ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
WIND ENGINE

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для получения механической и электрической энергии.
Известен ветродвигатель, содержащий ветровую турбину и имеющий вертикальную осью вращения, состоящую, по крайней мере, из одной секции, с лопастями 5-образной формы. Турбина снабжена каркасом в виде многоугольной призмы с поворотными направляющими экранами, установленными на каждой стороне многоугольной призмы с возможностью обеспечения плавного перетекания воздуха с них на лопасти [Пат. RU 2550993, МПК F03D 3/00, 20.05.2013].
Недостатком указанной конструкции является необходимость регулировки положения направляющих экранов, так как направление ветра изменяется непрерывно. В связи с этим предусмотрен специальный механизм поворота и фиксации положения ветронаправляющих экранов. Поэтому часть ветровой энергии затрачивается этим механизмом, что снижает вырабатываемую мощность ветродвигателя. Кроме того, не используется ветровой поток, расположенный выше и ниже ветровой турбины, что препятствует увеличению коэффициента использования ветрового потока. Отметим также, что максимальная мощность электрогенератора достигается при определенной скорости вращения ветровой турбины. При достижении определенной скорости ветра ветронаправляющие экраны прикрывают конструкцию ветровой турбины, вплоть до ее полного закрытия. Это фиксирует скорость вращения якоря генератора и стабилизируется мощность выработки электроэнергии. Все вышеизложенное ограничивает коэффициент использования ветрового потока и мощность ветродвигателя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является ветродвигатель, содержащий электрогенератор, связанный с ветроколесом, ось которого расположена вертикально, при этом лопасти ветроколеса расположены между верхней и нижней плитами, причем нижняя плита жестко закреплена с основанием и к плитам прикреплены направляющие стены, одни концы которых расположены вблизи окружности, описываемой концами лопастей, а вторые их концы отведены к периферии. Противоположные концы соседних стен расположены по одной прямой линии, проходящей через вертикальную ось ветроколеса. При этом вал ветроколеса с прикрепленными к нему плоскими лопастями соединен с редуктором, который механически связан с электрогенератором [Пат. РФ 2237822, МПК F03D 3/00, 20.02.2004].
Недостатком указанной конструкции является то, что максимальная мощность электрогенератора достигается при определенной скорости вращения ветроколеса. Поэтому при увеличении скорости ветра электрогенератор будет работать за нормированными пределами эксплуатации, что снижает величину вырабатываемой электрической энергии, при этом ветроколесо будет вращаться с повышенной скоростью. Это увеличивает динамические нагрузки, что снижает надежность всей конструкции и уменьшает коэффициент использования ветрового потока и мощность ветродвигателя.
В этой связи важнейшей задачей является создание новой конструкции ветродвигателя, обладающей ступенчатым увеличением мощности вырабатываемого электрического тока.
Технический результат заключается в увеличении срока службы конструкции и повышении коэффициента использования ветрового потока.
Технический результат достигается тем, что ветродвигатель, установленный на основание, содержащий вертикальные лопасти, механически связанные с электрогенераторами, установленные вокруг лопастей между верхней и нижней плитами ветронаправляющие стены, одни концы которых расположены у окружности, описывающей лопасти, а другие концы отведены к периферии, причем противоположные концы соседних стен размещены по одной прямой линии, проходящей через ось ветродвигателя, при этом лопасти дополнительно снабжены верхней крышкой и нижней крышкой с кольцевыми буртиками, соответствующими кольцевым пазам, выполненным в верхней и нижней плитах и образующим с ними лабиринтное уплотнение, верхняя плита накрыта выпуклым кожухом, нижняя плита образует верхнее основание усеченной пирамиды, грани которой жестко соединены с основанием, причем плоскости соседних лопастей сопряжены цилиндрическими поверхностями, а каждый кольцевой буртик снабжен не менее чем тремя колесами, снабженными муфтами, механически связанными с электрогенераторами.
Предлагаемый ветродвигатель отличается от прототипа тем, что лопасти дополнительно снабжены верхней крышкой и нижней крышкой с кольцевыми буртиками, соответствующими кольцевым пазам, выполненным в верхней и нижней плитах. Такое конструктивное решение образует лабиринтное уплотнение, которое препятствует продвижению воздушного потока между лопастями и плитами, что наблюдается в прототипе. Поэтому увеличивается коэффициент использования ветрового потока ветродвигателя.
Выполнение верхней плиты с накрытым выпуклым кожухом при обтекании этого кожуха ветровым потоком вызывает вихри, образующие область пониженного давления. Поэтому увеличивается скорость ветрового потока за ветроколесом, что повышает коэффициент использования ветрового потока.
Изготовление нижней плиты в виде верхнего основания усеченной пирамиды, грани которой жестко соединены с основанием, совместно с направляющими стенами поднимает нижние воздушные потоки к ветроколесу, что способствует повышению коэффициента использования ветрового потока.
Изготовление плоскостей соседних лопастей сопряженными цилиндрическими поверхностями уменьшает, по сравнению с прототипом, возникновение вихревых движений воздуха перед лопастью, что увеличивает коэффициент использования ветрового потока.
Снабжение каждого кольцевого буртика не менее чем тремя колесами, снабженными муфтами, механически связанными с электрогенераторами, позволяет подключать дополнительные электрогенераторы при увеличении скорости ветрового потока. Подключение дополнительной нагрузки к ветроколесу приводит к снижению скорости его вращения, что увеличивает коэффициент использования ветрового потока. При этом увеличивается срок службы ветродвигателя за счет уменьшения динамических нагрузок, вызванных вращением ветроколеса. При снижении скорости ветра с помощью муфт возможно отключение одного или нескольких электрогенераторов от соответствующего колеса, что стабилизирует обороты вала электрогенераторов, а это повышает срок их службы. Поэтому увеличивается срок службы ветродвигателя.
На фиг. 1 изображен ветродвигатель в продольном разрезе (А-А), на фиг. 2 изображен ветродвигатель в поперечном разрезе (Б-Б).
Ветродвигатель, установлен на основание (показано условно, с помощью штриховки) и содержит, вертикальные лопасти 1, механически связанные с электрогенераторами 2. Вокруг лопастей 1, между верхней плитой 3 и нижней плитой 4, установлены ветронаправляющие стены 5, одни концы которых расположены у окружности, описывающей лопасти 1. Другие концы ветронаправляющих стен 5 отведены к периферии. При этом противоположные концы соседних стен 5 расположены по одной прямой линии, проходящей через вертикальную ось ветроколеса и совпадающей со следом плоскости разреза А-А. Лопасти 1, дополнительно снабженные верхней крышкой 6 и нижней крышкой 7 с кольцевыми буртиками 8 и 9, образуют ветроколесо. Кольцевые пазы 10 и 11, выполненные в верхней 3 и нижней 4 плитах, для свободного вращения кольцевых буртиков 8 и 9, образуют лабиринтное уплотнение между крышками 6, 7 и плитами 3, 4. Верхняя плита 3 накрыта выпуклым кожухом 12. Нижняя плита 4 образует верхнее основание усеченной пирамиды 13. Грани этой пирамиды жестко соединены с основанием (показано условно). Причем плоскости 14 и 15 соседних лопастей 1 сопряжены цилиндрическими поверхностями 16. Соединение каждого кольцевого буртика 8 и 9 с не менее чем тремя колесами 17 и 18, имеющими муфты 19 и 20, прикрепленные к осям электрогенераторов 2, образует механическую связь ветроколеса с электрогенераторами.
Предлагаемый ветродвигатель работает следующим образом. Ветровой поток входит в сужающиеся каналы, образованные ветронаправляющими стенами 5, прикрепленными к верхней 3 и нижней 4 плитам.
Лабиринтное уплотнение, образованное между крышками 6, 7 и плитами 3, 4, направляет далее ветровой поток на вертикальные лопасти, ограниченные сверху крышкой 6, а снизу крышкой 7. В результате кольцевой буртик 9 совместно с нижней крышкой 7 катится по трем нижним колесам 18, а кольцевой буртик 8 совместно с верхней крышкой 6 упирается в верхние колеса 17 и будет также по ним катиться, не позволяя опрокинуться конструкции ветроколеса. Причем каждые верхние 17 и нижние 18 колеса снабжены муфтами 19 и 20 для соединения с валами электрогенераторов 2. Поэтому при включении муфты электрогенератор вырабатывает электрический ток, отправляемый к потребителю.
Наличие нескольких электрогенераторов совместно с муфтами подключения (отключения) позволяет эксплуатировать их поочередно и поэтому по сравнению с прототипом увеличивается срок службы ветродвигателя. Возможность подключения одновременно нескольких электрогенераторов 2 также позволяет повысить срок службы. Это объясняется тем, что уменьшается динамическая нагрузка, так как ветроколесо вращается медленнее. При этом возрастает объем вырабатываемой электроэнергии, что повышает коэффициент использования ветрового потока.
Кроме того, достижению технического результата способствует выполнение верхней плиты 3 с накрытым выпуклым кожухом 12, так как при воздействии ветрового потока образуется область пониженного давления за этим кожухом, что увеличивает скорость ветрового потока за ветроколесом. При этом выполнение нижней плиты, с возможностью подключения дополнительных генераторов электрического тока увеличивают используемый ветровой поток.
Изготовление в ветродвигателе нижней плиты 4 в виде верхнего основания усеченной пирамиды 13, грани которой жестко соединены с основанием, совместно с направляющими стенами 5 позволяет поднимать нижние воздушные потоки к ветроколесу, что повышает коэффициент использования ветрового потока.
Таким образом, выполнение ветродвигателя с лопастями, снабженными верхней и нижней крышкой, образующими с верхней и нижней плитами лабиринтное уплотнение, с выпуклым кожухом, накрывающим верхнюю плиту, нижней плитой, образующей верхнее основание усеченной пирамиды, грани которой жестко соединены с основанием, и с сопряженными цилиндрическими поверхностями плоскостями соседних лопастей, позволяет увеличить срок службы ветродвигателя и повысить коэффициент использования ветрового потока.