ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2166665
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ВЕТРЯКА
Имя изобретателя: Толмачев В.Н.; Боровиков С.Н.; Савчук А.Д.; Лесина Л.Л.
Имя патентообладателя: Военный инженерно-технический университет
Адрес для переписки: 191185, Санкт-Петербург, ул. Захарьевская 22, ВИТУ, бюро по изобретательству и патентной работе
Дата начала действия патента: 2000.02.21
Изобретение относится к ветротехнике, а именно к ветродвигателям с
вертикальной остью вращения. Технический результат, заключающийся в повышении
эффективности и надежности ветродвигателя, обеспечивается за счет того, что в
ветродвигателе, содержащем конструкционный каркас с опорными подшипниковыми узлами
вертикального вала, кинематически связанного с потребителем механической энергии,
ветроколесо, жестко установленное на валу, полый направляющий аппарат, охватывающий
ветроколесо и установленный на валу с возможностью вращения и флюгирования, и
образующими конфузорно-диффузорный канал вертикальными стенками, одна из которых
вогнута во внутрь аппарата, регулировочное устройство ограничения потока воздуха,
согласно изобретению, ветроколесо выполнено полым и состоит из жестко закрепленных на
валу верхнего и нижнего горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними
неподвижно и равномерно установлены лопасти под углом к направлению радиуса
ветроколеса 0-180°, полый направляющий аппарат имеет внутреннюю вертикальную
перегородку, дополнительно образующую конфузорно-диффузорный канал со входа и выхода
потока воздуха, и в центре охватывает ветроколесо своим сектором с углом раскрытия 180°
и радиусом, большим и сравнимым с радиусом ветроколеса, наружная вертикальная стенка,
примыкающая к внутренней продольной перегородке, выполнена выпуклостью наружу,
регулировочное устройство выполнено в виде центробежного регулятора,
взаимодействующего при превышении допустимой угловой скорости ветроколеса с полым
направляющим аппаратом.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к экологически чистой ветроэнергетике, в частности к
ветродвигателям, имеющим вертикальную ось вращения, и может быть использовано для
выработки электроэнергии или выполнения механической работы, например, для создания
электростанций, в местах, где отсутствует электроэнергия и преобладают постоянные
ветры.
Известен ветродвигатель [1], содержащий вертикальный вал с кронштейнами и
прикрепленные к ним поворотные лопасти, контактирующие с упорами, выполненными в виде
установленных вокруг вала плоских панелей, которые своими краями соединены между
собой и кронштейнами, причем каждая из вершин углов, образованных соединениями панелей,
расположена на оси симметрии соответствующего кронштейна.
Известен ротор ветродвигателя [2] , содержащий вертикальную ось с укрепленной на ней
рамой, связанную со стойками, на которых расположены лопасти, установленные на
горизонтальных осях с возможностью ограниченного поворота, скрепленные под углом одна
к другой и имеющие длину, увеличивающуюся от центра к периферии. Ротор дополнительно
снабжен поворотными криволинейными лопастями, шарнирно закрепленными в местах
соединений горизонтальных осей и стоек.
Недостатками известных устройств по [1] и [2], являются:
- неуравновешенность ротора ветродвигателя, в связи с использованием поворотных
лопаток (и, как следствие, меняющийся центр тяжести всего ротора ветродвигателя),
которая приводит к биению ротора, особенно, на больших скоростях вращения (при сильном
ветре);
- как следствие, биение ротора приводит к большим динамическим нагрузкам на подшипники
оси вращения и на каркас ветроустановок в целом, что, в конечном итоге, ведет к снижению
надежности и увеличению удельной материалоемкости ветроустановок;
- механические удары поворотных лопастей об упоры (под воздействием ветра, особенно,
сильного) приводят к быстрому выходу из строя сопрягаемых деталей, а также создают
повышенный шум (стук), что неблагоприятно сказывается на экологической (шумовой)
обстановке района установки ветродвигателей и, особенно, на обслуживающем персонале;
- наличие множества поворотных узлов усложняет конструкцию, снижает ее надежность и
увеличивает стоимость установок, их обслуживания и ремонта.
Известен ветродвигатель [3] , содержащий установленное на вертикальном валу
ветроколесо с махами, на периферии которых размещены раскладные прямоугольные лопасти,
снабженные "Т"-образные стойками, с ограничителями в виде гибких связей, одни
концы которых связаны со стойками, а другие - с соответствующими вершинами лопастей, а
также генератор, кинематически связанный с ветроколесом.
Недостатками известного устройства [3] являются: - неуравновешенность ротора, что
требует усиления конструкции и увеличивает его материалоемкость и стоимость;
- механические удары (хлопки) лопастей (особенно, при сильном ветре), которые могут
привести к быстрому выходу лопастей из строя и создают повышенные шумы (вредную
акустическую обстановку) для обслуживающего персонала ветродвигателя и в районе его
установки в целом.
Известна ветроэлектроустановка [4], содержащая расположенный на фундаменте
вертикальный вал с траверсами с установленными на них лопастями со звездочками,
которые связаны соотношением 1:2 цепной передачей с блоком звездочек, соосно
размещенным на валу, и электрогенератор, причем вертикальный вал с жестко и соосно
закрепленным на нем статором электрогенератора и двумя звездочками установлен с
возможностью поворота, а траверсы с лопастями и ротором электрогенератора установлены
с возможностью вращения на верхнем конце вала, при этом каждая из звездочек вала
связана цепью с одной из половин звездочек лопастей.
Недостатком известного устройства [4] являются:
- динамическая неуравновешенность ротора в результате аэродинамических нагрузок,
сложность конструкции и, как следствие, ее низкая надежность и высокая стоимость;
- необходимость частой смазки звездочек с цепными передачами;
- необходимость установки целой системы слежения за направлением ветра и управления
поворотом ветроэнергоустановки, что дополнительно снижает ее надежность, и приводит к
неудобствам при ручном управлении и требует постоянного обслуживающего персонала.
Известен ветряной ротор [5], содержащий центральную ось с установленными на ней верхней
и нижними крышками, верхний и нижний пояса, укрепленные на центральной оси стенки-лопасти,
образующие равнообъемные сектора, образованные дугой радиуса пояса, с центром на
окружности пояса, при этом стенки лопасти выходят за окружность поясов и загнуты под
углом к окружности поясов.
Недостатком известного ветряного ротора [5] является его большое гидравлическое
сопротивление, так как ротор со стенками-лопастями представляют собой в проекции на
перпендикулярную потоку воздуха плоскость сплошной прямоугольник, не пропускающий
сквозь себя поток воздуха, что делает проблематичным его установку на судне в качестве
движителя (как указано в патенте [5]).
Прототипом предлагаемого изобретения является ветродвигатель [6], содержащий
конструкционный каркас с опорными подшипниками вертикального вала, на котором с
возможностью вращения установлен полый направляющий аппарат с боковыми стенками,
образующими конфузорно-диффузорный канал и, расположенное внутри полого
направляющего аппарата, жестко установленное на валу ветроколесо с лопастями.
Недостатками прототипа являются:
- большое аэродинамическое сопротивление ветроколеса;
- низкий эффект флюгирования полого направляющего аппарата с одной вогнутой стенкой;
- невозможность автоматического регулирования мощности ветродвигателя и его защиты от
перегрузок при порывах ветра, ураганах и т.д.
Указанные недостатки ставят задачу повышения эффективности и надежности
ветродвигателя.
Указанная задача достигается ниже описываемым ветродвигателем, содержащим
конструкционный каркас с опорными подшипниковыми узлами вертикального вала,
кинематически связанного с потребителем механической энергии, ветроколесо, жестко
установленное на валу, полый корпус - направляющий аппарат, охватывающий ветроколесо и
установленный на валу с возможностью вращения и флюгирования, и образующими
конфузорно-диффузорный канал вертикальными стенками, одна из которых вогнута во
внутрь аппарата, регулировочное устройство ограничения потока воздуха,
ветроколесо выполнено полым и состоит из жестко закрепленных на валу верхнего и
нижнего горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними неподвижно и
равномерно установлены лопасти, установленные под углом к направлению радиуса
ветроколеса от 0o до 180o,
полый направляющий аппарат имеет внутреннюю профильную перегородку, дополнительно
образующую конфузорно-диффузорный канал соответственно со входа и выхода потока
воздуха, и в центре охватывает ветроколесо своим сектором с углом раскрытия 180o и
радиусом, большим и сравнимым с радиусом ветроколеса, а наружная стенка, примыкающая к
внутренней продольной перегородке выполнена выпуклостью наружу,
регулировочное устройство ограничения потока воздуха выполнено в виде
автоматического самодействующего центробежного регулятора, установленного на
ветроколесе и взаимодействующего при превышении допустимой угловой скорости с полым
направляющим аппаратом,
полый направляющий аппарат в проекции на горизонтальную плоскость вписан в окружность,
имеющую единый центр с ветроколесом, конфузорная часть полого направляющего аппарата
выполнена более короткой и широкой, чем соответственно его диффузорная часть,
регулировочное устройство ограничения потока воздуха выполнено в виде установленного
на верхнем горизонтальном диске ветроколеса с возможностью вращения на оси "Г"-образного
коромысла, на вертикальном плече которого расположен груз, а на горизонтальном плече -
жестко укреплена фрикционная накладка, взаимодействующая при превышении допустимой
угловой скорости ветроколеса с внутренней поверхностью полого направляющего аппарата.
Введение полого ветроколеса, жестко установленного на валу и состоящего из жестко
закрепленных на валу верхнего и нижнего горизонтальных дисков, по периферии которых и
между ними неподвижно и равномерно установлены лопасти, необходимо для уменьшения
гидравлического сопротивления ветроколеса и повышения его эффективности.
Введение угла установки лопастей к его радиусу в диапазоне от 0o до 180o,
необходимо для выбора оптимального угла установки, который зависит от конфигурации и
размеров конфузорно-диффузорного канала полого направляющего аппарата, а также типа и
формы лопаток, которые могут быть самых различных видов.
Введение в корпус полого направляющего аппарата внутренней профильной перегородки,
дополнительно образующей конфузорно-диффузорный канал соответственно со входа и
выхода потока воздуха, и в центре охватывающей ветроколесо своим сектором с углом
раскрытия 180o и радиусом, большим и сравнимым с радиусом ветроколеса, необходимо
для повышения эффективности направляющего аппарата с ветроколесом в целом, то есть КПД
ветродвигателя.
Введение наружной вертикальной стенки, которая примыкает к внутренней профильной
вертикальной перегородке полого направляющего аппарата, выполненной выпуклостью
наружу, необходимо для повышения способности флюгирования корпуса полого
направляющего аппарата в целом.
Выполнение по форме корпуса полого направляющего аппарата так, что он в проекции на
горизонтальную плоскость вписан в окружность (по крайней мере тремя, из своих четырех
углов, - а четвертый угол находится внутри данной окружности), с одним центром с
ветроколесом, необходимо для определения зоны вращения полого направляющего аппарата,
которая определяет размеры конструкционного каркаса ветродвигателя и возможную зону
сквозного (для ветра) ограждения с целью обеспечения безопасности.
Выполнение конфузорной части полого направляющего аппарата более короткой и широкой,
чем соответственно его диффузорная часть, необходимо для повышения способности
флюгирования корпуса полого направляющего аппарата в целом.
Введение регулировочного устройства ограничения потока воздуха, выполненного в виде
самодействующего центробежного регулятора, установленного на ветроколесе и
взаимодействующего при превышении допустимой угловой скорости с полым направляющим
аппаратом и отклоняющего последний в сторону вращения ветроколеса пропорционально
силе ветра (то есть угловой скорости вращения ветроколеса, при ее превышении),
необходимо для уменьшения потока воздуха на ветроколесо и его предохранения от
перегрузок и поломок.
Выполнение самодействующего центробежного регулятора, установленного на верхнем
горизонтальном диске ветроколеса с возможностью вращения на оси "Г"-образного
коромысла, на вертикальном плече которого расположен груз, а на горизонтальном плече -
жестко укреплена фрикционная накладка, взаимодействующая при превышении допустимой
угловой скорости ветроколеса с внутренней поверхностью полого направляющего аппарата,
представляет собой один из возможных вариантов (один из простых и надежных вариантов)
выполнения регулятора-устройства ограничения потока воздуха.
Выполнение ветродвигателя в совокупности с вышеизложенными признаками (отличительными
признаками формулы изобретения) является новым для ветродвигателей, и, следовательно,
соответствует критерию "новизна".
Вышеприведенная совокупность отличительных признаков не известна на данном уровне
развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования
ветродвигателей и их вспомогательного оборудования, что доказывает соответствие
критерию "изобретательский уровень".
Конструктивная реализация ветродвигателя с указанной совокупностью существенных
признаков не представляет никаких конструктивно-технических и технологических
трудностей, откуда следует соответствие критерию "промышленная применимость".
|
|
|
|
|
На фиг. 1 представлен вид ветродвигателя спереди с разрезами подшипниковых узлов и
разборного кожуха кинематического соединения по Б-Б.
На фиг. 2 представлен схематический разрез ветродвигателя по А-А (вид сверху).
На фиг. 3a) представлена выноска I в разрезе по фронтальной плоскости и (на фиг. 3б)) по
линии В-В (регулировочного устройства ограничения потока воздуха в виде
автоматического самодействующего центробежного регулятора).
|
|
Ветродвигатель содержит (фиг. 1) конструкционный каркас, расположенный на основании 1 (бетонной
плите, грунте и так далее), и состоит из вертикальных стоек 2, верхней перекладины 3,
растяжек 4 и опорных подшипниковых узлов, соответственно, нижнего 5, расположенного на
основании 1, и верхнего 6 - в центре перекладины 3. В опорных подшипниковых узлах 5 и 6
установлен вертикальный вал 7, кинематически связанный ременной 8, цепной или другой
передачей с потребителем механической энергии 9, например, электрогенератором с
редуктором. На валу 7 установлено ветроколесо 10 (фиг. 1 и 2), состоящее из жестко
закрепленных на валу 7 соответственно верхнего 11 и нижнего 12 горизонтальных дисков, по
периферии которых и между ними неподвижно и равномерно установлены лопасти 13. Полый
направляющий аппарат 14, охватывающий ветроколесо 10 установлен на валу 7 (с возможностью
вращения и флюгирования), соответственно, на нижнем 15 и верхнем 16 подшипниках.
Вертикальные стенки (фиг. 2 и 1) образуют конфузорный канал 19 на входе в ветроколесо 10 и
диффузорный канал 20 на выходе воздуха из ветроколеса 10. Вертикальная внутренняя стена (перегородка)
18 охватывает ветроколесо 10 своим сектором с углом раскрытия 180o. Стенку 18 с
внешней стороны полого направляющего аппарата 14 закрывает вертикальная стенка 21,
которая выпукла наружу и образует внутри аппарата 14 между собой и стенкой 18 замкнутую
полость 22. Кинематическое соединение 8 вала 7 с потребителем механической энергии 9 (электрогенератором
с редуктором) снабжено разборным чехлом 23, необходимым для защиты последних и нижнего
подшипникового узла 5 от внешних воздействий. Верхний подшипниковый узел 6 закрыт
крышкой 24. Регулировочное устройство ограничения потока воздуха (фиг. 1 выноска I и фиг.
3a) и фиг. 3б)) содержит установленную в вырезе 25 верхнего диска 11 ветроколеса 10 с
возможностью вращения на оси 26, "Г"-образное коромысло 27, на вертикальном плече
которого расположен груз 28, а на горизонтальном плече коромысла 27 жестко укреплена
фрикционная накладка 29. Для удобства монтажа и регламента ось 26 укреплена пластинами 30
с разъемными соединениями, например винтовыми. Мощность электрогенератора
ветродвигателя может составлять от 5 до 100 кВт, в зависимости от размеров
электродвигателя. Установка ветроколеса ветродвигателя предпочтительна на высотах,
не менее 10-12 метров.
Ветродвигатель работает следующим образом. Поток движущегося воздуха (фиг. 2 и 1),
набегая на полый направляющий аппарата 14, благодаря вогнуто-выпуклому (соответственно
стенки 17 и 21 аппарата 14) исполнению и использованию эффекта флюгирования,
автоматически поворачивает аппарат 14 конфузорным каналом 19 против потока и в таком
положении устойчиво удерживается до тех пор, пока ветер не изменит своего направления.
Поток входящего воздуха сжимается в конфузорном канале 19 (образованном передними
участками стенок 17 и 18), и при этом происходит увеличение скорости потока воздуха и
направление его на лопасти 13 ветроколеса 10, от которого ветроколесо 10 получает
вращающий момент, который через вал 7 и кинематическую связь 8 передает потребителю
механической энергии 9 (электрогенератору с редуктором). Из ветроколеса 10 поток воздуха
попадает в диффузорный канал 20, где он расширяется (скорость потока при этом падает) и
выходит из аппарата 14. При сильном ветре (или при сильных порывах ветра) ветроколесо 10
начинает вращаться с угловой скоростью, близкой к допустимой (критической), при этом (фиг.
3) груз 28 коромысла 27 центробежной силой отклоняется по радиусу ветроколеса 10 и
поднимает свою горизонтальную полку с фрикционной пластиной 29, которая
взаимодействует с полым направляющим аппаратом 14 (трет о внутреннюю поверхность
верхней крышки аппарата 14) и тем самым поворачивает последний (против силы, создаваемой
эффектом флюгирования аппарата 14) в сторону вращения ветроколеса 10, при этом поток
воздуха, поступающий в конфузорный канал 19 и, соответственно, на ветроколесо 10
уменьшается и скорость его вращения падает. При сильном постоянном ветре может
наступить устойчивое равновесное положение аппарата 14 под некоторым углом к
направлению ветра, когда силы трения автоматического центробежного регулятора будут
уравновешены аэродинамической силой флюгирования аппарата 14.
При обслуживании ветродвигателя и его ремонте, для обеспечения неподвижности
ветроколеса 10 достаточно развернуть аппарат 14 его выпуклой стенкой против направления
ветра и зафиксировать его в таком положении каким-либо способом (например, при помощи
дополнительных растяжек).
Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в том, что по сравнению с
прототипом предложенное ветроколесо обладает меньшим гидравлическим сопротивлением
и, следовательно, оказывает меньшие нагрузки на вал и конструкционный каркас, что
повышает их надежность и долговечность. Уменьшение гидравлического сопротивления
ветроколеса, наряду с правильным выбором угла установок лопастей приводит к повышению
эффективности ветроколеса (КПД) и ветродвигателя в целом. И этому же способствует
наличие в центре полукруглой (охватывающей ветроколесо) дополнительной перегородки 18 (уменьшаются
завихрения воздуха после выхода потока из ветроколеса). Выполнение одной из стенок
выпуклой, а также конфузорной части аппарата 14 более широкой и короткой, чем его
диффузорная часть позволит усилить эффект флюгирования аппарата 14. А это позволит в
свою очередь уменьшить размеры аппарата 14, уменьшить его материалоемкость и стоимость,
а также уменьшить нагрузку на вал 7 и подшипниковые узлы. Выполнение регулировочного
устройства ограничения потока воздуха в виде автоматического центробежного
ограничителя позволит предохранить ветродвигатель от перегрузок и поломок и
обеспечить высокую надежность и долговечность ветродвигателя в целом, а также при
эксплуатации ветродвигателя обойтись минимальным числом обслуживающего персонала.
Целью повышения надежности и долговечности служит и использование разборного чехла 23
кинематического соединения вала с преобразователем механической энергии 9, состоящего
из электрогенератора с редуктором. Разборный чехол кинематического соединения вала с
преобразователем механической энергии необходим для защиты последних от воздействия
атмосферных осадков и пыли, а также для оперативного доступа при техническом
обслуживании или ремонте.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1 - Патент Российской Федерации N 20299885, 6 F 03 D 3/00, 3/06, 27.02.96 г. Бюл. N 6.
2 - Патент Российской Федерации N 20299886, 6 F 03 D 3/06, 27.02.96 г. Бюл. N 6.
3 - Патент Российской Федерации N 2059877, 6 F 03 D 1/00, 25.02.91 г.
4 - Патент Российской Федерации N 2030777, 6 F 03 D 3/02, 7/06, 10.03.95 г. Бюл. N 7.
5 - Патент Российской Федерации N 2008515, 5 F 03 D 3/06, 28.02.94 г. Бюл. N 4.
6 - Патент Российской Федерации N 2039308, 6 F 03 D 3/02, 09.07.95 г. Бюл. N 19.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Ветродвигатель, содержащий конструкционный каркас с опорными подшипниковыми узлами
вертикального вала, кинематически связанного с потребителем механической энергии,
ветроколесо, жестко установленное на валу, полый направляющий аппарат, охватывающий
ветроколесо и установленный на валу с возможностью вращения и флюгирования, и
образующими конфузорно-диффузорный канал вертикальными стенками, одна из которых
вогнута вовнутрь аппарата, регулировочное устройство ограничения потока воздуха,
отличающийся тем, что ветроколесо выполнено полым и состоит из жестко закрепленных на
валу верхнего и нижнего горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними
неподвижно и равномерно установлены лопасти под углом к направлению радиуса
ветроколеса 0 - 180°, полый направляющий аппарат имеет внутреннюю вертикальную
профильную перегородку, дополнительно образующую конфузорно-диффузорный канал
соответственно со входа и выхода потока воздуха, и в центре охватывает ветроколесо
своим сектором с углом раскрытия 180° и радиусом, большим и сравнимым с радиусом
ветроколеса, а наружная вертикальная стенка, примыкающая к внутренней продольной
перегородке, выполнена выпуклостью наружу, регулировочное устройство ограничения
потока воздуха выполнено в виде автоматического самодействующего центробежного
регулятора, установленного на ветроколесе и взаимодействующего при превышении его
допустимой угловой скорости с полым направляющим аппаратом.
2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что полый направляющий аппарат в проекции на
горизонтальную плоскость вписан в окружность, имеющую единый центр с ветроколесом,
конфузорная часть полого направляющего аппарата выполнена более короткой и широкой,
чем соответственно его диффузорная часть.
3. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что регулировочное устройство ограничения
потока воздуха выполнено в виде установленного на верхнем горизонтальном диске
ветроколеса с возможностью вращения на оси Г-образного коромысла, на вертикальном
плече которого расположен груз, а на горизонтальном плече жестко укреплена
фрикционная накладка, взаимодействующая при превышении допустимой угловой скорости
ветроколеса с внутренней поверхностью полого направляющего аппарата.
Версия для печати
Дата публикации 31.01.2007гг
вверх
|
