ПОПЕРЕЧНАЯ ТУРБИНА "ПАРУС" (ВАРИАНТЫ)

Заявляемое техническое решение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветротурбинам, использующим за счет паруса большие столбы воздуха для преобразования кинетической энергии потока воздуха в механическую, в частности к агрегатам, преобразующим энергию нетрадиционных источников, а именно энергию ветровых потоков.
Известно ветроводяное колесо, содержащее вал с жестко скрепленными с ним рычагами, на которых закреплены неподвижные оси с установленными на них вращающимися лопастями, при этом лопасти установлены на осях с ограничением их вращения на 90°, а их суммарная длина не превышает 2/3 длины рычага (см. патент №2168652, F03D 3/06, 1999 г.)
К недостаткам технического решения относится сложность конструкции и низкий КПД, а также регулировка лопастей.
Известен ветродвигатель, состоящий из вертикального вала с кронштейнами и закрепленными на них поворотными лопастями, контактирующими с упорами. Упоры выполнены в виде установленных вокруг вала плоских панелей, которые своими краями соединены между собой и с кронштейнами, причем каждая из вершин углов, образованных соединенными панелями, расположена на оси симметрии соответствующего кронштейна (см. патент №2029885, F03D 3/00, F03D 3/06, 1991 г.)
Недостатки известного ветродвигателя в том, что он имеет развитую систему панелей, снижающих энергию ветрового потока и не способствующих переводу лопастей из рабочего положения во флюгерное. Прижатие внутренних частей лопастей к панелям в рабочем положении не используется для получения дополнительного количества энергии.
Известен ветроротор с ковшевыми створчатыми лопастями, который содержит вертикальный вал и закрепленные на валу горизонтальные спицы с объемными парно - симметричными относительно вала ковшевыми лопастями. Оболочки ковшевых лопастей состоят из створок, которые подпружинены на смыкание и раздвигаются при критических порывах ветра диском толкающего поршня, скользящего по штанге, прикрепленной перпендикулярно к спице и совпадающей с направлением ее оси (см. патент 2276283, F03D 3/06, 2001 г.).
Недостатками известного ветроротора является низкий КПД за счет высокой
турбулентности ветрового потока, создаваемой парашютом, а так же конструктивная сложность системы регулировки.
Известна ветровая турбина содержащая собирающее ветер основание с нижней и верхней поверхностью, задающее участок, в котором участок нижней поверхности больше верхнего, а верхняя поверхность содержит передающий энергию элемент, собирающее ветер основание выполнено в виде сужающего вверх основания с углом наклона, также турбина содержит вал с верхним и нижним концом, вращающийся вокруг вертикальной оси, использующее энергию устройства, верхнюю и нижнюю пластину, множество вертикально ориентированных, создающих вращающийся момент элементов, открытую крышку, верхний экран, при этом элементы турбины изготовлены из легких материалов, например, а именно из сотовых многослойных панелей, из, например, армированного волокна (см. патент №2279567, F03D 3/06, 2001 г.)
Недостатком известной ветровой турбины является большая масса компонентов в конструкции.
Известна ветроэлектростанция - малютка, с двухлопастным барабаном. (см. Журнал «Юный техник» №6, 1983 г.) Устройство представляет собой две половинки полого цилиндра, которые после его разрезки раздвигаются в стороны от общей оси. Образовавшееся тело обладает ярко выраженной аэродинамической несовместимостью. Набегающий поперек его оси поток воздуха как бы соскальзывает с выпуклой стороны одного полуцилиндра. Другой, обращенный к ветру своеобразным карманом, оказывает значительное сопротивление. Барабан поворачивается, цилиндры меняются местами все быстрее, и вертушка таким образом быстро раскручивается.
Недостатком является аэродинамическая несовместимость, где набегающий поперек его оси поток воздуха как бы соскальзывает с выпуклой стороны одного, из полуцилиндров и создает не нужное сопротивление потоку, отсюда низкий КПД.
Известен ветровой двигатель, содержащий корпус, шарнирно прикрепленные к корпусу экраны, при этом корпус выполнен в виде рамки с возможностью вращения на мачте, а прикрепленные с возможностью вращения к рамке экраны выполнены в виде горизонтально расположенных пластинок, также прикрепленных шарнирно к вертикальной штанге, а один из концов которой, изготовленный в виде ползуна, находится в направляющей в виде дискового кулачка, посаженного на ось с возможностью вращения относительно нее, а к дисковому кулачку жестко прикреплено поворотное крыло, при этом к каждой планке с помощью упругого элемента
прикреплена дополнительная планка (см. патент №20021311300, F03D 3/06, 2002 г.)
Недостатком является низкий КПД и сложная конструкция.
Известен ветряной двигатель, содержащий корпус в виде рамки, к которому шарнирно прикреплены экраны в виде горизонтально расположенных планок, так же шарнирно прикрепленных к вертикальной штанге, одним из концов которой контактирует с кулачковым диском, который жестко соединяется с поворотным крылом, а к каждой планке с помощью упругого элемента крепятся дополнительные планки (см. патент №2231683, F03D 3/06, 2002 г.) [1]
Недостатком известного ветродвигателя является сложность конструкции и невысокий КПД.
Общим недостатком существующих турбин является их сложность и низкий коэффициент полезного действия. Причиной низкого КПД существующих турбин является недостаточно эффективное использование набегающего потока рабочими органами турбины, а также то, что одна половина ротора турбины движется навстречу потоку и, тем самым, тормозит вращение ротора.
Наиболее близкой к заявляемомой полезной модели является ветроустановка, содержащая ротор, кинематически связанный с нагрузкой, при этом вертикально расположенные лопасти ротора механически соединены с его вертикальным валом с возможностью совместного вращения вокруг его вертикальной оси и одновременно одностороннего отклонения от вертикального положения, при этом ротор содержит ограничители отклонения, обуславливающие возможность отклонения лопастей ротора только в одну сторону и определяющие направление вращения вала с лопастями (см. патент №2276285, F03D 3/06. 2001 г.) [2].
Недостатком известной ветроустановки является сложность конструкции и невысокий КПД.
Задачей настоящей полезной модели стало создание простой по конструкции турбины, которая воспринимает напор ветра, преобразуя его кинетическую энергию в механическую энергию вращения вала и повышение коэффициента полезного действия (КПД).
Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции и в повышении коэффициента полезного действия, и в снижении риска налипания снега достигается за счет того, что в поперечной турбине (по варианту 1), содержащей вал, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с потребителем получаемой энергии, ротор с рабочими элементами, закрепленными
на валу с возможностью совместного вращения, а так же ограничители, рабочие элементы выполнены в виде верхнего и нижнего дисков, жестко закрепленных на валу, и жестко прикрепленых к ним кронштейнов, задающих диаметр ротора, на внешних концах которых шарнирно закреплены рабочие плоскости с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и расположения их вдоль потока при холостом ходе, при этом рабочие плоскости выполнены в виде рамок, причем на верхних и нижних образующих рамок закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму, при этом ограничители установлены на концах кронштейнов с возможностью фиксирования рамки от вращения;
при этом в поперечной турбине парус имеет большую площадь, чем площадь рамки, с возможностью принимать куполообразную форму при рабочем ходе ротора;
при этом парус выполнен из эластичного материала.
При этом в поперечной турбине (по варианту 2), содержащей вал, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с потребителем получаемой энергии, ротор с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, а так же ограничители, рабочие элементы выполнены в виде верхнего и нижнего дисков, жестко закрепленных на валу и задающих диаметр ротора, при этом между дисками равномерно установлены и на дисках шарнирно закреплены рабочие плоскости с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и расположения их вдоль потока при холостом ходе, при этом последние выполнены в виде рамок, причем на верхних и нижних образующих рамок закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму, при этом ограничители установлены на нижнем диске с возможностью фиксирования рамок от вращения;
при этом в поперечной турбине парус имеет большую площадь, чем площадь рамки, с возможностью принимать куполообразную форму при рабочем ходе ротора;
при этом парус выполнен из эластичного материала.
При этом в поперечной турбине (по варианту 3), содержащей вал, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с потребителем получаемой энергии, ротор с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, а так же ограничители, рабочие элементы выполнены в виде дисков, жестко закрепленных на валу, и жестко прикрепленых к ним кронштейнов, задающих диаметр ротора, при этом один край гибкого элемента закреплен на верхнем кронштейне, а к свободному краю гибкого элемента прикреплена планка с
возможностью закрепления на нижних ограничителях;
при этом парус выполнен из эластичного материала.
При этом в поперечной турбине (по варианту 4), содержащей вал, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси и связанный с потребителем получаемой энергии, ротор с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, а так же ограничители, рабочие элементы выполнены в виде диска, жестко закрепленного на валу, и жестко прикрепленого к нему одного ряда кронштейнов, задающих диаметр ротора, на внешних концах которых симметрично по отношению своей горизонтальной оси шарнирно закреплены рабочие плоскости с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и расположения их вдоль потока при холостом ходе, при этом рабочие плоскости выполнены в виде рамок, причем на верхних и нижних образующих рамок закреплены гибкие элементы в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму;
при этом в поперечной турбине парус имеет большую площадь, чем площадь рамки, с возможностью принимать куполообразную форму при рабочем ходе ротора;
при этом парус выполнен из эластичного материала.
Из уровня техники не обнаружен аналог, совокупность признаков которого идентична всем признакам, содержащимся в независимых пунктах предложенной формулы полезной модели.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая поперечная турбина отличается совокупностью существенных признаков.
Таким образом, заявляемая конструкция поперечной турбины отвечает критерию «новизна».
В рассматриваемой поперечной турбине рабочие плоскости выполнены с возможностью вращения вокруг вертикальной оси и расположением их вдоль потока при холостом ходе, они выполнены в виде рамки с гибким элементом - парусом.
Заявляемую поперечную турбину отличает простота конструкции и изготовления, надежность и долговечность отдельных узлов и изделия в целом, экологическая безопасность и низкая себестоимость.
Заявляемая конструкция не нуждается в механизме поворота и направлении ветра, а так же в сложной конструкции ротора.
Достоинством ее является то, что увеличение диаметра ротора для увеличения мощности мало отражается на ее общем весе, но при этом увеличивается и плечо
рычага, к которому прилагается усилие ветра, что позволяет турбине работать при самом слабом ветре. Преимуществом предлагаемой конструкции является возможность работать в вертикальном и горизонтальном положениях.
Далее полезная модель будет пояснена более подробно, со ссылкой на чертежи:
На фиг 1 - схема поперечной турбины по варианту 1.
На фиг 2 - схема работы поперечной турбины.
На фиг 3 - схема поперечной турбины по варианту 2.
На фиг 4 - схема поперечной турбины по варианту 3, виды А и Б.
На фиг 5 - схема поперечной турбины по варианту 4.
На фиг.6 - схема горизонтального положения турбины.
На фиг.7 - схема работы поперечной турбины при разном направлении ветра.
На фиг.8 - схематичное изображение кронштейна 6 в разрезе.
На фиг.9 - схема двухъярусной поперечной турбины
Заявляемая поперечная турбина (по варианту 1) (фиг.1) содержит вал 1 вращающийся вокруг вертикальной оси в подшипниках 2, при этом нижний конец вала 1 механически соединен с передающим крутящий момент элементом 3, который соединен с потребителем получаемой механической энергии 4. На валу 1 жестко закреплены рабочие элементы, выполненные в виде дисков 5, и жестко прикрепленых к ним кронштейнов 6. На кронштейнах 6 установлены ограничители 6а. Вал 1 с рабочими элементами: дисками 5 с кронштейнами 6, которые задают диаметр вращения, образуют ротор (не обозначен). На внешних концах кронштейнов 6 в шарнирах 7 установлены рабочие плоскости, выполненные в виде рамок 8 и с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. На верхних и нижних образующих рамок 8 закреплены гибкие элементы 9 в виде паруса. Гибкий элемент 9 - парус, изготовлен из легкого материала, что обеспечивает возможность более высокого показателя преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию. Предпочтительно, чтобы парус был выполнен из эластичного материала. Гибкий элемент 9 парус имеет несколько большую площадь, чем площадь рамки 8 для свободного прогибания паруса под действием ветра. Куполообразная форма, которую принимает гибкий элемент под действием ветра, позволяет более эффективно использовать энергию ветра и иметь высокий КПД (известно, что парус имеет самый высокий КПД среди устройств, использующих энергию ветра).
Заявляемая поперечная турбина (по варианту 2) (фиг.3) содержит вал 1 вращающийся вокруг вертикальной оси в подшипниках 2, при этом нижний конец
вала 1 механически соединен с передающим крутящий момент элементом 3, который соединен с потребителем получаемой механической энергии 4. Рабочие элементы выполнены в виде верхнего 10а и нижнего 10б дисков, жестко закрепленных на валу. Между дисками 10а и 10б равномерно установлены и на дисках шарнирно закреплены рабочие плоскости с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, выполненые в виде рамок 8. Опытным путем заявителем получено, что оптимальное количество создающих вращающий момент элементов равно шести. На нижнем диске 10б установлены ограничители 6а для фиксирования рамок 8 от вращения. Вал 1 с рабочими элементами: дисками 10а, 10б, которые задают диаметр вращения, образуют ротор (не обозначен). Плоские диски 10а, 10б выполнены из легкого материала, например стеклопластика или алюминия. Диски 10а, 10б могут быть выполнены как сплошными, так и собираться из отдельных секторов (фиг.4в).
На верхних и нижних образующих рамок 8 закреплены гибкие элементы 9 в виде паруса с возможностью принимать куполообразную форму под напором ветра. Предпочтительно, чтобы парус был выполнен из эластичного материала. Гибкий элемент 9 парус, как и в варианте 1, имеет несколько большую площадь, чем площадь рамки 8 для свободного прогибания паруса под действием ветра. Куполообразная форма, которую принимает гибкий элемент под действием ветра, позволяет более эффективно использовать энергию ветра и иметь высокий КПД.
Заявляемая поперечная турбина (по варианту 3) (фиг.4) содержит вал 1 вращающийся вокруг вертикальной оси в подшипниках 2, при этом нижний конец вала 1 механически соединен с передающим крутящий момент элементом 3, который соединен с потребителем получаемой механической энергии 4. Вал с рабочими элементами, закрепленными на валу с возможностью совместного вращения, образуют ротор (не обозначен). Рабочие элементы выполнены в виде дисков 5, жестко закрепленных на валу, и жестко прикрепленых к ним кронштейнов 6, задающих диаметр ротора. На нижнем кронштейне 6 установлены ограничители 6а для фиксирования гибкого элемента 9. На верхнем кронштейне 6 закреплен один край гибкого элемента, а к другому краю гибкого элемента прикреплена планка 13 с возможностью зацепления за нижние ограничители 6а. На нижнем крае паруса могут быть выполнены петли или отверстия, а ограничители снабжены штырьками или крючками. При рабочем ходе полотнище паруса прижимается к нижнему кронштейну, стерженьки входят в зацепление с петлями, и парус оказывется закрепленным. При этом гибкий элемент 9 будет воспринимать напор ветра и создавать крутящий момент.
Как и в предыдущих вариантах, предпочтительно, чтобы парус был выполнен из эластичного материала. Гибкий элемент 9 парус, как и в варианте 1, 2 имеет несколько большую площадь, чем площадь рамки 8 для свободного прогибания паруса под действием ветра.
Заявляемая поперечная турбина по варианту 4 (фиг.5) выполнена аналогично варианту 1, однако рабочие элементы выполнены в виде одного диска 5, жестко закрепленного на валу, и жестко прикрепленого к нему одного ряда кронштейнов 6, задающих диаметр ротора. На внешних концах кронштейнов 6 симметрично по отношению своей горизонтальной оси в шарнирах 7 закреплены рабочие плоскости. Рабочие плоскости выполнены в виде рамок 8, на верхних и нижних образующих которых закреплены гибкие элементы 9. в виде паруса
Предпочтительно, чтобы парус был выполнен из эластичного материала. Гибкий элемент 9 парус имеет несколько большую площадь, чем площадь рамки 8 для свободного прогибания паруса под действием ветра. Данная конструкция требует меньшего количества кронштейнов, шарниров и упоров, поэтому она легче и дешевле других вариантов.
Кронштейны 6 в заявленной турбине имеют переменное сечение (фиг.8) и могут быть выполнены методом штамповки или гнутыми из листового материала. Для снижения веса их можно выполнять из более тонкого материала, применяя ребра жесткости. В качестве материала можно также применять армированные стеклопластики.
Для сведения к минимому потерь энергии кронштейнам и другим деталям желательно придать обтекаемую форму.
Заявляемая поперечная турбина работает следующим образом (фиг.2).
При движении рамки 8 от точки А к точке В по часовой стрелке происходит «холостой ход». Благодаря шарнирному креплению рамки 8, под действием потока ветра, рамка 8 поворачивается в шарнирах 7 и занимает положение вдоль потока воздуха, подобно «флюгеру». В таком положении рабочая плоскость находится при минимальном сопротивлении встречному потоку воздуха.
Дойдя до точки В, рабочая плоскость (рамка 8 с гибким элементом 9) прижимается к кронштейнам 6 и ложится на ограничители 6а, расположенные на кронштейнах 6. От точки В к точке А по часовой стрелке происходит «рабочий ход». При этом рамка 8 с гибким элементом 9 располагается поперек потоку воздуха, и гибкий элемент 9, под действием ветра раздувается и принимает куполообразную
форму подобно парусу. Парус раздувается, воспринимая энергию ветра, и поперечная турбина получает вращательное движение, то есть возникает крутящий момент. Воздух за счет вогнутости формы гибкого элемента 9 собирается внутри паруса, в отличие от плоских рабочих элементов-лопастей, где воздух стекает с рабочих элементов к боковым поверхностям, уменьшая давление воздуха и соответственно крутящий момент. Сочетание двух факторов - куполообразная форма гибкого элемента 9 - паруса при рабочем ходе, и расположение рамки 8 вдоль потока при холостом ходе, позволяет использовать энергию ветра с более высоким коэффициентом полезного действия (КПД). Кроме того, кронштейнам 6 и другим деталям можно придать обтекаемую форму для сведения к минимуму потери энергии.
Плоские диски 10а, 10б в поперечной турбине по варианту 2 формируют воздушный поток, направляя его на рабочие элементы и уменьшая турбулентность. Радиус плоских дисков 10 может быть равен длине кронштейнов 6 в варианте 1 или несколько увеличен.
Достоинством предлагаемой поперечной турбины является то, что увеличение диаметра ротора мало отражается на ее общем весе. Зато увеличивается плечо рычага, к которому прилагается усилие ветра, что позволяет турбине работать при самом слабом ветре.
Чем больше диаметр ротора, тем медленнее будет вращаться турбина, при этом переход создающих вращающий момент элементов из холостого положения в рабочее и наоборот будет происходить более плавно и четко.
На фиг 4 показаны гибкие элементы 9, которые выполнены без рамок 8. При этом гибкий элемент 9 будет воспринимать напор ветра и создавать крутящий момент.
Для предотвращения налипания снега и обледенения, поверхность деталей поперечной турбины желательно покрывать гидрофобным материалом. Конструкция поперечной турбины «Парус» в большей степени препятствует налипанию снега и обледенению, так как рамки 8 постоянно находятся в движении переменного направления. При этом они испытывают толчки, что способствует стряхиванию снега и льда. Парус, изготовленный из прочного, эластичного материала постоянно деформируются, при переходе из рабочего положения в холостое. Это препятствует налипанию снега.
Основным преимуществом поперечной турбины «Парус» является ее простота и
высокий коэффициент полезного действия, а так же ее возможность работать в вертикальном и горизонтальном положениях. Там, где направление потока постоянное, целесообразно применять горизонтальное положение турбины (фиг.6). В этом случае можно использовать турбины очень больших размеров и большой мощности. При вертикальном положении турбина может работать при любом направлении потока (фиг.7). Турбина не может служить единственным источником энергии для конкретного потребителя. В сочетании с другими источниками энергии турбина может дать огромную экономию. Повысить надежность обеспечения энергией и снизить остроту дефицита, способны автономные источники возобновляемой энергии.
Одним из таких источников энергии являются ветряные двигатели. Ветряной двигатель «Парус» может служить приводом для генератора электрической энергии.
Ниже следует неисчерпывающий пример наиболее оптимального выполнения заявленной полезной модели.
Как обсуждалось выше, турбина с размерами 20 м на 20 м, изготовленная из стальных панелей, будет иметь массу 28000 кг, и для нее потребуется крепление, а поперечная турбина «Парус» с равнозначными размерами и парусами, изготовленными из эластичной ткани будет иметь массу только 1000 кг.
Например, испытания, проводимые на турбинах выявили, что стальная турбина работает с КПД=20,3%, а турбина с парусом, изготовленным из эластичного материала работает с КПД=32,3%. Турбины, где применяется парус, становятся более эффективными по мере увеличения размеров турбины. При этом возможен КПД до 45% (Информация из Яndех, сайт www.archimedes, Практика - ветроэнергетика).
К выбору расположения ветродвигателя необходимо проявлять особое внимание в связи с влиянием касательных напряжений и поджатия горизонтального ветрового потока, проходящего над поверхностью земли. Касательные напряжения ветрового потока и, следовательно, возможная энергия ветра зависит от шероховатости поверхности земли в данном месте, в том числе сооружений, деревьев и других препятствий.
Условия, желательные для места установки поперечной турбины, следующие: большая среднегодовая скорость ветра, отсутствие высоких препятствий с подветренной стороны на расстоянии, которое определяется высотой препятствия; плоская вершина; выровненная возвышенность (с отлогими склонами) на плоской равнине или островах озер или морей; открытые равнины или побережье; горное ущелье, образующее туннель (Информация из Яndех, сайт www.archimedes).
Электроэнергию можно использовать для различных целей: отопление, освещение, электропривод для механизмов. Электроэнергию, без всяких преобразований можно использовать для отопления, для электролиза. Электролизом можно получить водород и кислород из воды.
Ветряной двигатель можно применять для снабжения электроэнергией многоэтажного дома, а так же для обогрева животноводческой теплицы. К теплице примыкает башня, на которой установлен ветряк. В башне размещен электрогенератор или теплогенератор, который преобразует механическую энергию в тепловую. Применяются ветряки и для индивидуального дома. Кроме стационарных установок ветряной двигатель «Парус» можно применять на мобильных устройствах; кораблях, сельхозмашинах. Если застопорить вал турбины и установить рабочие плоскости в форме крыльев бабочек, то турбина может служить в качестве паруса при попутном ветре.
Для увеличения мощности ветряной установки, можно соединить несколько секций турбин. Для создания особо мощной установки, турбины можно располагать в два яруса (фиг.9). Например, в Новороссийске преобладают северный и южный ветры. На фиг.7 показана работа поперечной турбины при разном направлении ветра. Если на горном хребте установить поперечные турбины «Парус», то можно получить колоссальное количество энергии. Особенно это важно в зимнее время, когда дует ледяной ветер с огромной скоростью до 40 м/сек. Электроэнергию, полученную от этих установок можно направить в котельные для обогрева или непосредственно по квартирам. У подножья гор расположены цементные заводы, они так же могут стать потребителями электроэнергии.
Заявляемая полезная модель конструктивно проста и может быть изготовлена промышленным или кустарным способом из известных широко распространенных материалов, предпочтительно материалов, применяемых в авиационной промышленности.
Источники информации.
1. Патент РФ №2231683, F03D 3/06, 2002 г.
2. Патент РФ №2276285, F03D 3/06, 2001 г. (прототип).