Ветряная регулируемая установка с вертикальной осью вращения
ADJUSTABLE WINDMILL UNIT WITH VERTICAL AXIS OF ROTATION

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветряным двигателям с вертикальной осью вращения, предназначенным для преобразования энергии ветра в механическую для устройств, не требующих постоянного обязательного воздействия.
Известны два типа ветряных двигателей - с горизонтальной и с вертикальной осями вращения.
В данное время для получения электроэнергии, в основном, используются ветродвигатели с горизонтальной осью вращения. Диапазон мощностей у них большой. Но имеется ряд недостатков: для получения большой мощности установок требуется изготовление крупногабаритных деталей: лопастей, флюгерной системы, мачт; использование больших площадей при изготовлении, монтажных работах и эксплуатации; отсутствие регулирования потока воздуха; шум при работе.
Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения при наличии ряда преимуществ (не зависимость от направления ветра, бесшумная работа, размещение на меньших площадях) используются редко из-за отсутствия лучшей конструкции. Считается, что они более материалоемки.
Из ветряных двигателей с вертикальной осью вращения наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является вертикально-осевая ветровая и гидравлическая турбина с регулированием потока, содержащая правильную шестиугольную структуру радиуса, в форме параллелепипеда, ротор, размещенный внутри правильной шестиугольной структуры и обеспечивающий впуск или выпуск воздуха или жидкости и содержащий три или более лопаток, вращающихся на вертикальной оси ротора, которая расположена в центре правильной шестиугольной структуры, и шесть шарнирно закрепленных направляющих лопастей, которые захватывают и концентрируют поток воздуха или жидкости, поступающий на лопатки ротора, со стороны входа потока ветра или жидкости в турбину, и рассеивают поток воздуха или жидкости, сходящий с лопаток ротора, на стороне, противоположной стороне входа ветра или жидкости в турбину, причем каждая из шарнирно закрепленных направляющих лопастей содержит неподвижную часть и подвижную часть (см. патент RU 2645187, опубл. 16.02.2018). В этой конструкции имеется регулируемый направляющий аппарат, размещенный на шестиугольной структуре, и ротор с лопатками. Но отсутствуют верхнее и нижнее основания направляющего аппарата, и у ротора нет верхней и нижней частей, создающих замкнутый конус.
Недостатками данной конструкции являются:
- отсутствие на направляющем аппарате и в роторе замкнутого конуса, часть воздуха собранного в направляющем аппарате будет уходить вверх и вниз, снижая возможности использования его потока;
- лопатки располагаются близко к оси ротора, крутящий момент и мощность будут слабыми; если не прикрывать подвижную часть направляющих лопастей, скорость вращения будет очень большая, прикрытие ее создает уменьшение мощности;
- направляющий аппарат и лопатки имеют сложный аэродинамический профиль, трудоемкость и материалоемкость при изготовлении будет большая.
Также известен ветродвигатель карусельного типа, имеющий ветроколесо с вертикальной осью вращения и корпус, в котором размещено ветроколесо, отличающийся тем, что корпус снабжен конфузором и направляющим аппаратом с установленными в нем жалюзи, а также кольцевыми опорами, на которые опираются концы лопастей и их средние участки (см. патент RU 2432493, опубл. 27.10.2011). Воздух в этой конструкции тоже собирается в направляющем аппарате (конфузоре), сжимается и подается на рабочий аппарат. Жалюзи регулируют подачу воздуха.
Недостатками данной конструкции являются:
- при изготовлении ветродвигателей больших мощностей, конфузор вместе с корпусом будут крупными и тяжелыми, для поворота потребуется дополнительный привод;
- при частом изменении направления ветра, необходимо постоянно поворачивать конфузор для обеспечения забора воздуха;
- сложность изготовления и монтажа.
Целью предлагаемого изобретения является создание лучшей конструкции ветряного двигателя из всех имеющихся, обеспечивающей более эффективную, надежную работу установки при изменяющихся скоростях и направлениях ветра, простоту и экономичность изготовления, монтажа и эксплуатации; возможность получения большого диапазона мощностей при занимаемых небольших площадях для промышленного и частного использования.
Для достижения этих целей в конструкции ветряной регулируемой установки с вертикальной осью вращения, направляющий аппарат состоит из четырех стационарно закрепленных лопастей между квадратными верхним и нижним его основаниями, и четырех поворотных в шарнирах лопастей, образующих конусы. Верхнее основание направляющего аппарата держится по углам на четырех опорах и стационарно закрепленных лопастях. Стационарно закрепленные лопасти равны 0,5 диаметра рабочего аппарата плоские перпендикулярно осевым линиям и плоской рабочей поверхности восьми рабочих лопаток, расположенных радиально относительно оси вращения между верхней и нижней частями рабочего аппарата. Обратная сторона рабочих лопаток плоская под углом 45° к рабочей поверхности. В верхней части рабочего аппарата полуось в подшипнике, в нижней - отверстие для насадки на вал потребителя механической энергии.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с известными конструкциями ветродвигателей свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
Признак «… регулируемый направляющий аппарат состоит из четырех стационарно закрепленных лопастей между квадратными верхним и нижним его основаниями, и четырех поворотных в шарнирах лопастей, образующих конусы …» позволяет направляющему аппарату выполнять забор воздуха со всех сторон без поворотов установки, сжатие, направление, регулирование подачи воздуха на рабочие поверхности восьми лопаток ротора, при средней скорости ветра 4-5 м/сек. и полном открытии поворотных лопастей вырабатывать максимальную мощность; при увеличении скорости ветра - прикрывать поворотные лопасти для сохранения необходимой скорости вращения ротора и максимальной мощности установки; при полном закрытии поворотных лопастей - останавливать работу ветряной регулируемой установки.
Признак «… стационарно закрепленные лопасти равны 0,5 диаметра рабочего аппарата плоские перпендикулярно осевым линиям и плоской рабочей поверхности восьми рабочих лопаток, расположенных радиально относительно оси вращения между верхней и нижней частями рабочего аппарата …» обеспечивает защиту от воздействия потока воздуха на обратную сторону лопаток; подачу сжатого воздуха на их рабочую поверхность под прямым углом без завихрения и торможения вращающегося рабочего аппарата, создавая максимальное давление на них и более эффективное использование силы ветра.
Признак «… обратная сторона рабочих лопаток плоская под углом 45° к рабочей поверхности …» обеспечивает обтекаемость при выводе воздуха и жесткость конструкции.
Признак «… в верхней части рабочего аппарата полуось в подшипнике, в нижней -отверстие для насадки на вал потребителя механической энергии …» обеспечивает экономию затрат за счет использования только одного подшипника и исключения муфтового соединения.
Сущность изобретения поясняется на примере реализации ветряной регулируемой установки с вертикальной осью вращения совместно с генератором в прилагаемом чертеже.
Ветряная регулируемая установка с вертикальной осью вращения состоит из генератора 1 с рабочим аппаратом (ротором) 3 и направляющего аппарата 5 (статора), расположенных на раме 4. В рабочий аппарат 3 входят восемь рабочих лопаток 6, выполненных из листового материала, закрепленных между нижней 7 и верхней 8 частями ротора 3, в нижней части 7 которого, отверстие для насадки на вал 2 генератора 1 или другого потребителя механической энергии, в верхней части 8 ротора 3 - полуось 9 в подшипнике 10. В направляющий аппарат 5 входят четыре плоских стационарно закрепленных лопасти 15, расположенных перпендикулярно осевым линиям и плоской рабочей поверхности рабочих лопаток 6, четыре плоских поворотных лопасти 17, шарнирные соединения 16, квадратные верхнее 12 и нижнее 13 основания статора 5, четыре опоры 14, расположенные по углам статора 5, крышка статора 11 с подшипником 10.
Устройство работает следующим образом.
При скорости ветра до 5 м/сек. поворотные лопасти 17 полностью открыты, поток воздуха, проходя через них и стационарно закрепленные лопасти 15, сжимается в конусе и подается под прямым углом к рабочей поверхности лопаток 6, создавая давление на них, придает ротору 3 вращательное движение, обтекаемой обратной стороной рабочих лопаток 6 вытесняется через направляющий аппарат 5 с противоположной стороны от потока ветра. Подача воздуха на рабочие поверхности лопаток 6 под углом 90° создает максимальные давление и крутящий момент, обеспечивая более эффективное использование силы ветра. Для работы электрических генераторов, насосов и прочих устройств требуются определенные диапазоны скоростей вращения. Существующие ветряные двигатели, в основном, обеспечивают полную мощность при скорости ветра 10-11 м/сек. Так как такие скорости бывают очень редко, использование их получается малоэффективным. Конструкция заявленной ветряной регулируемой установки рассчитывается под выработку максимальной мощности при средних скоростях ветра с полностью открытыми поворотными лопастями 17. В этом случае даже самый слабый ветер до 1 м/сек. будет вращать ротор 3 и передавать энергию генератору 1 или другому устройству. При скорости ветра более 5 м/сек. поворотные лопасти 17 прикрываются со стороны потока воздуха на определенный угол, отсекают лишний, обеспечивая необходимую скорость вращения ротора и максимальную мощность. Для остановки ветряной регулируемой установки поворотные лопасти 17 полностью закрываются.
Данная конструкция превосходит конструкции имеющихся ветряных двигателей, позволяет изготавливать основную часть ветряной регулируемой установки из тонкого листового материала (для обеспечения меньшей материалоемкости и веса) на небольших площадях, производить многоярусную сборку из отдельных элементов болтовыми соединениями на месте эксплуатации, увеличивать мощность установок за счет изменения высоты с незначительным увеличением занимаемой площади, размещать несколько ветряных регулируемых установок с минимальными промежуточными между ними расстояниями, обеспечивает более эффективное использование силы ветра, надежную работу при изменяющихся скоростях и направлениях ветра, простоту и экономичность изготовления, а так же эксплуатации, возможность получения большого диапазона мощностей при занимаемых небольших площадях для промышленного и частного использования.