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 полый выпукло-вогнутый направляющий аппарат установлен с возможностью вращения и флюгирования в собственных подшипниковых узлах, нижний из которых установлен на оборудовании основания (на конструкции нижнего подшипникового узла вертикального вала ветроколеса), верхний - на перекладине (ниже верхнего подшипникового узла вертикального вала ветроколеса), и между вертикальным валом ветроколеса и нижним подшипниковым узлом полого направляющего аппарата установлен центрирующий подшипник.

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.

Недостатком прототипа является то, что полый направляющий аппарат, имеющий сравнительно большой вес, закреплен на валу ветроколеса, при этом:

- подшипники ветроколеса постоянно тормозят вращение ветроколеса, что приводит к ненужному износу подшипников полого направляющего аппарата, а также снижает мощность всего ветродвигателя, так как энергия идет на нагрев подшипников полого направляющего аппарата;

- вращающийся вал ветроколеса постоянно поворачивает полый направляющий аппарат в сторону своего вращения, что также приводит к лишним тратам энергии и снижению эффективности ветродвигателя от недостаточно поступающего потока воздуха (ввиду смещенного по вращению ветроколеса полого направляющего аппарата).

Указанные недостатки ставят задачу повышения надежности и эффективности ветродвигателя.

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, при этом полый выпукло-вогнутый направляющий аппарат установлен с возможностью вращения и флюгирования в собственных подшипниковых узлах, нижний из которых установлен на оборудовании основания (на конструкции нижнего подшипникового узла вертикального вала ветроколеса), верхний - на перекладине (ниже верхнего подшипникового узла вертикального вала ветроколеса), и между вертикальным валом ветроколеса и нижним подшипниковым узлом полого направляющего аппарата установлен центрирующий подшипник.

Введение установки выпукло-вогнутого полого направляющего аппарата в подшипниковые узлы, нижний из которых установлен на оборудовании основания (на конструкции нижнего подшипникового узла вертикального вала ветроколеса), верхний - на перекладине (ниже верхнего подшипникового узла вертикального вала ветроколеса), необходимо для разгрузки вертикального вала ветроколеса. Разгрузка вертикального вала ветроколеса позволяет предотвратить торможение вращения ветроколеса и предотвратить излишний износ подшипников полого направляющего аппарата. Также разгрузка вертикального вала ветроколеса повышает мощность всего ветродвигателя, так как нет затрат энергии на постоянное вращение и нагрев подшипников полого направляющего аппарата, что имело место в прототипе. Кроме того, исключается поворачивание постоянно вращающимся вертикальным валом ветроколеса полого направляющего аппарата в сторону своего вращения, а это приводит к повышению эффективности ветродвигателя вследствие полного использования поступающего потока воздуха (ввиду несмещенного по вращению ветроколеса полого направляющего аппарата).

Введение между вертикальным валом ветроколеса и нижним подшипниковым узлом полого направляющего аппарата центрирующего подшипника необходимо для центрирования осей вращения вертикального вала ветроколеса и полого выпукло-вогнутого направляющего аппарата, для избежания аварийных ситуаций при трении ветроколеса о полый направляющий аппарат. Так, на верхней перекладине ветродвигателя подшипниковые узлы вертикального вала и полого направляющего аппарата закреплены и центрированы жестко, а нижние подшипниковые узлы закреплены на разных конструктивных элементах, и поэтому для их центрирования и надежной работы необходимо установить небольшой центрирующий подшипник.

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 чертеже представлен вид ветродвигателя спереди с разрезом. Ветродвигатель содержит (см. чертеж) расположенный на основании 1 (бетонной плите, грунте и так далее) конструкционный каркас, состоящий из вертикальных стоек 2, верхней перекладины 3, растяжек 4 и опорных подшипниковых узлов (вертикального вала), 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 с возможностью вращения и флюгирования в своих опорных подшипниковых узлах, соответственно нижнем 12, расположенном на оборудовании основания 1 (на защитной конструкции нижнего подшипникового узла 5 вертикального вала 7 ветроколеса 10), и верхнем 13 в центре перекладины. Вертикальные стенки полого направляющего аппарата 11 внутри его образуют конфузорный канал на входе в ветроколесо 10 и диффузорный канал на выходе воздуха из ветроколеса 10. Вертикальная внутренняя стена (профильная перегородка) охватывает ветроколесо 10 своим сектором с углом раскрытия 180. Кинематическое соединение 8 вала 7 с потребителем механической энергии 9 (электрогенератором с редуктором) снабжено разборным чехлом 14, необходимым для защиты последних и нижнего подшипникового узла 5 от внешних воздействий. Верхние подшипниковые узлы 6 и 13 закрыты крышкой 15. Между вертикальным валом 7 ветроколеса 10 и нижним подшипниковым узлом 12 полого направляющего аппарата 11 установлен центрирующий подшипник 16.

Ветродвигатель работает следующим образом.

Поток движущегося воздуха набегает на полый направляющий аппарат 11, который благодаря своему вогнуто-выпуклому исполнению (и использованию эффекта флюгирования) автоматически поворачивается конфузорным (входным) каналом против потока воздуха (против ветра) и в таком положении устойчиво удерживается до тех пор, пока ветер не изменит своего направления. При этом полый направляющий аппарат 11 поворачивается в своих собственных подшипниковых узлах 12 и 13, и тем самым разгружен вертикальный вал 7 ветроколеса 10. Разгрузка вертикального вала 7 ветроколеса 10 позволяет предотвратить торможение вращения ветроколеса 10 и предотвратить излишний износ, а также повышает мощность всего ветродвигателя, так как нет затрат энергии на постоянное вращение и нагрев подшипников полого направляющего аппарата 11, что имело место в прототипе. Кроме того, исключается поворачивание постоянно вращающимся вертикальным валом 7 ветроколеса 10 полого направляющего аппарата 11 в сторону своего вращения, а это приводит к повышению эффективности (мощности) ветродвигателя от полного использования поступающего потока воздуха (ввиду несмещенного по вращению ветроколеса полого направляющего аппарата). Поток входящего воздуха сжимается в конфузорном (входном) канале, и при этом происходит увеличение его скорости и направления потока воздуха на лопасти ветроколеса 10. Ветроколесо 10 начинает вращаться, то есть 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 (выходной) канал, где он расширяется (скорость потока при этом падает) и выходит из полого направляющего аппарата 11. При сильном ветре (или при сильных порывах ветра) “срабатывает” регулировочное устройство ограничения потока воздуха (такое же, как у прототипа, на фиг.1 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. Для центрирования осей вращения вертикального вала 7 ветроколеса 10 и полого направляющего аппарата 11, для избежания аварийных ситуаций при трении ветроколеса 10 о полый направляющий аппарат 11 установлен центрирующий подшипник 16, который повышает надежность работы ветродвигателя в целом. 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 метров.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в том, что по сравнению с прототипом расположение (установка) выпукло-вогнутого полого направляющего аппарата в собственных, не связанных с валом ветроколеса подшипниковых узлах разгружает вал ветроколеса. Разгрузка вертикального вала ветроколеса позволяет предотвратить торможение вращения ветроколеса, повышает мощность всего ветродвигателя, а также предотвращает излишний износ подшипников полого направляющего аппарата. Также исключается поворачивание постоянно вращающимся вертикальным валом ветроколеса полого направляющего аппарата в сторону своего вращения, а это приводит к повышению эффективности (мощности) ветродвигателя от всего (максимального) поступающего потока воздуха.

Источники информации

1. Патент: РФ №2039308, кл. F 03 D 3/02, 09.07.95. Бюл. №19.

2. Прототип - патент РФ №2166665, кл. F 03 D 3/02, 10.05.01. Бюл. №13.