ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
WIND TURBINE

Изобретение относится к устройствам преобразования энергии воздушного потока и может быть использовано как автономный источник энергии, для преобразования энергии воздушного потока в механическую энергию, в различных устройствах промышленности, сельского хозяйства, жилищно-коммунального сектора и службах спасения.
Известны ветродвигатели [авторские свидетельства WO 2014006608 F1, 09.01.2014; RU 160241 U1, 10.03.2016; SU 1523709 F1, 23.11.1989; WO 2011085432 F1, 21.07,2011; RU 2231684, 27.06/2004; WO 2010030895 F2, 18.03.2010; RU 2008518 С1, 29.03.1991; RU 138852 U1, 05.03.2013; RU 2011137695 А, 13.09.2011; RU 2011137695 С2, 13.09.2011; RU 2014118159 U1, 05.05.2014; RU 2012137321 А, 31.08.2012; GB 2467569 А, 11.08.2010; SU 1550207 А1, 15.03.1990; US 4084102 А, 11.04.1978; US 4551631 А1, 05.11.1985; US 7883318 В2, 08.02.2011; RU 2012155480 C1, 07.02.2013; RU 2294452 C1, 27.02.2007; KZ 24308 В, 15.07.2011; RU 2352808 C2, 20.04.2009; RU 2375603 C2, 10.12.2009; KZ 24451 B, 15.08.2011], в которых энергетические установки относятся к энергетике из возобновляемых источников, в частности к ветроэнергетическим установкам, и обеспечивают преобразование энергии воздушного потока или течения воды в электрическую или иную энергию, использующие кинетическую энергию воздушных потоков путем прямого силового воздействия воздушного потока на лопасти винта или турбины (Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо. - М.: Энергоатомиздат, 1982 г.).
Рассмотрены разнообразные схемы и конструкции, где самым основным направлением для повышения эффективности работы энергетических установок являются как разнообразные конструкции различных активных элементов, так и различные типы входных устройств для традиционных винтов, направляющих воздушные потоки под оптимальными углами, одновременно увеличивая динамическое давление и кинетическую энергию потока. Также, с целью повышения величины ЭДС, прямо зависящей от частоты вращения, применяются мультпликаторы, которые не только увеличивают потери энергии, но также увеличивают затраты на эксплуатационные расходы.
Устройства WO 2014006608 F1, 09.01.2014 и RU 160241 U1, 10.03.2016; имеют наиболее близкое отношение к предмету заявки на изобретение, однако имеют существенные отличия от предлагаемого ветродвигателя.
Ветродвигатель лопастной WO 2014006608 F1, 09.01.2014 содержит раму с установленными на ней двумя параллельными цепными передачами и лопастями. Ветродвигатель снабжен разнесенными в поперечном направлении двумя парами направляющих, контуры которых повторяют контур цепной передачи. Лопасти выполнены с поворотными рычагами, расположенными под углом 90 градусов к их плоскостям. Оси вращения лопастей и концы поворотных рычагов снабжены роликами, перемещающимся по соответствующим парам направляющих. Упомянутые пары направляющих смещены друг относительно друга на величину «е», определяемую зависимостью e=hsinα, где h - длина рычага, м; α - угол наклона лопасти к направлению ветра. Технический результат, получаемый при использовании изобретения, - повышение к.п.д. за счет задействование большего числа рабочих лопастей от их общего количества. 1 н.п. ф-лы, 2 ил. фигура 5. На раме 1 установлены параллельно друг другу две цепные передачи. К цепям 9 шарнирно прикреплены оси 2 с жестко закрепленными на них лопастями 3. На осях 2 установлены под прямым углом к лопастям 9 рычаги 8 с роликами 4, двигающимися по направляющим 5. На концах осей 2 имеются ролики 6, перемещающиеся по направляющим 7. Направляющие 7 установлены параллельно цепям, а направляющие 5 имеют профиль, идентичный направляющим 7, чтобы обеспечивать угол наклона лопастей к направлению потока ветра в ведущей и ведомой ветвях цепных передач с противоположными знаками α. Пары направляющих 5 и 7 для обеспечения равенства углов α слева и справа, смещены друг относительно друга на величину «е», определяемую, при условии расположения рычагов 8 перпендикулярно лопастям 3, зависимостью e=hsinα, где h - длина рычага, м; α - угол наклона лопасти к направлению ветра.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Потоки воздуха, изображенные пунктирными стрелками, проходя сквозь левый ряд наклонных лопастей 8, расположенных под углом +α, создают усилие, направленное в одну сторону, а проходя через правый ряд лопаток с углом наклоном лопаток минус а (в другую сторону), создают усилие, направленное в противоположную сторону. Под действием таких пар сил звездочки цепной передачи 9, начнут вращаться. Экран 4 защищает лопатки 3 (фиг. 2) вверху цепной передачи 9, движущиеся навстречу напора ветра. Лопасти 3 удерживаются в наклонном положении с помощью поворотных рычагов 8, ролики которых скользят по направляющим 7 (фигура 5).
Лопасти 3 (фигура 5) выполнены с поворотными рычагами, расположенными под углом 90 градусов к их плоскостям, оси вращения лопастей и концы поворотных рычагов снабжены роликами, перемещающимся по соответствующим парам направляющих, а упомянутые пары направляющих смещены друг относительно друга на величину «е», меняют свой наклон при прохождении зон у звездочек цепной передачи 9(вверху и внизу), перемещаясь в направляющих 7.
Таким образом, Ветродвигатель лопастной WO 2014006608 F1, 09.01.2014, с цепной передачей и разнесенных в поперечном направлении двух пар направляющих, контуры которых повторяют контур цепной передачи, а также и выполнение лопастей с поворотными рычагами, расположенными под углом 90 градусов к их плоскостям, и снабжение осей вращения лопастей и концов поворотных рычагов роликами, перемещающимся по соответствующим парам направляющих, и имеет признаки отличия от предлагаемого изобретения:
- лопасти выполнены с поворотными рычагами, расположенными под углом 90 градусов к их плоскостям, оси вращения лопастей и концы поворотных рычагов снабжены роликами, перемещающимся по соответствующим парам направляющих, а упомянутые пары направляющих смещены друг относительно друга на величину «е», меняют свой наклон при прохождении зон у звездочек цепной передачи (вверху и внизу), перемещаясь в направляющих, снижают механическую надежность устройства в целом;
- лопасти выполнены с поворотными рычагами, расположенными под углом 90 градусов к их плоскостям, что приведет к неэффективному обдуву последующего ряда лопаток, так как они создают сопротивление и снижают скорость ветра сильно изменяя его направление, что негативно сказывается на эффективности устройства в целом;
- лопасти выполнены с поворотными рычагами, расположенными под углом 90 градусов к их плоскостям, что приведет к налипанию на них снега, льда, грязи, а в итоге утяжелению лопастей и в конечном счете остановке цепной передачи (ветродвигателя лопастного);
- устройство не позволяет использовать его по схеме преобразования механической энергии вращения в энергию воздушного потока.
Наиболее близким по техническому содержанию к заявляемому устройству является Ветротурбина RU 160241 U1, 10.03.2016 фигура 6, имеет 2 пары верхних и более низких шкивов и 2 бесконечных элемента поддержки которые каждое закрепили петлей над соответственно одной из пар шкивов. Верхние и более низкие шкивы приспособлены для того чтобы повернуть каждое о соответственно ось. Обе оси параллельны друг к другу и ветротурбина имеет множественность airfoils (лопастей) которые прикреплены в бесконечные элементы поддержки. Верхние шкивы могут быть различного диаметра чем более низкие шкивы для того чтобы повлиять на угол нападения воздушного потока и турбина может вращательно быть установлена на столбе так, что она будет смотреть на входящий ветер.
Таким образом, Ветровая турбина RU 160241 U1, 10.03.2016 фигура 6, имеет две пары верхних и нижних шкивов и два бесконечных опорных элемента, каждый из которых крепится над соответствующей одной из пар шкивов. Верхний и нижний шкивы приспособлены для вращения каждого вокруг соответствующей оси. Обе оси параллельны друг другу, а ветряная турбина имеет множество профилей, которые прикреплены к бесконечным опорным элементам. Верхние шкивы могут иметь различный диаметр, чем нижние шкивы, чтобы влиять на угол атаки воздушных airfoils (лопастей), и турбина может быть установлена с возможностью вращения на столбе, так что она может быть направлена к входящему ветру и имеет признаки отличия от предлагаемого изобретения:
- устройство установлено на не поворотном основании, не имеет стояк-флюгера, соответственно не может изменять свое направление влево или вправо по воздушному потоку, что снижает нормальную составляющую скорости воздушного потока обтекающего лопасти, что влияет на величину подъемной силы создаваемой на обтекающей лопасти, что снижает эффективность ветровой турбины в целом;
- верхние шкивы ветротурбины различного диаметра чем более низкие шкивы, чтобы повлиять на угол атаки профилей, на второй стороне, для того чтобы некоторые аэродинамические поверхности на второй стороне создавали подъемную силу направленную в нисходящем направлении, что повышает лобовое сопротивление и снижает подъемную на большей части аэродинамических поверхностях, за счет увеличения угла атаки и срыва пограничного слоя с верхней поверхности аэродинамических поверхностей, что снижает эффективность ветровой турбины в целом.
Ветродвигатель RU 2008518 С1, 29.03.1991 (фигура 1) (статус: по данным на 21.11.2016 - прекратил действие), содержащий жесткую раму 1, колеса 2 (изображены условно), цепи 3 (из дюралевых трубчатых элементов), которые конструктивно объединены с упорами 5, и лопасти 4, шарнирно закрепленные одной кромкой на осях, установленных между двух бесконечных цепей 3, натянутых на колеса 2 в общей раме, на цепях расположены упоры 5 ограничения поворота лопастей, а лопасти 4 с наветренной стороны подвешены свободно. Упоры 5 выступают внутрь объема, охватываемого цепями.
Общими недостатками рассмотренного Ветродвигателя RU 2008518 С1, 29.03.1991, основой конструкции являются следующие:
- для обеспечения саморегулирования частоты вращения цепи лопасти имеют существенный вес, что ограничивает применение устройства по силе воздушного потока;
- устройство не позволяет использовать его по схеме преобразования механической энергии вращения в энергию воздушного потока.
Из винтовых ветроэнергетических установок наиболее близким является Ветродвигатель RU 138852 U1, 05.03.2013 (фигура 2), содержащий электрогенератор (10), корпус выполнен в виде фрагмента крыла самолета (6), установленного на опоре (9) с возможностью его вращения относительно вертикальной оси (14), в средней части фрагмента крыла самолета выполнен сквозной канал (7) диаметром, равным четверти хорды фрагмента крыла, осевая линия сквозного канала перпендикулярна нижней плоскости фрагмента крыла самолета и проходит через высшую точку фрагмента крыла, в сквозном канале установлено ветровое колесо (8), ось которого соединена с осью ротора электрогенератора, над сквозным каналом, на одной с ним оси, установлена малая конгруэнтная часть крыла самолета (12), закрывающая верх сквозного канала, в нижней части сквозного канала установлен воздухозаборник с передним загибом (11) вниз, для стабилизации по направлению воздушного потока перпендикулярно передней кромке фрагмента крыла самолета (6) установлено вертикальное оперение (13).
Общими недостатками большинства рассмотренных винтовых ветроэнергетических установок, основой конструкции которых являются винты, являются следующие:
- различные скорости течения на разных радиусах лопастей винтов - нулевая линейная скорость вращения в центре и сверхзвуковое течение на концах лопастей, порождающее дополнительное сопротивление, вследствие чего эффективно работает только внешняя частей лопастей, находящаяся на определенных радиусах, в то время как остальная часть лопастей бесполезно трется о воздух; отсюда следует высокая стоимость конструкции ветроэнергетической станции;
- огромный момент инерции лопастей винта, создающий массу проблем, начиная от запуска генератора при слабом ветре и заканчивая оперативной ориентацией в случае смены направления воздушного потока, как следствие снижение полезной доли получаемой энергии;
- невозможность эффективного использования энергии воздушного потока по всей высоте установки, т.е. невозможность получения высоких показателей по съему кВт⋅ч с занимаемой площади, невозможность построения более высоких башен, достающих области более скоростных потоков воздушного потока;
- для эффективной работы генератора требуется ощутимая скорость воздушного потока, мин. 7-8 м/с и более.
Приведенные выше недостатки являются существенными ограничениями для широкомасштабного применения винтовых ветроэнергетических установок.
Этих недостатков лишены ветроэнергетические станции с вертикальным расположением вращающегося ротора (фигура 3), способные работать при скоростях воздушного потока от 0,5 м/с, при любом направлении воздушного потока, без каких бы то ни было дополнительных механизмов подстройки и коррекции. Наиболее близким по техническому содержанию к заявляемому устройству является ветровой энергетический модуль с вертикальной центростремительной турбиной и высокоэффективной энергетической установкой для производства переменного электрического тока RU 2012155480 С1, 07.02.2013, (фигура 3). состоит из основания (15), промежуточных опор (16), силовой рамы (17), ветровых энергетических модулей с вертикальной центростремительной турбиной (18), узлов крепления (19) к силовой раме (17), обтекателя (20), внутри которого находится технологическое помещение технологического лифта (сеч. А-А 21), движущегося внутри силовой рамы, антенны многоцелевого назначения (22), аккумуляторной станции (23), страховочных тросов (24).
Большим плюсом ветроэнергетических станций с вертикальным расположением вращающегося ротора является то, что с ростом скорости воздушного потока полезная снимаемая мощность только увеличивается, в то время как у винтов с ростом скорости происходит рост концевого сопротивления и при увеличении скорости воздушного потока сверх расчетных режимов происходит падение мощности. Это падение мощности наглядно отражено в технических паспортах серьезных фирм, производящих винтовые ветродвигатели.
Однако общими недостатками большинства эксплуатируемых и разрабатываемых ветроэнергетических станций с вертикальным расположением вращающегося ротора являются следующие:
- малая площадь полезной работы, несмотря на достаточно внушительные размеры, так как реальное количество лопастей, участвующих в полезной работе, составляет не более одной четверти от общего числа, чем и объясняется низкий коэффициент использования энергии воздушного потока;
- одна четверть лопастей, несмотря на обтекаемые профили, неизбежно создает прямое сопротивление вращению;
- лопасти, находящиеся в теневой зоне, подвергаются воздействию возмущенного потока с внешней стороны, создающего вихревые зоны и препятствующие вращению;
- поток воздушного потока, пройдя лопасти, устремляется к центру вращения и при отсутствии, в подавляющем большинстве, направляющих элементов и каналов для его эффективного отвода из центральной области создает застойный возмущенный поток во внутренней части ротора, препятствующий своим наличием прохождению свежих потоков, создавая сопротивление вращению ротора.
Основными недостатками известных приведенных установок является недостаточная эффективность использования энергии ветрового потока, громоздкость конструкции.
Анализ рассмотренных вариантов ветродвигателей показывает, что общим их недостатком является неэффективное использование энергии ветрового потока. Пути повышения эффективности ветродвигателей вытекают из рассмотренных недостатков - во всех случаях площадь ветрового потока используется не полностью. Для равномерной загрузки площади ветродвигателя целесообразно все элементы ветродвигателя поставить в одинаковые условия обтекания. Кроме того, вращательное движение рабочих элементов ветродвигателя желательно заменить поступательным.
Хотя упомянутые ветродвигатель WO 2014006608 F1, 09.01.2014, ветротурбина RU 160241 U1, 10.03.2016 и другие устройства [SU 1523709 F1, 23.11.1989; WO 2011085432 F1, 21.07, 2011; RU 2231684, 27.06/2004; WO 2010030895 F2, 18.03.2010; RU 2008518 С1, 29.03.1991; RU 138852 U1, 05.03.2013; RU 2011137695 А, 13.09.2011; RU 2011137695 С2, 13.09.2011; RU 2014118159 U1, 05.05.2014; RU 2012137321 А, 31.08.2012; GB 2467569 А, 11.08.2010; SU 1550207 А1, 15.03.1990; US 4084102 А, 11.04.1978; US 4551631 А1, 05.11.1985; US 7883318 В2, 08.02.2011; RU 2012155480 C1, 07.02.2013; RU 2294452 C1, 27.02.2007; KZ 24308 В, 15.07.2011; RU 2352808 C2, 20.04.2009; RU 2375603 C2, 10.12.2009; KZ 24451 B, 15.08.2011] практичны и эксплуатируются в течение многих лет, они имеют недостатки, включая неэффективность, экологическую угрозу и визуальное загрязнение.
Задачами предлагаемого изобретения является:
1. Создание способа преобразования энергии воздушного потока в механическую энергию, используя полипланную решетку из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечных цепей, для обеспечения непрерывности процесса полипланная решетка выполнена бесконечной.
2. Создание легкосборного, компактного, ветродвигателя с высокоэффективной по площади рабочей поверхности ветродвигателя - бесконечной полипланной решетки из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечных цепей, в котором для преобразования энергии воздушного потока в механическую используется бесконечная полипланная решетка из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечных цепей, в виде лопастей прикрепленных к звеньям бесконечных цепей, перекинутых через звездочки. Данная задача реализуется схемой представленной на фигуре 4.
Ветродвигатель содержит аэродинамические лопасти, которые закреплены на звеньях бесконечных цепей, образуя бесконечную полипланную решетку, натянутую на звездочки, установленные на осях, передающих крутящий момент на преобразователь механической мощности, и основание, а также содержит стойки-флюгеры, установленные на основании, через которые проходят оси, аэродинамические лопасти ветродвигателя установлены на звеньях под углом к набегающему потоку воздуха, при этом под положительным углом - движение в одну сторону, под отрицательным - движение в другую сторону, и преобразуют подъемную силу, возникающую на аэродинамических лопастях в поступательное движение бесконечной полипланной решетки - на передней и на задней ветви бесконечной полипланной решетки, причем аэродинамические лопасти передней ветви служат направляющим аппаратом для задней ветви, аэродинамические лопасти прикрыты аэродинамическим козырьком в верхней точке разворота лопастей на 180°.
Аэродинамические лопасти ветродвигателя 25 закреплены на звеньях бесконечных цепей 26, образуя бесконечную полипланную решетку из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечной цепи, натянутую на звездочки 27, установленные на осях 28, проходящих через стойки 29 (стойки-флюгера 35 фигура 4), установленных на основании 30 вращающегося через подшипник 33 на платформе 34, преобразователь для механической энергии 32 - потребитель подключается к концам осей 28. Аэродинамический козырек 31 в верхней точке разворота лопастей прикрывая их позволяет значительно снизить лобовое сопротивление набегающему на них потоку, при встречном движении лопастей в поперечном положении набегающему потоку. Аэродинамические лопасти установлены под углом к набегающему потоку воздуха (рекомендуется 14°), поэтому на них возникает подъемная сила, заставляющая лопасти вместе с цепью перемещаться перпендикулярно потоку. Это движение через звездочки передается на преобразователь механической энергии 32 - потребитель, при этом как с верхней, так и нижней оси (как указано на фигуре 4), или с обеих. Проходя через звездочки, лопасти поворачиваются на 180°, поэтому подъемная сила на них действует уже в противоположном направлении, однако момент на звездочках не меняет своего направления и суммируется с моментом от противоположной ветви. Таким образом, набегающий воздушный поток отдает свою энергию дважды - на передней и на задней ветви бесконечной полипланной решетки из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечной цепи, причем лопасти передней ветви служат направляющим аппаратом для задней ветви.
Бесконечная полипланная решетка из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечной цепи ветродвигателя движется на большей части траектории поступательно, т.е. все лопасти работают в одинаковых условиях, создавая одинаковые усилия, следовательно, в предлагаемом устройстве площадь, ометаемая рабочей частью ветродвигателя, используется наиболее эффективно. С точки зрения аэродинамики каждая лопасть представляет собой крыло большого удлинения, что также повышает эффективность преобразования энергии воздушного потока в энергию вращения звездочек с осями и наоборот при плоском параллельном движении лопастей бесконечной полипланной решетки из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечных цепей ветродвигателя. Расчет коэффициента полезного действия ветродвигателя можно произвести согласно теории решетчатого крыла.
После снятия бесконечной полипланной решетки из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечных цепей со звездочек, она может быть компактно уложена путем складывания лопастей друг на друга. Каркас для крепления звездочек может быть также выполнен разборным, облегчая задачу укладки и транспортировки устройства, в том числе и с помощью вьючных животных.
Ветродвигатель с рабочей поверхностью из бесконечной полипланной решетки из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечных цепей не имеет массивных вращающихся частей, следовательно, не требует ни специальной балансировки после монтажа, ни массивного фундамента, ни высоких мачт - высота крепления бесконечной полипланной решетки из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечной цепи полностью определяет высоту всего устройства. При изменении направления воздушного потока бесконечная полипланная решетка из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечной цепи под действием силы сопротивления воздушному потоку и стояк - флюгеров подобно флюгеру устанавливается в новое положение - перпендикулярно потоку воздуха. Этому развороту не мешает ни гироскопический момент от вращения ротора - вследствие малой инерционности звездочек, ни аэродинамический момент, обусловленный режимом косой обдувки ветроколеса, поскольку наличие бокового течения не изменяет равномерности обтекания лопастей бесконечной полипланной решетки из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечной цепи.
Сравнивая предлагаемое устройство, действующий макет фото 1, 2 и 3, ветродвигатель, с известными, следует, что данная конструкция достигает цель исследования - создание способа преобразования энергии воздушного потока в механическую энергию, используя бесконечную полипланную решетку из аэродинамических лопастей ветродвигателя и бесконечных цепей, и создания ветродвигателя легкосборного, компактного, с двойной рабочей поверхностью.