ВИНДРОТОРНЫЙ АЭРОСТАТНО-ПЛАВАТЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
WIND MILL AEROSTAT-FLOATING ENGINE

Применяется для генерации энергии ветра в электроэнергию малых и средних мощностей, достигаемых в высотных скоростных слоях атмосферы.
Настоящий двигатель относится к энергетическим установкам, имеющим ортогональные лопасти и горизонтальную ось вращения виндроторов, перпендикулярную направлению ветра.
В большинстве климатических условий ветроэнергетические установки работают от ветра, перемещающегося в низовых слоях атмосферы с незначительными отклонениями от горизонтальности, не превышающими 6° к поверхности земли. Такое движение воздушных масс является единственно приемлемой для ветряных турбин с радиальными лопастями и осью вращения, совпадающей с направлением ветра, отклонение от указанной аэродинамики приводит к резкому падению КПД турбины и завершается ее полной остановкой в поднимающихся потоках воздуха. Это же правило действует применительно к виндроторам с ортогональными лопастями и осью вращения, перпендикулярной направлению ветра, та же ось должна одновременно занимать вертикальное положение.
Вместе с тем существуют регионы, где наблюдается в результате особых климатических условий или предгорного ландшафта преобладание восходящих атмосферных масс. Применение в таком случае систем с вертикально-осевыми виндроторами, поднятыми в составе аэростатно-плавательных модулей на высоту скоростных ветров, как ветрогенератор (патент RU 2576103 С1, 27.01.2015) или аэростатное крыло ветроэнергетического назначения (патент RU 2594827 С1, 15.10.2015), дает неудовлетворительные результаты. Уже при не столь значительном отклонении ветра от горизонтальной траектории мощность генераторов падает, т.к. аэростатные оболочки расположены относительно виндроторов так, что заслоняют их от напора наклонных воздушных потоков.
Наиболее распространенными видами привязных аэростатов являются наполненные легким газом шаровидные оболочки и их сигарообразные модификации (патенты RU 2046734 С1, 13.06.1991; US 20090152391 А1, 04.03.2006), к которым снизу при помощи строп подвешены корзины (патент RU 2026238 С1, 21.11.1991). Однако эти аэростаты не предназначены для ветроэнергетических целей, поднимают в атмосферу и удерживают на высоте прежде всего системы видео наблюдения, метеорологические приборы ретрансляторы и т.п. иное оборудование.
Приспособлению к ветроэнергетическим целям служит ветряная электростанция (патент DE 2524360 А1, 02.06.1975), в одной из модификаций которой (фиг. 17) ветросиловой блок подвешен к аэростатной оболочке перевернутой каплевидной формы на гибких стропах, что создает пространственную неустойчивость воздухоплавательного модуля в целом. Отличительной особенностью от этой станции высотной ветросиловой установки (патент SU 8970 А1, 11.08.1987) является использование жесткой фермы, закрепленной на днище аэростатной оболочки и служащей опорной конструкцией для по меньшей мере одного ветросилового блока. Поскольку в состав ветросиловых блоков обоих устройств входят турбины с осями вращения, совпадающими с направлением горизонтально перемещающихся ветров, применение таких установок в условиях восходящих воздушных потоков нецелесообразно по вышеизложенным причинам.
В надземной ветрогенераторной системе (патент RU 2457358 С1, 27.07.2012) используется виндротор с неортогональными лопастями Савониуса, горизонтальная ось вращения которого перпендикулярна направлению ветра. Перпендикулярная ориентация оси вращения виндротора на ветер является неизменным качеством устройства и сохраняется при любых перемещениях атмосферных потоков, включая их поднимающийся характер. Вместе с тем в этой системе виндротор располагается в аэростатно-плавательном модуле таким образом, что закрыт от поднимающихся ветров, будучи помещен в продольное отверстие горизонтально-вытянутой аэростатной оболочки или в щель между двумя горизонтальными оболочками, либо в зазор между элементами, соединяющими оболочки. Вследствие таких конструктивных особенностей системы вращение виндротора в восходящем воздушном потоке делается невозможным.
Известен ветродвигатель (патент SU 1509560 А1, 02.09.1987), оснащенный ортогонально-лопастными виндроторами с горизонтальными осями вращения, перпендикулярными направлению ветра, способными работать в восходящих потоках воздуха. Однако все виндроторы данного ветродвигателя приподняты над уровнем аэростатных оболочек, центр тяжести аэростатно-плавательного модуля смещен вверх, в устройстве отсутствуют элементы поддержания как продольной, так и поперечной стабильности модуля, оптимальной ориентации оси вращения его виндроторов в воздушном пространстве. Устойчивость генерации не обеспечена, возможности практического применения ветродвигателя вызывают серьезные сомнения.
Сущность изобретения состоит в том, что ветросиловой блок аэростатно-плавательного модуля устройства укомплектован двумя ортогонально-лопастными виндроторами, горизонтальные оси вращения которых перпендикулярны направлению ветра, разно направленно и симметрично выступают за пределы Н-образной рамы. Генератор установлен по середине рамы на ее горизонтальной перекладине, вал генератора выступает с обоих его торцов и сопряжен с соосными ему осями вращения виндроторов. Рама закреплена на кольце, прижатому к днищу аэростатной оболочки в форме газонаполненного шара меридианными лентами, отходит вниз диаметрально кольцу и в плоскости, перпендикулярной направлению ветра. Кроме рамы от кольца отходят кронштейны с плоскостными флюгерами. От перекладины рамы и от нижних оконечностей ее боковин свободно свисает трос-кабель и натянуты привязные троса, что сообщаются соответственно с кабельной бухтой и двумя диаметральными ей соосными лебедками, установленными в известном порядке на поворачивающейся платформе причального узла.
Целью изобретения является сохранение устойчивости и мощности генерации от восходящих воздушных потоков, достигаемой виндроторным двигателем с силовым блоком, поднятым аэростатно-плавательным модулем на высоту скоростных ветров.
Поставленная цель достигается тем, что аэростатная оболочка в форме газонаполненного шара объединена в одно целое с кольцом, имеющим плоскостные флюгера на кронштейнах и притянутым к днищу оболочки меридианными лентами, а также с Н-образной рамой, на перекладине которой установлен ветросиловой блок. Флюгерные кронштейны направлены от ветра и под прямым углом к свисающей вниз раме, их крепления к кольцу по месту их расположения совпадают. Генератор ветросилового блока находится по середине горизонтальной перекладины рамы, вал генератора выступает с его обоих торцов, через муфты соединен с соосными валу осями вращения ортогонально-лопастных виндроторов, одинаково раздвинутых за пределы рамы. Плоскость рамы, диаметрально свисающей с кольца, вместе с осями вращения виндроторов перпендикулярна направлению ветра благодаря привязки аэростатно-плавательного модуля гибкими связями к поворотной платформе наземного причального узла, которая отличается от известной схемы тем, что троса натянуты от нижних оконечностей боковин Н-образной рамы до двух соосных лебедок на упомянутой платформе, а трос-кабель свободно свисает от середины перекладины рамы до кабельной бухты на той же платформе.
На фиг. 1 показан общий вид виндроторного аэростатно-плавательного двигателя; на фиг. 2 - вид на аэростатно-плавательный модуль того же устройства с подветренной стороны.
Устройство состоит из аэростатно-плавательного модуля и причального узла, привязных тросов 1 и трос-кабеля 2. В свою очередь аэростатно-плавательный модуль включает в себя аэростатную оболочку 3 в форме газонаполненного шара, к днищу которой притянуто меридианными лентами 4 кольцо 5 с кронштейнами 6 и плоскостными флюгерами 7, в диаметральной и перпендикулярной направлению ветра плоскости кольца закреплена Н-образная рама 8. На середине горизонтальной перекладины рамы установлен генератор 9, к концам его вала, выступающим с обеих торцов генератора, через муфты 10 присоединены оси двух ортогонально-лопастных виндроторов 11, вращающихся в подшипниках 12, встроенных в боковины рамы, за пределы которой виндроторы выдвинуты одинаково. По середине перекладины рамы закреплен свисающий трос-кабель, а от нижних оконечностей рамных боковин натянуты привязные троса. Причальный узел устройства представляет из себя бетонную наземную тумбу 13 с поворотной платформой 14, где подветренно установлены две соосные лебедки 15 и диаметральная им кабельная бухта 16.
Настоящий двигатель работает следующим образом. Аэростатная оболочка устройства заполняется легким газом в объеме, необходимом для придания оболочке законченной шаровидной формы и достижения подъемной силы, достаточной для отрыва от земли и пространственной устойчивости аэростатно-плавательного модуля на высоте скоростных ветров, натяжения привязных тросовых связей с причальным узлом. Троса и трос кабель синхронно стравливаются с барабанов лебедок и кабельной бухты. В процессе подъема модуля до необходимой высоты он разворачивается воздушным потоком по круговой траектории вокруг места привязки, разворачивается через гибкие связи вместе с поворотной платформой причального узла и механизмами на ней. Ориентация модуля на ветер завершается после того, как горизонтальные оси вращения виндроторов становятся перпендикулярными направлению ветра. Скоростной напор ветра, в том числе при восходящем воздушном потоке, вращает ортогонально-лопастные виндроторы, механическая энергия подается в генератор, где преобразуется в электрическую энергию, направляемую по трос-кабелю через контроллер, аккумуляторную батарею и инвертор к потребителям. При изменении направления ветра его напор воздействует на наветренную боковую поверхность аэростатной оболочки и ветросиловой блок, аэростатно-плавательный модуль совместно с поворотной платформой разворачиваются снова до тех пор, пока направленность привязных тросов и трос кабеля не совпадут с новым направлением ветра, а горизонтальные оси вращения виндроторов не займут перпендикулярного положения к ветру.
В турбулентных условиях велика вероятность ситуации, когда ветровые нагрузки на ортогонально-лопастные виндроторы будут различны по величине, при которой может возникнуть крутящий момент, создающий вращение аэростатно-плавательного модуля и скрещивание его привязных тросовых связей. Это явление нейтрализуется наличием плоскостных флюгеров, парусность которых надежно поддерживает оптимальную ориентацию на ветер силового блока в предлагаемом устройстве.
Выбор для аэростатной оболочки шаровидной формы обусловлен восходящим характером воздушных потоков, при котором оболочки горизонтально-вытянутой конфигурации оказывают дестабилизирующее влияние на устойчивость аэростатно-плавательного модуля в атмосфере. Корма таких оболочек задирается вверх, привязные троса провисают, модуль теряет устойчивость пространственной ориентации, ветросиловые блоки могут занимать положения под нежелательными углами относительно направленности ветра.
При преобразовании ветра в восходящий атмосферный поток не происходит утраты мощности и устойчивой генерации электроэнергии, поскольку ветросиловой блок аэростатно-плавательного модуля оснащен ортогонально-лопастными виндроторами, горизонтальная ось вращения которых неизменно перпендикулярна любой направленности ветра. Модуль сбалансирован симметричностью установки плоскостных флюгеров, положением генератора посередине горизонтальной перекладины Н-образной рамы, одинаковостью выноса за пределы рамы, идентичностью крыловидного профиля ортогональных лопастей, габаритов и масс обеих виндроторов.