ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WINDMILL

Изобретение относится к области малой энергетики и может быть использовано для создания установок повышенной мощности.
Известна энергетическая установка, содержащая кольцевой понтон-ротор, размещенный с возможностью вращения вокруг центральной неподвижной башни, поворотные лопасти, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей, гибкие тяги, связанные со ступицей преобразователя энергии, установленной с возможностью вращения вокруг продольной оси неподвижной башни (см. патент РФ №2187018, БИ №22, 2002 г.).
Недостатком этого решения является большая подверженность воздействию волн, а именно большая нагрузка на понтон от набегающих ветровых волн.
Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая поворотные лопасти, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей и размещенные между жесткими кольцевыми дисками, элементы связи кольцевых дисков со ступицами преобразователя энергии, установленными с возможностью вращения вокруг продольной оси центральной башни, и кольцевой понтон-ротор, погруженный ниже уровня водной поверхности и размещенный с возможностью вращения вокруг центральной башни, при этом нижний кольцевой диск скреплен с кольцевым понтоном посредством полых цилиндрических колонн (см. заявку на изобретение №2006128057 от 01.08.06).
Эта установка как наиболее близкая по технической сущности к предлагаемой выбрана в качестве прототипа.
Недостатком прототипа являются большие потери энергии из-за гидродинамического сопротивления вращению ротора. При вращении ротора под действием аэродинамических сил, действующих на поворотных лопастях, вокруг кольцевого понтона и полых цилиндрических колонн практически сразу образуется кольцевой поток (водяной ринг). Однако из-за центробежных сил ринг вытесняется на периферию, рассеивая механическую энергию вращения ротора в окружающее водное пространство.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, выражается в повышении эффективности работы ветроэнергетической установки.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в снижении гидродинамических потерь энергии на формирование и поддержание водяного ринга.
Поставленная задача решается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая поворотные лопасти, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей и размещенные между жесткими кольцевыми дисками, элементы связи кольцевых дисков со ступицами преобразователя энергии, установленными с возможностью вращения вокруг продольной оси центральной башни, и кольцевой понтон-ротор, размещенный с возможностью вращения вокруг центральной башни, при этом нижний кольцевой диск скреплен с кольцевым понтоном посредством полых колонн, отличается тем, что полые колонны выполнены с вытянутым профилем в горизонтальном сечении, а наибольшая хорда горизонтального сечения каждой колонны отклонена под углом 0.5-20 градусов от касательной к траектории перемещения колонн, выставленной в центре горизонтального сечения данной колонны, при этом задняя точка наибольшей хорды расположена внутри траектории перемещения колонн.
Кроме того, наибольшая хорда горизонтального сечения каждой колонны направлена на центр горизонтального сечения колонны, идущей следом за ней при вращении кольцевого понтона-ротора.
При этом профиль полых колонн в горизонтальном сечении выполнен с плавным сужением к задней точке наибольшей хорды профиля.
Кроме того, полые колонны выполнены с наклоном 0.5-30 градусов вперед по направлению вращения кольцевого понтона.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «…полые колонны выполнены с вытянутым профилем в горизонтальном сечении…» позволяет снизить площадь лобового сечения колонн при сохранении их водоизмещения и прочности.
Признаки «…наибольшая хорда горизонтального сечения каждой колонны отклонена под углом 0.5-20 градусов от касательной к траектории перемещения колонн, выставленной в центре горизонтального сечения данной колонны, при этом задняя точка наибольшей хорды расположена внутри траектории перемещения колонн» позволяют значительно уменьшить рассеяние энергии водяного ринга во внешнее пространство.
Признаки 2-го пункта формулы в сочетании с последними признаками первого пункта обеспечивают быстрое формирование водяного ринга, сконцентрированного у понтона и колонн.
Признаки 3-го пункта формулы увеличивают эффективность за счет исключения образования застойных зон после прохождения колонн.
Признаки 4-го пункта формулы увеличивают эффективность за счет снижения вязкого трения по поверхности понтона и снижения волнообразования.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена ветроэнергетическая установка в разрезе. На фиг.2 показан разрез А-А фиг.1. На фиг.3 показан разрез Б-Б фиг.1.
На чертежах обозначено: 1 - кольцевой понтон-ротор, 2 - поворотные лопасти, 3 и 4 - нижний и верхний (соответственно) кольцевые диски, 5 - полые профильные колонны для крепления нижнего диска 3 с кольцевым понтоном-ротором 1, 6 - горизонтальные радиальные гибкие тяги для крепления верхнего кольцевого диска 4 с опорным кольцом 7, 8 - ступица преобразователя энергии (не показан), 9 - горизонтальные гибкие тяги для крепления ступицы 8 с нижним кольцевым диском 3, 10 - неподвижная башня, 11 - вертикальные оси лопастей, 12 - наклонные штанги.
Ветроэнергетическая установка представляет собой турбину, состоящую из двух систем, связанных полыми профильными колоннами, так что плоскости этих систем параллельны поверхности воды. Нижняя несущая система выполнена в виде кольцевого понтона-ротора 1, собранного из отдельных жестко связанных, например болтами или сваркой, понтонов. Причем водоизмещение понтона таково, что он полностью или в основном находится ниже уровня воды. Полые колонны выполнены с вытянутым профилем в горизонтальном сечении, а наибольшая хорда горизонтального сечения каждой колонны отклонена под углом α=0.5-20 градусов от касательной к траектории перемещения колонн, выставленной в центре горизонтального сечения данной колонны (точка О), при этом задняя точка наибольшей хорды расположена внутри траектории перемещения колонн. Кроме того, наибольшая хорда «а» горизонтального сечения каждой колонны направлена на точку О - центр горизонтального сечения (наибольшей хорды «b») колонны, идущей следом за ней при вращении кольцевого понтона-ротора. Кроме того, профиль полых колонн в горизонтальном сечении выполнен с плавным сужением к задней точке наибольшей хорды профиля. Дополнительно полые колонны наклонены на угол 0.5-30 градусов вперед по направлению вращения кольцевого понтона. На верхней несущей системе, представляющей собственно ветротурбину поперечного потока, установлены ветровоспринимающие рабочие органы, выполненные в виде поворотных лопастей 2, размещенных между жесткими кольцевыми дисками 3 и 4. Верхний кольцевой диск 4 скреплен горизонтальными радиальными гибкими тягами 6 с опорным кольцом 7, установленным на неподвижной башне 10. Причем опорное кольцо 7 установлено с возможностью вращения вокруг продольной оси башни 10. Ступица 8 преобразователя энергии скреплена горизонтальными гибкими тягами 9 с нижним кольцевым диском 3. Механизмы поворота лопастей 2 могут быть выполнены в любом общеизвестном варианте.
Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Поворотные лопасти 2 посредством механизмов их разворота (не показаны) поворачиваются вокруг вертикальных осей 11 на предварительно рассчитанные углы атаки относительно ветра. Аэродинамические силы, воздействующие на лопасти 2, передаются через оси 11 на нижний 3 и верхний 4 кольцевые диски. Малые зазоры между торцами лопастей 2 и плоскими поверхностями на дисках 3 и 4 препятствуют перетеканию воздуха по торцам, что исключает концевые потери мощности. При этом крутящий момент через колонны 5 приводит во вращение кольцевой понтон 1 и через предварительно натянутые гибкие тяги 9 - ступицу 8 преобразователя энергии. Вращение кольцевого понтона 1 и колонн 5 за счет гидродинамических сил приводит к образованию вращающегося потока (водяного ринга). Из-за отклонения горизонтального сечения каждой колонны от касательной к траектории перемещения на небольшой угол α, струи воды отклоняются вовнутрь, но благодаря центробежным силам водяной ринг концентрируется вблизи кольцевого понтона и колонн, значительно уменьшая потери энергии из-за гидродинамического сопротивления. Отклонение струй вниз из-за наклона колонн вперед по направлению вращения кольцевого понтона уменьшает волнообразование и силы вязкого трения по поверхности кольцевого понтона 1. Крутящий момент с верхнего кольцевого диска 4 через наклонные стержневые элементы (штанги) 12 также передается на нижний кольцевой диск 3 и далее на ступицу 8. Опорное кольцо 7, установленное в подшипнике на неподвижной башне 10, и ступица 8 удерживают диски 3 и 4 в горизонтальной плоскости соответственно через гибкие тяги 9 и 6. Тем самым обеспечивается жесткость понтона-ротора 1. Ветровые волны, проходя на поверхности моря над понтоном-ротором 1, оказывают лишь незначительное воздействие на колонны 5.