ветродвигатель

Формула изобретения

Ветродвигатель, содержащий конструкционный каркас с опорными подшипниковыми узлами вертикального вала, кинематически связанного с потребителем механической энергии, жестко установленное на валу полое ветроколесо из двух горизонтальных дисков с лопастями, полый выпукло-вогнутый направляющий аппарат, установленный с возможностью вращения и флюгирования и содержащий внутреннюю профильную перегородку, охватывающую ветроколесо и образующую конфузорно-диффузорный канал с вертикальными стенками, регулировочное устройство ограничения потока воздуха, отличающийся тем, что в конфузорном и диффузорном каналах полого выпукло-вогнутого направляющего аппарата установлены направляющие (аэродинамические) лопатки и на входе конфузорного канала установлена сетка, укрепленная по его периметру.

Описание изобретения к патенту

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 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 аналога 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.

Прототипом предлагаемого изобретения является ветродвигатель [2], содержащий конструкционный каркас с опорными подшипниковыми узлами вертикального вала, кинематически связанного с потребителем механической энергии, жестко установленное на валу полое ветроколесо, состоящее из двух горизонтальных дисков с лопастями, полый выпукло-вогнутый направляющий аппарат, установленный на валу с возможностью вращения и флюгирования и содержащий внутреннюю профильную перегородку, охватывающую ветроколесо и образующую конфузорно-диффузорный канал с вертикальными стенками, регулировочное устройство ограничения потока воздуха.

Недостатками прототипа являются:

- возникающие на входе и выходе ветроколеса завихрения воздуха, которые значительно снижают эффективность преобразования энергии поступающего потока воздуха в крутящий момент вала ветроколеса;

- возможны травмы (и гибель) птиц, попадающих между ветроколесом и полым направляющим аппаратом.

Указанные недостатки ставят задачу повышения эффективности преобразования энергии ветра и, следовательно, повышения мощности ветродвигателя, а также исключения травм и гибели птиц.

Указанная задача достигается нижеописываемым ветродвигателем, содержащим конструкционный каркас с опорными подшипниковыми узлами вертикального вала, кинематически связанного с потребителем механической энергии, жестко установленное на валу полое ветроколесо из двух горизонтальных дисков с лопастями, полый выпукло-вогнутый направляющий аппарат, установленный с возможностью вращения и флюгирования и содержащий внутреннюю профильную перегородку, охватывающую ветроколесо и образующую конфузорно-диффузорный канал с вертикальными стенками, регулировочное устройство ограничения потока воздуха, дополнительно в конфузорном и диффузорном каналах полого выпукло-вогнутого направляющего аппарата установлены направляющие (аэродинамические) лопатки и на входе конфузорного канала установлена сетка, укрепленная по его периметру.

Установка (монтаж) в конфузорном и диффузорном каналах полого выпукло-вогнутого направляющего аппарата направляющих (аэродинамических) лопаток необходима для уменьшения завихрений воздуха, возникающих на входе и выходе ветроколеса, значительно снижающих эффективность преобразования энергии поступающего потока воздуха в крутящий момент вала ветроколеса.

Установка (монтаж) на входе конфузорного канала сетки, укрепленной по его периметру, необходима для исключения возможных травм (и гибели) птиц, попадающих между ветроколесом и полым направляющим аппаратом.

Выполнение ветродвигателя в совокупности с вышеизложенными признаками (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 схематический вид ветродвигателя спереди с разрезом по Б-Б.

На фиг.2 представлен схематический разрез по А-А ветродвигателя (на фиг.1, вид сверху).

Ветродвигатель содержит (см. фиг.1 и 2) конструкционный каркас, расположенный на основании 1 (бетонной плите, грунте и так далее). Конструкционный каркас 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, состоящее из жестко закрепленных на валу 7 соответственно верхнего и нижнего горизонтальных дисков, по периферии которых и между ними неподвижно и равномерно установлены лопасти. Полый направляющий аппарат 11, охватывающий ветроколесо 10, установлен на валу 7 (с возможностью вращения и флюгирования), соответственно, на нижнем 12 и верхнем 13 подшипниках. Вертикальные стенки полого направляющего аппарата 11 образуют конфузорный (входной) и диффузорный (на выходе) каналы для потока проходящего воздуха. В конфузорном канале установлены входные направляющие лопатки 16, а в дифузорном канале - выходные направляющие лопатки 17. На входе конфузорного канала установлена сетка (защитная) 18, укрепленная по его периметру (по площади входа в конфузорный канал полого направляющего аппарата 11). Размеры ячеек сетки 18 могут быть сравнимы с линейным зазором между ветроколесом 10 и полым направляющим аппаратом 11. Сетка предпочтительно должна быть выполнена из тонкого высокопрочного материала, например, из стальной проволоки, покрытой антикоррозийным покрытием. Сетка должна обладать малым аэродинамическим сопротивлением проходящему через нее потоку воздуха.

Ветродвигатель работает следующим образом. Поток движущегося воздуха, набегая на полый направляющий аппарат 11, благодаря его вогнуто-выпуклому исполнению и использованию эффекта флюгирования, автоматически поворачивает аппарат 11 конфузорным каналом (с уставленными в нем входными лопатками 16, защитной сеткой 18) против потока и в таком положении устойчиво удерживается до тех пор, пока ветер не изменит своего направления. Поток входящего воздуха сжимается в конфузорном канале без завихрений, благодаря прохождению через входные лопатки, при этом происходит увеличение скорости потока воздуха и направление его на лопасти ветроколеса 10. Ветроколесо 10 получает вращающий момент, который через вал 7 и кинематическую связь 8 передается потребителю механической энергии 9 (электрогенератору с редуктором). Из ветроколеса 10 поток воздуха попадает в диффузорный канал с установленными выходными лопатками 17, между которыми он расширяется без завихрений и дополнительной потери энергии и скорости (скорость потока при этом равномерно падает) и выходит из аппарата 11. При сильном ветре (или при сильных порывах ветра) “срабатывает” регулировочное устройство ограничения потока воздуха (такое же, как у прототипа, на фиг.1 и 2 не показано), которое поворачивает полый направляющий аппарат в сторону вращения ветроколеса 10, при этом поток воздуха, поступающий в конфузорный канал и, соответственно, на ветроколесо 10, уменьшается и скорость его вращения падает. При сильном постоянном ветре может наступить устойчивое равновесное положение аппарата 11 под некоторым углом к направлению ветра, когда силы трения автоматического центробежного регулятора будут уравновешены аэродинамической силой флюгирования аппарата 11.

При обслуживании ветродвигателя и его ремонте, для обеспечения неподвижности ветроколеса 10 достаточно развернуть аппарат 11 его выпуклой стенкой против направления ветра и зафиксировать его в таком положении каким-либо способом (например, при помощи дополнительных растяжек).

Мощность электрогенератора ветродвигателя может составлять от 5 до 100 кВт, в зависимости от размеров (габаритов) ветродвигателя. Установка ветроколеса ветродвигателя предпочтительна на высотах не менее 10-12 м.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в том, что установленные (вмонтированные) в конфузорном и диффузорном каналах полого выпукло-вогнутого направляющего аппарата направляющие (аэродинамические) лопатки позволяют уменьшить завихрения воздуха, возникающие на входе и выходе ветроколеса. При этом устраняются затраты энергии на вихреобразование и значительно повышается эффективность преобразования энергии поступающего потока воздуха в крутящий момент вала ветроколеса. А установка (монтаж) на входе конфузорного канала (укрепленной по его периметру) защитной сетки позволяет исключить возможные травмы (и гибель) птиц, которые могут попасть между ветроколесом и полым направляющим аппаратом.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2039308, кл. F 03 D 3/02, 09.07.95 г., бюл. №19.

2. Патент Российской Федерации №2166665, кл. F 03 D 3/02, 10.05.2001 г., бюл. №13 - прототип.