ТУРБИНА ДЛЯ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
TURBINE FOR WIND-POWERED ENGINE (VERSIONS)

Группа изобретений относится к ветроэнергетике, в частности к вариантам ветряных двигателей, предназначенных для использования в ветроэнергетических установках различной мощности, на сопках, в степях, в жилых и производственных помещениях, на надводном и наземном транспорте.
Известна ветровая турбина с вертикальной осью и радиальными воздушными камерами, содержащая диск, снабженный верхними и нижними радиальными лопастями и внешними лопастями. При вращении диска упомянутые лопасти максимально развертываются с образованием ряда воздушных камер. В секциях, вращающихся в противоположном направлении, силы фрикционного сопротивления минимальны за счет складывания лопастей (PCT/KR 09/0808, "Изобретения стран мира", вып.66 №8/2011).
Недостатком взятого за аналог решения является сравнительно малая рабочая площадь лопастей и большой шум при развертывании внешних лопастей, а также возможность образования воздушной пробки.
Технический результат для обоих вариантов изобретения заключается в увеличении производства электроэнергии в ветряных электродвигателях за счет увеличения рабочей площади турбины, которая складывается из площади верхних, нижних и промежуточных крыльев (первый вариант), а также в увеличении давления на турбину за счет добавочных крыльев (второй вариант).
Технический результат достигнут в изобретении благодаря следующим признакам.
Согласно первому варианту изобретения турбина для ветродвигателя, также как в ближайшем аналоге, содержит радиальные лопасти, соединенные с расположенным на валу диском.
В отличие от ближайшего аналога каждая лопасть в предложенном решении состоит из верхнего и нижнего крыла, между которыми закреплены промежуточные крылья. Верхние крылья установлены с наклоном в одну сторону так, что одна их сторона (тыльная) является воздухозаборником. Верхние крылья частично накрывают друг друга. Нижние крылья расположены с наклоном в противоположную верхним сторону. Промежуточные крылья имеют форму трапеций и установлены вертикально или под углом по отношению к верхнему крылу, причем их передняя низкая часть расположена в сторону центра турбины для обеспечения направления потока воздуха в сторону центра турбины.
Длина каждого промежуточного крыла может быть равна ширине лопасти в том месте, где оно установлено.
Согласно другому варианту изобретения длина каждого промежуточного крыла выполнена меньшей ширины лопасти в том месте, где оно установлено. В этом варианте изобретения промежуточные крылья установлены чаще, чем в предыдущем варианте.
На валу может быть установлен автомат для регулирования угла между валом и лопастями.
Также на валу может быть установлен автомат для регулирования угла захвата лопастями воздушного потока в пределах от 0° до 60°, т.е. поворота лопастей.
Для больших по величине турбин под лопастями могут быть установлены колесики, которые ходят по специальным дорожкам с ограничительным ободком, препятствующим поднятию лопастей ветром.
С помощью промежуточных крыльев лопасти строятся как фермы.
Согласно второму варианту изобретения турбина для ветродвигателя, также как в ближайшем аналоге, содержит радиальные лопасти, соединенные с расположенным на валу диском.
В отличие от ближайшего аналога каждая лопасть во втором варианте предложенного решения состоит из верхнего и нижнего крыла, между которыми закреплены промежуточные крылья. Верхние крылья установлены с наклоном в одну сторону и частично накрывают друг друга. Нижние крылья расположены с наклоном в противоположную верхним сторону. Промежуточные крылья установлены вертикально или под углом по отношению к верхнему крылу. Для обеспечения надежности установки турбины ее вал закреплен на местности с помощью балок, связанных с опорными стойками, соединенными с затяжными канатами, а на балке и опорной стойке закреплены добавочные крылья.
Добавочные крылья могут иметь Г-образную форму. В этом случае каждое добавочное крыло состоит из скрепленных между собой механически двух плоских прямоугольников, один из которых расположен горизонтально и закреплен на балке, а другой расположен вертикально и закреплен на стойке.
Добавочные крылья могут быть установлены с наклоном на угол 45°.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематически изображена турбина по второму варианту (вид сверху); на фиг. 2 - то же (вид в разрезе).
Позициями обозначены следующие элементы конструкции.
1 - верхнее крыло;
2 - промежуточные крылья;
3 - последнее (крайнее) промежуточное крыло;
4 - нижнее крыло;
5 - автомат, отвечающий за поднятие и опускание лопастей;
6 - автомат, отвечающий за поворот лопастей;
7 - чаша, за которую крепится балка для добавочных крыльев;
8 - вал;
9 - рукоятки вышеназванных автоматов;
10 - рычаги, связывающие автоматы с лопастями;
11 - шкив;
12 - подшипники;
13 - балка, соединяющая установленную на валу чашу 7 с опорными стойками для канатов;
14 - горизонтальная часть добавочного крыла;
15 - вертикальная часть добавочного крыла;
16 - диск, к которому крепятся лопасти;
17 - опорные стойки для канатов;
18 - шкворень, соединяющий лопасть с диском;
19 - ось, на которой крутится лопасть;
20 - затяжной канат;
21 - защитная крышка.
Как показано на фиг. 1, на диске 16 по кругу крепятся лопасти турбины. Их число зависит как от величины турбины, так и от ширины лопастей и, соответственно, чем больше лопастей, тем больше они будут накрывать друг друга верхними крыльями этих лопастей.
Верхние крылья 1 расположены под наклоном к горизонтальной плоскости и частично перекрывают друг друга. Угол их наклона, от которого зависит степень захвата лопастями турбины воздушного потока, может регулироваться.
Промежуточные крылья 2 имеют форму трапеций. Они механически закреплены на верхних крыльях и могут быть расположены по отношению к ним под любым углом. Промежуточные крылья берут на себя значительную часть давления воздуха, сопротивляясь ветру. Одновременно с этим они являются ребрами жесткости лопасти, наподобие фермы в строительной конструкции. Промежуточные крылья установлены меньшим основанием трапеции ближе к центру турбины, обеспечивая тем самым направление воздушного потока к ее центру.
Промежуточные крылья 2 могут быть установлены на всю ширину верхнего крыла или они могут быть выполнены короче. В последнем случае требуется более частая их установка.
Последнее промежуточное крыло 3, расположенное на краю внешней части каждой лопасти, выполнено выступающим относительно предыдущей лопасти (фиг. 1, 2) и захватывает воздушный поток по всей его высоте.
Наличие промежуточных крыльев в лопастях турбины, в соответствии с предложенным решением, играет важную роль в достижении заявленного в изобретении технического результата, поэтому для каждой турбины их высоту, длину и углы наклона как по отношению к верхнему крылу, так и по отношению к валу рассчитывают отдельно.
Нижние крылья 4 расположены под промежуточными крыльями и механически соединены с ними. Нижние крылья имеют наклон в сторону, противоположную наклону верхних крыльев. Они не только сопротивляются воздушному потоку, добавляя рабочую площадь, но и препятствуют поднятию лопастей ветром, поскольку ветер на них давит сверху. Нижние крылья выполнены более узкими, чем верхние.
Между нижними крыльями образовано небольшое пространство для отвода отработанного воздушного потока, а также для обеспечения безопасности при складывании лопастей при штормовых ветрах, поскольку, как уже отмечалось, на эти крылья воздух давит сверху, что препятствует поднятию лопастей ветром.
На валу 8 установлены два регулировочных автомата 5 и 6, соединенные рычагами 10 с каждой лопастью. Один из автоматов регулирует угол захвата воздушного потока верхними крыльями лопастей (от 0° до 60°), а второй - регулирует угол между валом и лопастями, при сильных ветрах опуская лопасти вниз. Автоматы выполнены механическими или гидравлическими, обеспечивая контроль за безопасностью работы турбины.
Верхняя часть вала 8 может быть закреплена на местности, где установлена турбина с помощью затяжных канатов 20. В этом случае сверху на вал установлена чаша 7, расположенная на подшипнике с отверстиями для балки 13. По бокам турбины, по меньшей мере, с трех ее сторон, установлены опорные стойки 17 с расположенными в их верхних частях ушками для затяжных канатов 20. Чаша 7 соединена со стойками 17 с помощью балок 13, на которых закреплены добавочные крылья, имеющие, например, Г-образную форму. Более длинные горизонтальные части 14 добавочных крыльев закреплены на балке под углом, повторяющим угол наклона верхних крыльев 1, равным, например, 45°. Более короткие вертикальные части 15 добавочных крыльев закреплены на опорных стойках 17 с наклоном в ту же сторону, что и последние промежуточные крылья 3, также, например, равным 45°.
Каждое добавочное крыло представляет собой два плоских упругих прямоугольника, соединенных между собой или отдельно стоящих. Длина и ширина частей 14 и 15 добавочных крыльев могут быть разными и зависят от особенности турбины.
Для обеспечения устойчивости конструкции в вертикальном положении служат опорные стойки 17, связанные затяжными канатами 20 с местностью и с валом 8 турбины.
С учетом возможной регулировки положения лопастей по высоте, в предложенной конструкции может быть обеспечена регулировка по высоте и опорных стоек.
Над центральной частью турбины может быть расположена жестяная крышка 21, защищающая турбину от атмосферных осадков.
Для больших по величине турбин, где нет возможности применить затяжные канаты, под лопастями устанавливают колесики (колеса), а под ними выполняют дорожку с ограничительным ободком, который препятствует поднятию лопастей ветром. Колесиков, как и соответствующих им дорожек, может быть несколько.
Предложенная конструкция лопастей турбины посредством использования вышеописанных крыльев увеличивает рабочую площадь турбины, которая складывается из площади верхних, нижних и промежуточных крыльев, обеспечивая при этом повышенное давление на турбину со стороны действия воздушного потока. В результате возникает максимальное сопротивление силам ветра в отсеках, вращающихся в направлении ветра, а с той стороны турбины, которая вращается против ветра, указанные крылья отталкивают воздушный поток, уменьшая его давление на лопасти турбины.
Турбина работает следующим образом. Набегающий поток воздуха попадает под верхние крылья 1, в частности, в отсеки, образованные между последними промежуточными крыльями 3, как показано стрелками на фиг. 1. Верхние крылья 1 сжимают и направляют воздушный поток вниз в турбину, а промежуточные крылья 2 и 3 сжимают и направляют воздушный поток в сторону центра турбины. Проходя два барьера воздушный поток сталкивается с нижними крыльями 4, которые в свою очередь направляют воздушный поток вверх, но проходя через нижнее крыло часть воздушного потока выходит из лопастей турбины через воздуховод, образованный в промежутке между верхними и нижними крыльями и попадает в следующую лопасть, а часть воздушного потока остается в отсеке, создавая там дополнительное давление. Одновременно в турбину направляется воздушный поток от частей 14 и 15 добавочных крыльев сверху и сбоку, которые увеличивают давление ветра на турбину. Добавочные крылья, находящиеся в месте вращения турбины против ветра, отталкивают ветер от турбины, частично уменьшая воздействие ветра на турбину.
Для укрепления конструкции турбины ее лопасти строятся наподобие ферм путем установки промежуточных крыльев под углом к верхнему крылу с образованием из них ломаной линии.