметре рельсового кольца, причем опорное колесо третьей транспортной стойки распологается на средине рельсового полукольца между направляющими колесами.