Ветрогенератор самоуправляемый

Ветрогенератор самоуправляемый относится к воздухоплавательной технике и предназначен для дирижаблей, преимущественно с гибридной силовой установкой, для регулирования динамического давления воздушного потока, действующего на лопасти ветрогенератора в полете или во время стоянки дирижабля на земле, когда он флюгирует на причальном устройстве, оставаясь ориентированным носовой частью всегда против ветра.
Известны ветрогенераторы, устанавливаемые на легких самолетах, дирижаблях, морских судах. Недостатком их является то, что длина лопастей подобных ветрогенераторов ограничена ввиду влияния окружающих их элементов конструкций транспортных средств, а мощности электроэнергии, вырабатываемой ветрогенератором, используются для обеспечения работы аппаратуры радиосвязи, освещения и подзаряда маломощных аккумуляторов. При изменениях скорости воздушного потока изменяется и скорость вращения лопастей, что приводит к колебаниям мощности получаемой электроэнергии.
Известен электрический дирижабль (патент на полезную модель №194695), у которого генераторы, вырабатывающие электрический ток, приводятся во вращение турбовальными авиационными двигателями и связаны электрическим кабелем с электрическими двигателями, вращающими, в свою очередь, лопасти воздушных винтов импеллеров.
При отказе в воздухе обоих турбовальных двигателей дирижабль попадает в аварийную ситуацию, так как самолетные аварийные ветрогенераторы, расчитанные на выработку электроэнергии мощностью 15 кВА для запуска турбовального двигателя, не работоспособны при скоростях полета менее 150 км/ч. Они выпускаются из самолетов автоматически или вручную при падении скорости до 200-230 км/ч и раскручиваются набегающим потоком воздуха. Недостатком аварийных самолетных генераторов является то, что они имеют узкий диапазон скорости полета для обеспечения бесперебойного электроснабжения - при большей скорости происходит разрушение лопастей и всего генератора, а при малой скорости не вырабатывается достаточной мощности электроэнергии. Кроме того, аварийный ветрогенератор находится снаружи самолета вплоть до его посадки, так как лопасти необходимо сложить, прежде чем установить ветрогенератор на штатное место - ограниченный по размерам отсек в фюзеляже. При неудачной попытке посадки и уходе на второй заход выпущенный аварийный ветрогенератор создает определенные сложности в пилотировании самолета на малых скоростях.
Аналогом - патентом РФ №2138683 - представлено ветроэнегетическое устройство для генераторов, в котором воздушный поток, попадая в напорный воздуховод в виде конфузора, внутри которого выполнен генератор с лопастями, эжектируется внешним коническим воздуховодом, в результате чего увеличивается энергия потока.
Недостатком этого технического решения являются большие габариты устройства.
Достижение постоянного числа оборотов ветродвигателя при любой скорости ветра предложено в патенте РФ №2165544, где сопряжение ведущего вала со ступицей генератора выполнено в виде подвижного зацепления, валы поворотных лопастей связаны между собой кинематически при помощи шарнирных двузвенных рычагов, а регулятор мощности выполнен в виде пружины, надетой на вал между упором и подвижной ступицей. Недостатками технического решения являются сложность кинематической схемы и низкий уровень надежности при работе в зимнее время.
Наиболее близким аналогом-прототипом является ветрогенератор самоуправляемый (патент РФ №2365781), в котором коническая насадка с лопастями, установленными на кронштейнах, выполнена с возможностью их поворота в зависимости от силы ветра. Кронштейны с лопастями удерживаются пружинами. При сильном ветре лопасти складываются параллельно оси вала генератора. Недостатком технического решения является то, что при сильном ветре генератор прекращает выработку электроэнергии.
Целью настоящего технического решения является устройство ветрогенератора самоуправляемого для дирижабля с гибридной силовой установкой, способное увеличивать или уменьшать аэродинамическое давление на лопасти генератора в широком диапазоне полетных скоростей (30-150 км/ч) и обеспечивать выработку электроэнергии как для запуска в воздухе отказавших авиационных турбовальных двигателей, установленных на его борту, так и для бесперебойного питания всех бортовых потребителей электроэнергии во время длительной стоянки в полевых условиях.
Указанная цель достигается тем, что конфузор ветрогенератора выполнен из отдельных лепестков, отформованных до сборки в виде геометрической фигуры двойной кривизны - по торцам конфузора в виде круга, а по его длине кривой удобообтекаемого тела. При этом лепестки взаимодействуют друг с другом посредством продольных пазов и выступов в каждом из них, выполненных эквидистантно, что исключает появление просветов между ними. Продольное перемещение конфузора осуществляется воздействием пружин, выполненных в гильзах. При усилении скоростного напора лепестки сжимаются, уменьшая выходное отверстие конфузора и не доводя значения угловой скорости концов лопастей генератора до сверхзвуковых значений. При ослаблении давления скоростного напора и вследствие этого уменьшения выработки генератором электрической мощности, недостаточной для запуска турбовального двигателя, пружины отжимают конфузор, увеличивая его входное отверстие, что ведет к повышению мощности скоростного напора воздуха.
Материалом лепестков является полимерный материал капролон, обладающий прочностью стали, высокой степенью антифрикционной стойкости, способностью работать без смазки при температурах от -60 до +120 градусов Цельсия и стойкостью к ультрафиолетовому излучению. Каждый лепесток снабжен системой электроподогрева, работающей в осенне-зимний период.
На фиг. 1 показано сечение Б-Б фиг. 4, где обозначено: 1 - корпус; 2 - ветрогенератор; 3 - конфузор; 4 - лепесток; 5 - пружина; 6 - шпангоут; 7 - гильза; 8 - ось; 9 - отъемная часть; 10 - кольцо плоское.
На фиг. 2 показан лепесток.
На фиг. 3 показано сечение А-А фиг. 1, где обозначено: 11 - толкатель; 12 - паз направляющий.
На фиг. 4 показан вид В фиг. 1.
Функционирование устройства осуществляется следующим образом. Помещенный в корпус 1 ветрогенератор 2 с лопастями воспринимает воздушный поток, проходящий через конфузор 3. Конфузор состоит из лепестков 4, а их положение у входного отверстия конфузора изменяется в зависимости от мощности воздушного потока. При малой мощности воздушного потока лепестки выжимаются пружинами 5 до максимального диаметра конфузора, направляя к лопастям больший объем воздуха. Когда мощность воздушного потока увеличивается, конфузор перемещается внутрь корпуса, сжимая пружины 5.
На фиг. 1 положение конфузора при этом показано выше продольной оси, а ниже продольной оси - положение выпущенного конфузора под действием пружин 5. Шпангоут 6 подкрепляет корпус 1. Количество пружин 5, как и лепестков 4, различно в зависимости от габаритных размеров конфузора. Пружины 5 помещены в гильзы 7, жестко соединенных к внутренним стенкам корпуса 1. Внутри гильз выполнены оси 8, закрепленные к торцам гильз. При продольных перемещениях конфузора все лепестки взаимодействуют друг с другом посредством продольных пазов и выступов в каждом из них, выполненных эквидистантно, что исключает появление просветов между ними.
Закругления кромок лепестков на входном отверстии конфузора не только повышают прочность конструкции, но имея дополнительное аэродинамическое сопротивление, обеспечивают плавное ускорение перемещения конфузора в направлении лопастей генератора при резких порывах лобового ветра. Все лепестки своей торцевой частью шарнирно соединены с плоским кольцом 10, которое удерживает лепестки, не связанные непосредственно с толкателем 11, образуя единый внутренний торец конфузора. Каждый толкатель 11 жестко соединен с двумя соседними лепестками и перемещается по оси 8 во время продольного перемещения конфузора. Для этого на каждой гильзе выполнен направляющий паз 12, препятствующий кольцевому смещению гильз.
В своей концевой части корпус 1 снабжен отъемной частью 9, обеспечивающей подход к пружинам 5 для их обслуживания или замены. На передней оконечности корпуса выполнены концевые выключатели, на фигурах условно не показанные, для фиксации конфузора при длительной стоянке дирижабля.
Расчеты показывают, что при ометаемой лопастями диаметром 1,5 м площади и при угле раскрытия конфузора равным 55 градусов с диаметром входной части 2,5 м и учитывая, что КПД лопастей, помещенных в аэродинамический канал, выше, чем у лопастей, работающих в открытом пространстве, при скорости полета 150 км/ч электрического дирижабля объемом 31800 кубических метров возможен запуск отказавших авиационных турбовальных двигателей, установленных на борту дирижабля.
На скоростях 80-100 км /ч полученной электроэнергии от двух ветрогенераторов также будет достаточно для запуска в воздухе или на стоянке указанных двигателей.
При стоянке дирижабля генераторы работают, обеспечивая соответствующим уровнем электрической мощности подзаряд аккумуляторов, питание бортовых обслуживающих систем, включая работу антиобледенительных устройств в осенне-зимние периоды.
Технический результат полезной модели заключается в том, что
- предложенное устройство ветрогенератора самоуправляемого позволяет поддерживать рабочий режим авиационного ветрогенератора, установленного на дирижабль, в широком диапазоне полетных скоростей - от 30 до 150 км/ч;
- лепестки конфузора автоматически осуществляют осевое перемещение конфузора в зависимости от мощности воздушного потока;
- перемещаемые друг относительно друга лепестки конфузора обеспечивают лопастям ветрогенератора самоуправляемого плавное изменение динамического давления воздушного потока при изменениях площади входного и выходного отверстий конфузора;
- взаимодействие лепестков конфузора практически не приводит к потерям воздуха сквозь зазоры их сочленений, так как пазы и выступы в каждом из лепестков выполнены эквидистантно, что исключает появление просветов между ними;
- ветрогенератор самоуправляемый работоспособен при любых метеовоздействиях в любое время года.
Таким образом, патентуемое техническое решение на полезную модель отвечает критериям «новизна» и «промышленная применимость».