ветродвигатель

Формула изобретения

Ветродвигатель, содержащий ветровую турбину с вертикальной осью вращения, образованную из профилированных осесимметричных лопастей, соединенных верхней и нижней круглыми крышками, расположенных внутри направляющей системы в виде неподвижных осесимметричных направляющих створок, равномерно расположенных и закрепленных верхней и нижней крышками, отличающийся тем, что лопасти образованы наружной, средней и внутренней сторонами с соотношением сторон по ширине, соответственно, 1:5:10÷1:5:20, средняя и наружная стороны каждой лопасти загнуты в направлении вертикальной оси вращения турбины под углом, соответственно, 130÷150° и 90÷135°, четные лопасти размещены с зазором относительно вертикальной оси вращения, равным (0,067÷0,1)Д₃ , где Д₃ - диаметр ветровой турбины, а нечетные лопасти установлены вплотную к вертикальной оси вращения, створки направляющей системы закреплены вертикально и выполнены в виде внешней и внутренней сторон с соотношением по ширине 0,25÷0,5 и углами между сторонами 130÷150°, при этом внутренняя сторона каждой створки установлена под углом 30÷60° к радиусу направляющей системы, а внешняя сторона - по радиусу направляющей системы, причем верхняя и нижняя крышки направляющей системы выполнены в форме круга, снабженного в периферийной части полым усеченным конусом с углом 130÷150°, диаметром малого основания Д₁=(1,05÷1,1)Д₃ и высотой Н₁ =(0,25÷0,5)Д₁.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к двигателям, использующим ветер для получения механической и электрической энергии.

Наиболее близким техническим решением является ветродвигатель, содержащий ветровую турбину с вертикальной осью вращения из профилированных осесимметричных лопастей, соединенных верхней и нижней крышками, имеющими форму круга, расположенную внутри направляющей системы, образованной из неподвижных осесимметричных направляющих створок, равномерно расположенных по окружности и закрепленных верхней и нижней крышками, каждая из лопастей ветровой турбины представляет собой часть боковой поверхности цилиндра с образующей, параллельной оси вращения ветровой турбины, поперечное сечение каждой из направляющих створок имеет профиль в виде синусоиды, при этом внешние и внутренние кромки лопастей турбины в сечении соответственно установлены по окружности и ориентированы так, чтобы обеспечивать плавное перетекание воздуха с направляющих створок на лопасти ветровой турбины, а направляющие створки своими осями установлены под углом к линии ее радиусов так, чтобы обеспечить перетекание воздушного потока с одной лопасти на другую, угол направляющих створок к линиям соответствующих радиусов окружности равномерного расположения 30°.

Патент РФ № 2168059, М.кл. F03D 3/04, 2001.

Недостатками известного устройства являются использования ветродвигателя при скорости ветра 1÷5 м/с и низкая удельная мощность из-за малого крутящего момента на вертикальной оси вращения ветровой турбины.

Задачей предлагаемого изобретения является создание ветродвигателя для использования при скорости ветра 1÷5 м/с и с коэффициентом полезного действия 60÷70%.

Поставленная задача достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем ветровую турбину с вертикальной осью вращения, образованную из профилированных осесимметричных лопастей, соединенных верхней и нижней круглыми крышками, расположенных внутри направляющей системы в виде неподвижных осесимметричных направляющих створок, равномерно расположенных и закрепленных верхней и нижней крышками, новым является то, что лопасти образованы наружной, средней и внутренней сторонами с соотношением сторон по ширине, соответственно, 1:5:10÷1:5:20, средняя и наружная стороны каждой лопасти загнуты в направлении вертикальной оси вращения турбины под углом, соответственно 130°÷150° и 90°÷135°, четные лопасти размещены с зазором относительно вертикальной оси вращения, равным 0,067÷0,1Д₃, где Д₃ - диаметр ветровой турбины, а нечетные лопасти установлены вплотную к вертикальной оси вращения, створки направляющей системы закреплены вертикально и выполнены в виде внешней и внутренней сторон с соотношением по ширине - 0,25÷0,5 и углами между сторонами 130°÷150°, при этом внутренняя сторона каждой створки установлена под углом 30°÷60° к радиусу направляющей системы, а внешняя сторона - по радиусу направляющей системы, причем верхняя и нижняя крышки направляющей системы выполнены в форме круга, снабженного в периферийной части полым усеченным конусом с углом 130°÷150°, диаметром малого основания Д₁=1,05÷1,1Д₃ и высотой Н₁=0,25÷0,5Д₁.

Лопасти образованы наружной, средней и внутренней сторонами для уменьшения стоимости изготовления без существенного снижения эксплуатационного качества ветродвигателя.

Соотношение сторон по ширине, соответственно, 1:5:10÷1:5:20, средняя и наружная стороны каждой лопасти загнуты в направлении вертикальной оси вращения турбины под углом, соответственно, 130°÷150° и 90°÷135° для создания сопротивления воздушному потоку с образованием вихря и кратковременной локальной зоны дополнительного давления на лопасти, для снижения турбулентного аэродинамического сопротивления лопастей и эффективного использования энергии ветра.

Четные лопасти размещены с зазором относительно вертикальной оси вращения, равным 0,067÷0,1Д ₃, где Д₃ - диаметр ветровой турбины, а нечетные лопасти установлены вплотную к вертикальной оси вращения для предотвращения рикошета потока воздуха от лопастей и увеличения равномерности распределения потока воздуха по лопастям для увеличения эффективности использования ветровой энергии ветродвигателем.

Створки направляющей системы закреплены вертикально и выполнены в виде внешней и внутренней сторон с соотношением по ширине - 0,25÷0,5 и углами между сторонами 130°÷150°, при этом внутренняя сторона каждой створки установлена под углом 30°÷60° к радиусу направляющей системы, а внешняя сторона - по радиусу направляющей системы - для обеспечения вращения ветровой турбины при любом направлении ветра и с минимальными затратами энергии на преодоление аэродинамического сопротивления при прохождении потока воздуха через направляющую систему к лопастям ветровой турбины и для инжекции отработанного воздуха из подветренной части ветровой турбины для обеспечения независимости работы ветродвигателя от направления ветра и увеличения эффективности использования ветровой энергии ветродвигателем.

Верхняя и нижняя крышки направляющей системы выполнены в форме круга, снабженного в периферийной части полым усеченным конусом с углом 130°÷150°, диаметром малого основания Д₁=1,05÷1,1Д₃ и высотой Н₁=0,25÷0,5Д₁ для сбора и направления с минимальным аэродинамическим сопротивлением потока воздуха на лопасти ветровой турбины, для обеспечения работы ветродвигателя при скоростях ветра 1-5 м/с.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где: на фиг.1 показан общий вид защитного экрана; фиг.2 - сечение А-А; фиг.3 - вид Б на фиг.2.

Ветродвигатель состоит из ветровой турбины 1 с вертикальной осью вращения 2, образованной из профилированных осесимметричных лопастей 3, образованных наружной 4, средней 5 и внутренней 6 сторонами, с соотношением сторон по ширине, соответственно, 1:5:10÷1:5:20, средняя и наружная стороны каждой лопасти загнуты в направлении вертикальной оси вращения турбины под углом, соответственно, 130°÷150° и 90°÷135°, лопасти 3 соединены верхней 7 и нижней 8 круглыми крышками турбины 1 и расположенны внутри направляющей системы 9. Четные лопасти 3 размещены с зазором 10 относительно вертикальной оси вращения 2, равным 0,067÷0,1Д₃, где Д₃ - диаметр ветровой турбины, а нечетные лопасти 3 установлены вплотную к вертикальной оси вращения 2.

Направляющая система 9 выполнена в виде неподвижных осесимметричных направляющих створок 11, равномерно расположенных и закрепленных верхней 12 и нижней 13 крышками направляющей системы 9, причем створки 11 направляющей системы 9 закреплены вертикально и выполнены в виде внешней 14 и внутренней 15 сторон с соотношением по ширине - 0,25÷0,5 и углами между сторонами 130°÷150°, при этом внутренняя сторона 15 каждой створки 11 установлена под углом 30°÷60° к радиусу направляющей системы 9, а внешняя сторона 14 - по радиусу направляющей системы 9.

Верхняя 12 и нижняя 13 крышки направляющей системы 9 выполнены в форме круга, снабженного в периферийной части полым усеченным конусом 17 с углом 130°÷150°, диаметром малого основания Д₁=1,05÷1,1Д₃ и высотой H₁=0,25÷0,5Д₁.

Ветровая турбина 1 с вертикальной осью вращения 2 имеет подшипниковые узлы 18, установленные на верхней 12 и нижней 13 крышках направляющей системы 9.

Ветродвигатель работает следующим образом.

При наличии ветра воздушный поток поступает с подветренней стороны на направляющие створки 11 направляющей системы 9, которые направляют его на все лопасти 3 ветровой турбины 1, которые в данный момент находятся с подветренной стороны. Воздушный поток, попадая с направляющих створок 11 на поверхность лопастей 3 с подветренной стороны, создает зону повышенного давления, а на противоположной заветренной стороне -зону разрежения, наличие которой позволяет удалять отработанный воздух из лопастей 3, находящихся в данный момент с заветренной стороны через направляющие створки 11. В результате создается крутящий момент, приводящий во вращение вертикальную ось 2 ветровой турбины 1. Поток воздуха, передавая часть своей энергии четной лопасти 3 с зазором 10, частично перетекает через зазор 10 на нечетную лопасть 3, отдавая ей часть энергии и далее с подпором перетекает через наружную сторону 4 нечетной лопасти 3 на следующую четную лопасть 3 и так далее до лопасти 3, находящейся с заветренной стороны, из которой отработанный воздух выбрасывается под действием центробежной силы и одновременно вытягивается через направляющие створки 11 наружу под действием разрежения, создаваемого потоком воздуха, обтекающего заветренную сторону направляющей системы 9 ветродвигателя.

Таким образом, воздушный поток почти полностью отдает свою кинетическую энергию ветровой турбине 1.

Технический результат использования ветродвигателя заключается в возможности эксплуатации ветродвигателя при скорости ветра 1÷5 м/с и увеличении коэффициента полезного действия до 60÷70%.