ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям с осью вращения ротора перпендикулярной направлению ветра.
Известно карусельное ветроколесо (RU 2202048, кл. F03D 3/00, 1999 г.), содержащее установленные на вертикальной оси рамочные махи, лопасти, шарнирно закрепленные в махах с возможностью поворота и циклически взаимодействующие с упорами и ограничителями поворота лопасти, закрепленными на махах. Лопасти выполнены плоскими, и ось вращения каждой лопасти разделяет ее на неравные части с соотношением площадей в пределах от 10:1 до 3:1. Каждый мах содержит жестко соединенные друг с другом горизонтальные стержни и вертикальные ребра жесткости. Лопасти установлены шарнирно в панелях, жестко закрепленных на махах. В каждой панели установлено несколько лопастей. Часть панелей в махах установлена перпендикулярно плоскости маха. Область взаимодействия лопасти с упорами и ограничителем поворота лопасти находится на расстоянии от 0,5D до 0,9D от оси вращения лопасти, где D - расстояние от оси вращения до ее наиболее удаленной кромки от этой оси, при этом взаимодействие упора и ограничителя с лопастью происходит по всей ширине лопасти.
Недостатками данной конструкции являются:
- снижение коэффициента полезного действия (КПД) ветроколеса, за счет того, что при количестве махов более двух работающие лопасти, установленные поперек направления ветра, частично или полностью перекрывают поток ветра к лопастям находящимся в их «тени». Это касается и лопастей установленных перпендикулярно плоскости маха;
- значительные колебания лопастей, при их повороте, вызванные расположением оси вращения лопасти, делящей ее площадь на неравные части с соотношением площадей от 10:1 до 3:1;
- высокий уровень шума, из-за того, что линейные скорости соответствующих точек лопасти в момент контакта с упорами и ограничителями достигают значительных величин по причине удаленности их от оси вращения на расстоянии от 0,5D до 0,9D;
- сложность и утяжеление конструкции из-за ввода специальных упоров и ограничителей поворота, а также панелей для установки лопастей. Кроме того, шарниры, соединяющие лопасти с панелями, находятся за пределами высоты лопасти, что ослабляет жесткость лопасти.
Известен также аэрогидродинамический двигатель Карпушкина (RU 2320890, кл. F03D 3/00, 2008 г.). Он содержит вертикальный вал вращения, связанные с ним оси параллельные валу вращения, и профильные лопасти, шарнирно установленные на осях. Лопасти имеют вогнуто-выпуклый или плоско-выпуклый тип профиля, причем диаметрально противоположные от оси вращения лопасти шарнирно соединены с жесткой тягой посредством закрепленных на выпуклых сторонах рычагов, расположенных перпендикулярно плоскости лопастей по линии их вертикальных осей поворота. Ось шарнира каждой лопасти смещена от центра тяжести и фокуса аэродинамического профиля в сторону большей части лопасти. Вертикальный вал вращения выполнен с полой правильной призмой, вершины углов которой сориентированы на соответствующие оси лопастей, причем перпендикулярно оси вала вращения в углах полой правильной призмы выполнены сквозные прорези на разных ярусах рабочего пространства.
Двигатель Карпушкина имеет некоторые недостатки, перечисленные выше и, кроме того, в этом двигателе только четыре лопасти, оси которых сориентированы на соответствующие углы призмы, что не вполне обеспечивает равномерность вращения ротора. Увеличение мощности двигателя, достигаемое за счет увеличения площади лопастей, увеличивает нагрузки на лопасти, что приводит к уменьшению срока службы последних.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по совокупности признаков является турбина с вертикальным валом вращения (RU 2316671, кл. F03D 3/00, опубликовано 10.02.2008 г.). Турбина содержит вал с жестко и нормально скрепленными с ним опорами и размещенные между опорами лопатки, установленные на осях с возможностью поворота, ограниченного двумя фиксаторами. Опоры размещены, по меньшей мере, в двух направлениях с образованием ряда. Лопатки выполнены из замкнутого эластичного материала, плотно охватывающего без возможности осевого перемещения утолщенную ось и подпружиненную от оси вертикальную жесткую кромку. Кроме того, каждая лопатка снабжена упорами, фиксирующими эластичный материал относительно утолщений оси.
Это устройство имеет следующие недостатки: снижение КПД из-за попадания части лопаток (лопастей) в зону «тени», создаваемую лопатками последующей опоры; высокий уровень шума из-за ударов лопаток об упоры и ограничители поворота; снижение долговечности из-за того, что лопатки выполнены из эластичного материала, воспринимающего многократные знакопеременные нагрузки.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является увеличение коэффициента полезного действия, увеличение плавности вращения ротора, уменьшение уровня шума, повышение долговечности.
Указанный технический результат достигается тем, что в ветроэлектростанции, содержащей ротор с вертикальным валом вращения, на котором укреплены махи с ограничителями поворота лопастей, и шарнирно лопасти, к парусному элементу каждой лопасти прикреплены вертикальная квадратная труба и два уголка с отверстиями, в которые вставлены и приварены пальцы, являющиеся осями вращения лопасти, причем пальцы вынесены за пределы парусного элемента и смещены по высоте к его середине, рамы махов выполнены из квадратной трубы на которую, в местах крепления лопастей, приварены накладки из квадратной трубы с отверстиями, в которых установлены втулки шарниров, причем каждая накладка, взаимодействуя с соответствующей вертикальной квадратной трубой лопасти, ограничивает поворот лопасти на угол от 0° до 90° относительно рамы махов, ротор имеет несколько ярусов махов, расположенных по высоте вала ротора, а каждый ярус имеет два маха расположенных симметрично относительно вала ротора и каждая пара махов в ярусе сдвинута относительно пары соседнего яруса на угол 180°:n, где n - число ярусов.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид ветроэлектростанции. На фиг.2 - разрез А-А, изображающий взаимоположение рам махов относительно друг друга и лопастей относительно рамы маха. На фиг.3 - разрез Б-Б, и на фиг.4 - вид В, показывающие лопасть и ее крепление к раме маха.
На валу 1 ротора ветроэлектростанции (фиг.1) крепятся махи. Махи включают в себя лопасти 2 шарнирно закрепленные на рамах 3, выполненных из квадратных труб. Махи, располагаясь по длине вала 1, образуют ярусы. Каждый ярус состоит из двух махов, расположенных симметрично (напротив друг друга) относительно вала 1. На валу 1 жестко закреплен ведущий шкив 4. Вал 1 опирается на упорный подшипник 5 и вращается в двух подшипниках скольжения 6. Ведущий шкив 4 через ремень соединен с ведомым шкивом 7, который установлен на тихоходном валу редуктора 8, а второй вал редуктора соединен с ветрогенератором 9. Вал 1 с ведущим шкивом 4, редуктор 8 и ветрогенератор закреплены на платформе 10.
Рамы 3 махов каждого яруса (см. фиг.2) смещены относительно рам соседних ярусов на угол 180:n, где n - число ярусов, а лопасти 2 имеют возможность поворота в шарнирах на угол от 0° до 90° относительно рамы 3.
Лопасть 2 (см. фиг.3 и фиг.4) включает в себя парусный элемент 11, к которому прикреплены вертикальная квадратная труба 12 и два уголка 13 с отверстиями, в которые
вставлены и приварены пальцы 14 шарниров, являющихся осями вращения лопасти. Пальцы 14, установленные параллельно валу 1, вынесены за пределы парусного элемента 11 и смещены по высоте к его середине.
К продольным квадратным трубам рамы 3 приварены накладки 15 из квадратной трубы с отверстиями, в которых установлены втулки 16 шарниров. Одновременно накладки 15 служат ограничителями поворота лопастей на угол от 0° до 90° относительно рамы 3.
Работу ветроэлектростанции иллюстрирует фиг.2. В процессе поворота маха от 0° до 180° вертикальная квадратная труба 12 лопасти 2 прижата воздушным потоком к квадратной трубе накладки 15, при этом парусный элемент 11 лопасти 2 параллелен раме 3 маха. В процессе поворота маха от 0° до 90° величина силы, вращающей ротор, изменяет свое значение от нулевого до максимального, а при повороте от 90° до 180° - от максимального до нулевого. В положении маха, соответствующему углу поворота равному 180°, лопасти 2 поворачиваются относительно оси шарниров. Вертикальная квадратная труба 12 лопасти 2 своей гранью упирается в квадратную трубу накладки 15, и лопасть занимают положение с углом 90° по отношению к раме 3. При повороте маха от угла превышающего 180° и до угла 270° на лопасть 2 действует некоторая положительная сила, помогающая вращению ротора. Величина силы сопротивления, на этом участке постепенно уменьшается до своего минимального значения. При повороте маха от 270° до 360° лопасти находятся в положении параллельном потоку ветра и силы сопротивления минимальны.
Равномерность вращения ротора обеспечивается за счет количества ярусов махов смещенных друг относительно друга на угол 180°:n, где n - число ярусов.
Для обеспечения независимости работы махов относительно друг друга, то есть исключения попадания последующей лопасти 2 в «тень» предыдущей, махи разнесены по высоте ротора в разные плоскости, образуя ярусы (см. рис.1). Кроме этого каждый ярус имеет только одну пару махов, что также полностью исключает попадание последующих лопастей в «тень» предыдущих. Все это позволяет, максимально используя силу потока ветра за полный оборот ротора, увеличить КПД ветроэлектростанции и обеспечить равномерное вращение ее ротора. Число ярусов выбирается исходя из требуемой равномерности вращения ротора.
Работу лопастей 2 иллюстрируют фиг.3 и фиг.4. Парусные элементы 11 поворачиваются потоком ветра относительно рамы 3 махов вокруг осей пальцев 14, вставленных во втулки 16. Таким образом, шарнир вынесен за пределы парусного элемента, что позволяет минимизировать колебания лопастей
При расположении парусного элемента 11 под углом 90° к раме 3 маха, вертикальная квадратная труба 12 лопасти своей гранью опирается на грань квадратной накладки 15 с правой стороны от оси пальца 14. При положении парусного элемента 11 параллельно раме 3 маха, другая грань вертикальной квадратной трубы 12 опирается на ту же грань накладки 15, но с левой стороны от оси. Таким образом, при повороте лопасти 2, места ее контакта с накладкой максимально приближены к оси поворота, где линейная скорость минимальна. Благодаря этому, поворот лопасти осуществляется плавно, без ударов, что снижает уровень шума и увеличивает долговечность устройства. Кроме того, уровень шума можно снизить за счет уменьшения ширины парусного элемента. При этом, для сохранения мощности, необходимо увеличить количество лопастей. Таким образом, большее количество лопастей в махе и большее количество ярусов позволяют увеличить мощность ветроэлектростанции и обеспечить равномерность вращения ротора. Это вращение через ременную передачу (см. рис.1, шкивы 4 и 7) и редуктор 8 передается на вал ветрогенератора 9.