ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2136958
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
С ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ МОЩНОСТИ И СПОСОБ ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ В ВЕТРОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Имя изобретателя: Малышкин Виктор Михайлович; Калашников Сергей Петрович
Имя патентообладателя: Малышкин Виктор Михайлович; Калашников Сергей Петрович
Адрес для переписки: 392000, Тамбов, ул.М.Горького 16, кв.7, Калашникову Сергею Петровичу
Дата начала действия патента: 1998.05.14
Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к безредукторным
ветроэнергетическим двигателям для использования энергии ветра и выработки
электрической энергии. Технический результат, заключающийся в обеспечении равномерно
распределенной передачи реакции ветрового потока от лопастей ветроколеса к
электрогенератору, устранении устройств преобразования и передачи крутящего момента,
уменьшении массы устройства и монтажа, достигается тем, что ветроэнергетическое
устройство с пневматической передачей мощности, содержащее горизонтальную ось
вращения, воздушную турбину, электрогенератор, систему управления и ветроколесо,
согласно изобретению содержит центральный подшипник, концентратор энергии в виде
входного сужающегося конусообразного диффузора, кольцевой вращающийся обод
ветроколеса, соединенный с лопастями, управляемые клапаны, соединяющие внутренние
полости обода и/или лопастей с атмосферой, при этом лопасти ветроколеса имеют
дугообразную форму с прогибом в направлении, противоположном направлению вращения.
При осуществлении способа пневматической передачи мощности, заключающегося в
прокачивании через воздушную турбину воздушного потока, создаваемого в полых лопастях
при вращении ветроколеса, согласно изобретению воздушный поток захватывается
вращающимся ветроколесом на периферии и проходит через ветроколесо в направлении от
периферии к центру вращения при давлении больше атмосферного.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности относится
к области ветроэнергетики, а именно, к безредукторным ветроэнергетическим двигателям
для использования энергии ветра и выработки электрической энергии.
Известно ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности,
содержащее горизонтальную ось вращения, воздушную турбину, электрогенератор, систему
управления и ветроколесо, принятое за прототип. (см. Я.И. Шефтер "Изобретателю о
ветродвигателях и ветроустановках", М., издательство Министерства сельского
хозяйства СССР, 1957, с. 53-54, рис. 43).
К недостаткам описанного устройства относятся меньший КПД устройства, наличие внешних
нагрузок, действующих на конструкцию лопастей за счет разрежения в рабочих полостях
ветроколеса, большая материалоемкость, массивность.
Известен способ пневматической передачи мощности в ветроприемных устройствах,
заключающийся в прокачивании через воздушную турбину воздушного потока, создаваемого
в полых лопастях при вращении ветроколеса, принятый за прототип (см. SU 55996, кл. F 03 D 1/00,
30.11.39).
Технический результат, заключающийся в обеспечении равномерно распределенной
передачи реакции ветрового потока от лопастей ветроколеса к электрогенератору,
устранения устройства преобразования и передачи крутящего момента, уменьшении массы
ветроэнергетического устройства, упрощения монтажа конструкции ветроэнергетического
устройства, использовании энергии ветра для приведения ветроколеса в рабочее
положение, уменьшении себестоимости электроэнергии, достигается тем, что
ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее
горизонтальную ось вращения, воздушную турбину, электрогенератор, систему управления
и ветроколесо, согласно изобретению содержит центральный подшипник, концетратор
энергии в виде входного сужающегося конусообразного диффузора, кольцевой вращающийся
обод ветроколеса, соединенный с лопастями, управляемые клапаны, соединяющие
внутренние полости обода и/или лопастей с атмосферой, при этом лопасти ветроколеса
имеют дугообразную форму с прогибом в направлении, противоположном направлению
вращения. При реализации способа пневматической передачи мощности, заключающегося в
прокачивании через воздушную турбину воздушного потока, создаваемого в полых лопастях
при вращении ветроколеса, согласно изобретению воздушный поток захватывается
вращающимся ветроколесом на периферии и проходит через ветроколесо в направлении от
периферии к центру вращения при давлении больше атмосферного.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Фиг. 1 -
ветроэнергетическое устройство в рабочем положении; на фиг. 2 - схема пневматической
передачи мощности (продольное сечение); на фиг. 3 - схема пневматической передачи
мощности (поперечное сечение); на фиг. 4 - схема крепления лопастей устройства передними
и задними растяжками; на фиг. 5 - ветроэнергетическое устройство в нерабочем положении.
Предлагаемое ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности
содержит опорную башню 1 (фиг. 1) с поворотным узлом 2 для ориентации ветроколеса на
горизонтальной оси 3 по направлению ветра. Полая горизонтальная ось 3 вращается на
центральном подшипнике 4, размещенном в поворотном узле 2 (фиг. 2).
Ветроколесо выполнено из жестких, полужестких или гибких воздухонепроницаемых
материалов, например из ткани, содержит диффузорный усилитель в виде кольцевого обода
5, охватывающего лопасти 6 (фиг. 1). Кольцевой обод 5 и лопасти 6 имеют сообщающиеся
продольные полости 7, которые соединены с приемным соплом 8 воздушной турбины 9 (фиг. 3).
На внешнем периметре кольцевого обода 5 находятся управляемые воздушные клапаны 10,
через которые внутренние полости обода 5 соединяются с атмосферой. Лопасти 6
ветроколеса (на виде со стороны ветрового потока) имеют дугообразную форму с прогибом в
направлении, противоположном направлению вращения, и обеспечивающую при вращении
ветроколеса перемещение нагнетаемого воздуха вдоль продольных полостей 7 в лопастях 6
от периферии к турбине 9. Воздушная турбина 9 размещена на горизонтальной оси 3 и
соединена валом 11, проходящим по внутренней полости оси 3, с электрогенератором 12,
который может работать как в режиме электрогенератора, так и в режиме электродвигателя.
Электрогенератор 12 размещен в поворотном узле 2 (фиг. 2).
|
Для крепления и удержания ветроколеса в рабочем положении оно содержит радиально
расположенные передние тросы 13 и задние тросы 14. Передние тросы 13 подвешены одним
концом на переднем ребре обода 5, а другим концом на фланце 15 горизонтальной оси 3.
Задние тросы 14 подвешены одним концом на заднем ребре обода 5, а другим концом на фланце
15 горизонтальной оси 3. Длины передних и задних тросов 13 и 14 определяют угол атаки обода
5 к набегающему ветровому потоку, который устанавливается в зависимости от требуемой
величины конусности диффузорного усилителя.
Передние растяжки 16 крепятся одним концом к промежуточным точкам передних кромок 17
лопастей 6, а другим концом к переднему ребру жесткости 18 обода 5 в направлении,
противоположном реакции ветрового потока (фиг. 4). Задние растяжки 19 крепятся одним
концом к промежуточным точкам задних кромок 20 лопастей 6, а другим концом к заднему
ребру жесткости 21 обода 5 также в направлении, противоположном реакции ветрового
потока. Длины передних и задних растяжек 16 и 19 определяют угол атаки лопастей 6, который
устанавливается в зависимости от скорости ветра, радиуса рассматриваемого
поперечного сечения лопасти 6 и требуемой угловой скорости вращения ветроколеса.
По периметру выходного сопла 22 (фиг. 2) воздушной турбины 9 размещены поворачивающиеся
регулирующие заслонки 23, которые позволяют изменять площадь сечения выходного сопла 22
и регулировать количество воздуха, проходящего через воздушную турбину 9. Управление
регулирующими заслонками осуществляется системой автоматического управления (на
схеме не показана).
В нерабочем положении ветроколесо под собственным весом складывается и провисает на
оси 3 и тросах 13, 14 и растяжках 16 и 19 в состоянии, показанном на фиг. 5.
Для приведения ветроэнергетического устройства в рабочее положение
электрогенератора 12 включается в режиме электродвигателя и вращает воздушную турбину
9. Вращающаяся турбина 9 при закрытых клапанах 10 нагнетает воздух из атмосферы во
внутренние полости 7 лопастей 6 и кольцевого обода 5. Под действием избыточного давления
воздуха происходит надувание и образование ветроколеса с аэродинамической формой
лопастей 6, необходимой и достаточной для его раскручивания под действием набегающего
потока ветра. По мере увеличения угловой скорости ветроколеса под действием
центробежных сил продолжается его разворачивание в форму тела вращения, увеличивается
его жесткость. После достижения расчетной угловой скорости ветроколеса, при которой
лопасти 6 и кольцевой обод 5 ветроколеса приобретают требуемые формы, системой
автоматического управления прекращается принудительное вращение турбины 9,
открываются клапаны 10 на внешнем контуре обода 5. Ветроколесо, вращаемое ветровым
потоком, захватывает через клапаны 10 наружный воздух и нагнетает его во внутренние
полости 7 обода 5. Из внутренней полости 7 обода 5 поток нагнетаемого воздуха по
продольным каналам в лопастях 6 подается к приемному соплу турбины 9, проходит через
турбину 9, приводит ее во вращение и через заднее сопло выходит в атмосферу. Турбина 9,
вращаемая потоком воздуха, приводит во вращение электрогенератор 12, вырабатывающий
электроэнергию.
При изменении направления ветрового потока поворотный узел 2 для ориентации оси 3
вращения ветроколеса по направлению ветра поворачивается электроприводом в нужном
направлении по командам системы управления (на схеме не показана).
При изменении скорости ветра внутри рабочего диапазона скоростей возможно управление
ветроколесом по нескольким параметрам: изменением формы и/или размеров диффузорного
усилителя (обода 5), изменением углов атаки лопастей 6, изменением количества воздуха
проходящего через полости 7 и турбину 9.
Изменение формы и размеров диффузорного усилителя осуществляется изменением длины
радиально расположенных передних и задних тросов 13 и 14. Например, увеличение длины
задних тросов 14 при неизменной длине передних тросов 13 позволит под действием ветра
переместить точки заднего ребра обода 5 относительно точек переднего ребра и уменьшить
угол атаки обода к набегающему потоку воздуха. Увеличение угла атаки обода 5 и,
соответственно, концентрации ветрового потока производится увеличением длины
передних тросов 13 и/или уменьшением длины задних тросов 14.
Углы атаки лопастей 6 регулируются изменением длины передних и задних растяжек 16 и 19.
Например, уменьшение длины передних растяжек 16 приводит к смещению передней кромки 17
лопасти 6 в направлении к оси вращения и относительно задних кромок 20 и, соответственно,
уменьшению угла атаки относительно набегающего потока воздуха. Уменьшение длины
задних растяжек 19 приводит к смещению задних кромок 20 лопастей 6 в направлении к оси
вращения и относительно передних кромок 17 и, соответственно, увеличению угла атаки
лопасти 6 относительно набегающего потока воздуха.
При увеличении скорости ветрового потока происходит увеличение скорости и количества
воздуха, прокачиваемого через турбину 9 и, соответственно, увеличение частоты вращения
воздушной турбины 9 и элекрогенератора 12, что может повлиять на качество
вырабатываемой электроэнергии. Поэтому для поддержания частоты вращения турбины 9 в
заданном диапазоне система автоматического управления закрывает заслонки 21, уменьшая
площадь сечения выходного сопла и уменьшая количество воздуха, проходящего через
турбину 9 и, соответственно, уменьшается частота вращения воздушной турбины 9 и
электрогенератора 12. При уменьшении скорости ветра воздушные заслонки 21 раскрываются,
увеличивая площадь сечения выходного сопла, количество воздуха, проходящего через
турбину 9 и, соответственно, увеличивается частота вращения воздушной турбины 9 и
электрогенератора 12.
При резком увеличении скорости ветра до значений, превышающих расчетное (рабочее)
система автоматического управления закрывает клапаны 10 на кольцевом ободе 5, включает
электрогенератор 12 в режим электродвигателя с питанием от резервного источника и
полностью открывает регулирующие заслонки 21 на выходном сопле воздушной сопле
воздушной турбины 9. Вращающаяся воздушная турбина 9 создает во внутренних полостях 7
лопастей 6 и кольцевого обод 5 разрежение (давление меньше атмосферного), под действием
более высокого атмосферного давления геометрические размеры лопастей 6 и обода 5
уменьшаются и, соответственно, уменьшается лобовое сопротивление ветровому потоку.
При определенной гибкости элементов ветроколеса происходит его сворачивание в
безопасное положение.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Ветроэнергетическое устройство с пневматической передачей мощности, содержащее
горизонтальную ось вращения, воздушную турбину, электрогенератор, систему управления
и ветроколесо, отличающееся тем, что устройство содержит центральный подшипник,
концентратор энергии в виде входного сужающегося конусообразного диффузора,
кольцевой вращающийся обод ветроколеса, соединенный с лопастями, управляемые клапаны,
соединяющие внутренние полости обода и/или лопастей с атмосферой, при этом лопасти
ветроколеса имеют дугообразную форму с прогибом в направлении, противоположном
направлению вращения.
2. Способ пневматической передачи мощности в ветроприемных устройствах, заключающийся
в прокачивании через воздушную турбину воздушного потока, создаваемого в полых
лопастях при вращении ветроколеса, отличающийся тем, что воздушный поток
захватывается вращающимся ветроколесом на периферии и, при давлении больше
атмосферного, проходит через ветроколесо в направлении от периферии к центру вращения.
Версия для печати
Дата публикации 18.01.2007гг
вверх
|
