ветродвигатель

Формула изобретения

1. Ветродвигатель, содержащий двухзвенный соосный вертикальный вал, соединенный с расположенным на земле электрогенератором, конфузор, снабженный флюгером и устройством, регулирующим расход воздуха через него, ротор с двумя ярусами лопаток, разделенных горизонтальной плоскостью, отличающийся тем, что ветродвигатель представляет собой энергетический модуль, включающий в себя горизонтальное ветроколесо, жестко соединенное с вертикальным валом и представляющее собой плоский круг, по кромке которого с двух его сторон прикреплены лопатки, образующие два яруса, к которым примыкают, заслоняя собой всю или часть его площади, закрытые кожухом два основных элемента конструкции - конфузоры, насаженные на вал и могущие свободно вращаться вокруг него, снабженные ребрами и плоскостями жесткости, одновременно формирующими внутри конфузоров высокоскоростной поток, кроме того, предусмотрены ролики, фиксирующие ветроколесо между конфузорами, фартук, прочно скрепляющий конфузоры по контуру энергомодуля в одно целое и защищающий оба яруса лопаток от внешнего ветра, который, пройдя выходные каналы конфузоров, входит в контакт с лопатками обоих ярусов под оптимальным углом к вектору их окружной скорости, вращая вал, и соединенный с ними электрогенератор.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что внутри венца лопаток каждого яруса основного ветроколеса, вращающего вал, помещается дополнительное и соосное с ним ветроколесо со своим ярусом лопаток, могущее свободно вращаться вокруг общего вертикального вала, но в другую сторону, используя ускоренный поток воздуха из камеры имеющегося конфузора, разделенного сплошной стенкой на два отсека, а другая часть потока, имеющая противоположное направление, поступает, как и прежде, на основное ветроколесо, при этом возникающие реактивные силы на конфузоре от потоков из разных отсеков гасят друг друга, что облегчает ориентацию энергомодуля по отношению к внешнему ветру, а помещенное в зазоре между ветроколесами реверсивное устройство позволяет восполнить образовавшуюся потерю мощности на основном ветроколесе, возникшую в силу разделения потоков.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для энергообеспечения различных потребителей. Аналогами заявленного изобретения можно считать следующие:

1. Ветродвигатель (пат. РФ №1783144, F 03 D 3/04), расположенный в приземной плоскости и содержащий ряд воздуховодов с полноповоротными заборными устройствами, сходящимися в один конфузор и далее в рабочий канал, в котором расположена воздушная турбина, задающая своим размером его минимальный диаметр. Отработавший воздух сбрасывается через полноповоротные устройства. Положительными качествами ветродвигателя являются:

- Использование конфузора для получения скоростного воздушного потока.

- Наличие нескольких заборных устройств, работающих на одну турбину.

- Возможность работы в широком интервале скоростей ветра и любых его направлений. Недостатки ветродвигателя.

- Использование только приземного, как правило, ослабленного воздушного потока.

- Большое аэродинамическое сопротивление и лобовой динамический напор, высокие затраты на эксплуатацию вспомогательных устройств.

2. Ветродвигатель (пат. РФ №2156885, F 03 D 3/04), содержащий последовательно расположенные по направлению ветра: воздухозаборное устройство с рассекателем, закручивающим воздушный поток, конфузор с рабочим каналом, ветротурбину, регулятор ее вращения, снабженный зубчатыми передачами, диффузор, флюгерную лопасть. Все это размещено на поворотной платформе, имеющей возможность свободно вращаться вокруг вертикального вала, помещенного внутри стационарной башни. Кроме этого, два зубчатых поворотных узла последовательно изменяют направление оси вращения турбины для ее присоединения к электрогенератору.

Положительные качества ветродвигателя.

- Создание ускоренного и закрученного воздушного потока, имеющего уменьшенный лобовой динамический напор.

- Автоматическая ориентация ветродвигателя по ветру.

- Размещение электрогенератора на земле.

- Наличие устройств, регулирующих расход воздуха. Недостатки ветродвигателя:

- Невозможность увеличения мощности за счет работы нескольких двигателей на один вал.

- Большие линейные размеры и наличие зубчатых передач, усложняющих решение вопросов экономичности и надежности.

В качестве прототипа заявителем выбран ветродвигатель (пат. РФ №2028504, 6 F 03 D 3/02), как наиболее близкий ему по совокупности существенных признаков.

Ветродвигатель содержит двухзвенный, соосный вертикальный вал, который, вместе с электрогенератором, расположенным на земле, находится внутри капитального строения в виде башни. В верхней части внутреннего звена вала располагается камера, разделенная пополам горизонтальной перегородкой. В каждой половине находится свой ротор, вокруг которого расположены лопасти-направляющие. Роторы независимо вращают соединенные с ними звенья вала в противоположные стороны. Камера, вместе с присоединенными к ней конфузором и флюгером, свободно вращается вокруг вертикальной оси. Воздушный поток, пройдя конфузор и лопасти-направляющие, попадает на лопасти роторов. При сильных порывах ветра избыток воздуха сбрасывается через боковые отверстия на конфузоре.

Положительные качества прототипа.

- Использование концентратора-ускорителя воздушного потока.

- Наличие двухзвенного вала.

- Расположение электрогенератора на земле.

- Наличие устройств отсекающих излишки воздуха при сильных порывах ветра.

Недостатки прототипа.

- Нет резерва увеличения мощности установки за счет увеличения числа роторов на одном валу по вертикали.

- Большое аэродинамическое сопротивление из-за наличия направляющих лопаток и сложного маршрута потока воздуха внутри камеры.

- Малый коэффициент ускорения воздушной среды из-за расположения габаритного ветроколеса в выходном канале конфузора.

- Высокие капитальные затраты при строительстве.

Задачей предлагаемого изобретения является:

- Эффективное использование энергии малоскоростного, рассеянного ветрового потока.

- Возможность работы в широком диапазоне скоростей набегающего ветра и мощностей вырабатываемой энергии.

- Невысокие капитальные и эксплуатационные затраты.

- Высокая надежность и экологическая безопасность.

Техническим результатом разработанного изобретения можно считать следующее:

- Компактная, полноповоротная вокруг вертикальной оси конструкция, автоматически улавливающая, концентрирующая и ускоряющая ветер с любой стороны.

Приложение №2 к решению о выдаче патента на изобретение по заявке №2004104736/06

- Высокий КПД использования энергии ветра за счет оптимальных условий взаимодействия лопаток ветроколеса и ветровой среды, большая скорость сконцентрированного воздушного потока, малое аэродинамическое сопротивление.

- Модульность конструкции и возможность создания отдельных двигателей мощностью (1-5) кВт, при ветре от 5 м/сек и выше, до десятков тысяч кВт, когда на одном вертикальном валу размещается несколько двигателей.

- Возможность работы в широком диапазоне скоростей набегающего ветра, обеспечиваемая регулированием расхода воздуха через установку; прочная, обтекаемая и компактная форма энергомодуля, позволяющая использовать систему тросового крепления.

- Конструкция большой заводской готовности.

- Ветродвигатель не создает электропомех, экологически безопасен. Решение задачи, обозначенной выше, достигается тем, что ветродвигатель содержит двухзвенный соосный вертикальный вал, соединенный с расположенным на земле электрогенератором, конфузор, снабженный флюгером и устройством, регулирующим расход воздуха через него, ротор с двумя ярусами лопаток, разделенных горизонтальной плоскостью. При этом ветродвигатель представляет собой энергетический модуль, включающий в себя горизонтальное ветроколесо, жестко соединенное с вертикальным валом и представляющее собой плоский круг, по кромке которого, с двух его сторон, прикреплены лопатки, образующие два яруса, к которым примыкают, заслоняя собой всю или часть его площади, закрытые кожухом два основных элемента конструкции - конфузоры, насаженные на вал и могущие свободно вращаться вокруг него и снабженные ребрами и плоскостями жесткости, одновременно формирующими внутри конфузоров высокоскоростной поток, кроме этого, предусмотрены ролики, фиксирующие ветроколесо между конфузорами, фартук, прочно скрепляющий конфузоры по контуру энергомодуля в одно целое, защищающий оба яруса лопаток от внешнего ветра, который, пройдя выходные каналы конфузоров, входит в контакт с лопатками обоих ярусов под оптимальным углом к вектору их окружной скорости, вращая вал и соединенный с ними электрогенератор.

Внутри венца лопаток каждого яруса основного ветроколеса, вращающего вал, помещается дополнительное и соосное ему ветроколесо со своим ярусом лопаток, могущее свободно вращаться вокруг общего вертикального вала, но в другую сторону, используя ускоренный поток воздуха из камеры имеющегося конфузора, разделенного сплошной стенкой на два отсека, а другая часть потока, имеющая противоположное направление, поступает как, и прежде, на основное ветроколесо, при этом, возникающие реактивные силы на конфузоре от потоков из разных отсеков гасят друг друга, что облегчает ориентацию энергомодуля по отношению к внешнему ветру, а помещенное в зазоре между ветроколесами реверсивное устройство позволяет восполнить образовавшуюся потерю мощности на основном ветроколесе, возникшую в силу разделения потоков.

На фиг.1 изображен двухзвенный вал с двумя энергомодулями, из которых один (верхний) снабжен дополнительными ветроколесами.

- Заштрихованные узлы вращения - жесткое соединение.

- Знаки (+) и (-) - направления ускоренного потока из камер конфузора относительно наблюдателя.

На фиг.2 дана схема взаимного расположения в энергомодуле основного и дополнительного ветроколес и двухкамерного конфузора.

Фигуры содержат:

1. Электрогенератор.

2. Нижнее звено двухзвенного вертикального вала.

3. Регулятор расхода воздуха.

4. Нижний конфузор нижнего энергомодуля.

5. Фартук.

6. Два яруса лопаток основного ветроколеса.

7. Верхний конфузор нижнего энергомодуля.

8. Узел свободного вращения.

9. Узел разъемного соединения звеньев вала.

10. Лопатки вспомогательных ветроколес.

11. Жесткое крепление основного ветроколеса к валу.

12. Энергомодуль с дополнительными ветроколесами и двухкамерными конфузорами.

13. - 16. Вариант крепления двухзвенного вала.

17. Реверсивное устройство.

18. Сечения рабочих каналов из двухкамерного конфузора.

19. Флюгер.

20. Верхнее звено двухзвенного вала.

21. Основное и вспомогательное ветроколеса.

22. Рабочие каналы.

23. Камеры конфузора.

24. Кожух.

Ветродвигатель работает следующим образом.

Благодаря флюгерам 19 конфузоры 7 и 4 нижнего энергомодуля, подвижно связанного с нижним звеном вала 2, и такие же конфузоры верхнего энергомодуля, также подвижно связанные с верхним звеном вала 20, ориентируются своими входными сечениями навстречу ветру, используя узлы свободного вращения 8. В зависимости от мощности наружного потока устройство 3 (например, заслонка) запрограммированно занимает определенное положение, задавая расход воздуха через конфузоры от нуля до оптимального. При этом влияние внешней среды на ветроколеса 21 исключается наличием фартука 5. Пройдя оба конфузора энергомодуля, воздух в виде двух узких высокоскоростных потоков попадает на двухъярусные лопатки 6, вращающие ветроколесо, жестко соединенное с нижним звеном вала 2. Аналогичным образом, в верхнем энергомодуле 12 основное ветроколесо, жестко соединенное с верхним звеном вала 20, вращает его, но в другую сторону, по отношению к звену 2. Вместе с тем, воздушный поток, покидая конфузоры, будет отклонять энергомодуль от его оптимального положения относительно направления ветра за счет возникающей реактивной силы. Чтобы сгладить этот эффект, можно расположить флюгер 19 под некоторым углом к вектору скорости внешнего ветра. А чтобы вообще свести к минимуму дезориентацию модуля относительно направления ветра, предлагается сделать конфузор двухкамерным 23, выходы из которых 18, 22 направлены в противоположные стороны, обеспечивая тем самым вращение основного ветроколеса 6 и вспомогательного 10. Это, с одной стороны, приведет к взаимной компенсации реактивных сил на конфузорах, а с другой, используя вращение вспомогательных колес и реверсивные устройства, позволит восполнить потерю мощности на основном ветроколесе, возникшую в результате разделения потока.