Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

РЕФЕРАТ
Изобретение относится к возобновляемым источникам электроэнергии в виде ветродвигателей вертикального типа. В настоящем изобретении раскрыта существенно отличающаяся от известных аналогов ветровая турбина, которая обеспечивает повышенный показатель преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию и, которая работает при всех ветровых режимах, вплоть до скорости 180 км/ч, и при частом изменении направления ветра.
В роторе ветродвигателя, содержащем вертикальный вал, на котором закреплены лопасти, а также содержащем четыре плоских вертикальных ветроконцентратора, установленных неподвижно вокруг ротора, согласно изобретению:
Лопасти выполнены в виде аэродинамических профилей и образуют в своей совокупности тангенциальный направляющий аппарат с частичным перекрытием в проекции на вертикальную плоскость соседних лопастей друг относительно друга, при этом ротор может быть снабжён средством для синхронного поворота лопастей вокруг вертикальных осей.
Ротор также может быть снабжён горизонтальной крыльчаткой со ступицей и лопастями, ступица скреплена с валом, а концы лопастей - с верхними краями роторных лопастей.
Лопасти ротора могут быть снабжены консольно установленными антикрыльями.

Текст

Смотреть все

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ В роторе ветродвигателя,содержащем вертикальный вал, на котором закреплены лопасти,а также содержащем четыре плоских вертикальных ветроконцентратора, установленных неподвижно вокруг ротора, согласно изобретению Лопасти выполнены в виде аэродинамических профилей и образуют в своей совокупности тангенциальный направляющий аппарат с частичным перекрытием в проекции на вертикальную плоскость соседних лопастей друг относительно друга, при этом ротор может быть снабжн средством для синхронного поворота лопастей вокруг вертикальных осей. Ротор также может быть снабжн горизонтальной крыльчаткой со ступицей и лопастями, ступица скреплена с валом, а концы лопастей - с верхними краями роторных лопастей. Лопасти ротора могут быть снабжены консольно установленными антикрыльями.(76) Мамбетов Самат НигметовичГеллер Сергей ВладимировичЖакыпов Мади Мирболатулы(57) Изобретение относится к возобновляемым источникам электроэнергии в виде ветродвигателей вертикального типа. В настоящем изобретении раскрыта существенно отличающаяся от известных аналогов ветровая турбина, которая обеспечивает повышенный показатель преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию и, которая работает при всех ветровых режимах, вплоть до скорости 180 км/ч, и при частом изменении направления ветра. Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии в виде ветродвигателей вертикального типа. В настоящем изобретении раскрыта существенно отличающаяся от известных аналогов ветровая турбина, которая обеспечивает повышенный показатель преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию и, которая работает при всех ветровых режимах, вплоть до скорости 180 км/ч, и при частом изменении направления ветра. В настоящее время в ветроэнергетике в большинстве случаев используются дорогие и сложные в техобслуживании трхлопастные роторы с горизонтальной осью вращения, с большим сроком окупаемости. Это связано с тем, что альтернативные роторы вертикального типа стали серьзно исследоваться на 70 лет позже, и ещ не достигли пика своего совершенства в диапазоне средних и больших мощностей. Преимуществом роторов вертикального типа является, прежде всего, более низкий срок окупаемости, а также то, что они допускают работу в широком диапазоне скоростей ветра. В то время как роторы с горизонтальной осью переводятся в защитный режим авторотации при некоей предельной скорости ветра, превышение которой чревато разрушением конструкции. В таком режиме пропеллер отсоединн от мультипликатора и генератора, электроэнергия не вырабатывается. А роторы с вертикальной осью испытывают значительно меньшие механические напряжения при равной скорости ветра, нежели роторы с горизонтальной осью. К тому же последние требуют дорогостоящих систем ориентации по направлению ветра. В то время как роторы с вертикальной осью могут работать при любом направлении ветра. Также преимуществом вертикальных роторов является их малая шумность и возможность установки в городских застройках, в том числе и на крышах зданий. Известны вертикальные ортогональные ветрогенераторы Н-Дарье, имеющие не более семи лопастей (преимущественно 3 или 4 лопасти) с аэродинамическим профилем. В таких турбинах хорды крыловидных лопастей перпендикулярны радиусам турбины. Все устройства такого типа допускают сквозное протекание ветра через диаметр ротора,что ограничивает коэффициент использования энергии ветра значениями 0,4. Известен также пропеллерный ветрогенератор с вертикальной осью по патенту 7 400 057 В 2. Ветрогенератор содержит рештчатый статор в виде набора профилированных колец, закреплнных на радиальных пилонах с зазором друг относительно друга. Внутри статора закреплн генератор, на валу которого закреплн горизонтально расположенный воздушный винт. Кольца статора направляют ветер вверх, в направлении винта. При этом кольца воспринимают на себя механические напряжения от потока,оставаясь неподвижными ветроконцентраторами. Недостатком этого устройства является малый коэффициент использования энергии ветра, поскольку не 2 используется возможность вращения профилированных колец с сопутствующим образованием крутящего момента на валу генератора (за счт действия аэродинамических сил на кольца). Известен Горизонтальный ветряный (так в оригинале) двигатель по авторскому свидетельству СССР 30 640, ротор которого содержит вогнутые лопасти,снаружи которых размещены криволинейные патрубки. Недостатком известного устройства является то, что криволинейные патрубки ускоряют воздушный поток лишь с наветренной стороны, так как вращаются совместно с лопастями. Кроме того, они пропускают через себя лишь незначительную часть воздушного потока,набегающего на фронтальную проекцию ротора. Более совершенны в плане ускорения ветра перед лопастями ветрогенераторы, содержащие набор неподвижных направляющих пластин,охватывающих ротор ( 1721285 А 1, 19922215898 С 1, 20032249722 С 1, 20056309172 В 1, 200119739921, 19992049066 А, 19802811720 А 1, 2002 ЕР 1096144 А 2, 200191/19093, 1991). Коэффициент использования энергии ветра у таких аппаратов более высок и может достигать значения 0,5. Наиболее близким аналогом к объекту настоящей заявки является изобретение по патенту 2 497 021, фактически являющееся частным случаем патента 2 279 567. Прототип содержит вертикальный вал, на котором закреплн ротор с лопастями. Он также содержит четыре вертикальных закреплнных неподвижно на корпусе пластины ветроконцентратора. При этом корпус выполнен двухъярусным,разделн горизонтальной перегородкой на две камеры. В нижней камере установлены упомянутые ветроконцентраторы, а верхняя часть фактически представляет собой своего рода вытяжной дефлектор (но не эжектор,как его называют патентообладатели). Данная конструкция имеет органические недостатки 1. Большие энергетические потери, возникающие вследствие разнонаправленности воздушных потоков в нижнем и верхнем ярусах. Часть потока из турбины в нижнем ярусе уходит не вверх, а перетекает в боковом направлении (см. фиг.2). Следствие всего этого - низкий коэффициент использования энергии ветра. 2. Экономическая нецелесообразность строительства крупных установок такой конструкции в силу е громоздкости и в связи с тем,что она предполагает сборку верхней и нижней крышек в единое целое. Задачей изобретения является преодоление указанных недостатков и повышение аэродинамической эффективности ротора. Задача решается тем, что В роторе ветродвигателя,содержащем вертикальный вал, на котором закреплены лопасти,а также содержащем четыре плоских вертикальных ветроконцентратора, установленных неподвижно вокруг ротора, согласно изобретению лопасти выполнены в виде аэродинамических профилей и расположены с частичным перекрытием соседних лопастей друг относительно друга в проекции на вертикальную плоскость,с возможностью образования в своей совокупности тангенциального направляющего аппарата, при этом ротор может быть снабжн средством для синхронного поворота лопастей вокруг вертикальных осей. Ротор может быть снабжн горизонтальной крыльчаткой со ступицей и лопастями, ступица скреплена с валом, а концы лопастей - с верхними краями лопастей ротора. Лопасти ротора могут быть снабжены консольно установленными антикрыльями. Изобретение иллюстрирую следующие фигуры Фиг.1 - заявленное устройство, фронтальная проекция, без ветроконцентраторов. Фиг.2 - то же, вид сверху, с сопутствующими ветроконцентраторами. Фиг.3 - поперечный разрез по А-А на фиг.1. Фиг.4 - вид сверху на ротор, снабжнный крыльчаткой и консольными антикрыльями, без ветроконцентраторов. Фиг.5 - объмное изображение ротора с крыльчаткой и консольными антикрыльями. Лопасти 1 кинематически связаны с вертикальным валом 2 посредством жстко связанного с валом и лопастями диска ротора 3. Лопасти 1 выполнены в виде аэродинамических профилей 4 и образуют в своей совокупности тангенциальный направляющий аппарат 5 с частичным перекрытием соседних лопастей друг относительно друга (в проекции на вертикальную плоскость), см. фиг.3. Внутренние поверхности лопастей 1 обозначены позицией 6. Направляющий аппарат, образованный совокупностью лопастей 3 представляет собой кольцевую структуру,создающую закрутку (циркуляцию) воздушного потока внутри ротора. К тому же, при такой кольцевой структуре, поток воздуха (в отличие от лопастей роторов типа Н-Дарье) не имеет возможности сквозного протекания через ротор,поскольку для этого потоку придтся совершить резкий поворот на угол порядка 300 градусов(фиг.3). Следовательно, поток закручивается и воздействует трением на внутренние поверхности крыльев 6. При этом на крылья действует сила,создающая дополнительный крутящий момент,совпадающий по направлению с основным. Ротор может быть снабжн средством для синхронного поворота лопастей вокруг вертикальных осей. При этом происходит синхронное изменение угловмежду хордами профилей лопастей и радиусами диска ротора. Это позволяет автоматически менятьв зависимости от скорости ветра. При слабом ветре углы увеличиваются, а по мере возрастания скорости ветра - уменьшаются. Тем самым происходит изменение скорости тангенциальных потоков воздуха в каналах аппарата 5. Возможно (и целесообразно) такое исполнение ротора, согласно которому он будет снабжн горизонтальной крыльчаткой 7 со ступицей 8 и лопастями 9, ступица скреплена с валом 2, а концы лопастей 9 - с верхними краями 10 роторных лопастей 1. Следует учесть, что верхние края 10 лопастей 1 плавно сопряжены с перпендикулярными им лопастями 9 крыльчатки 7. Такая конструкция решает сразу две важных задачи 1) Устраняет индуктивную составляющую аэродинамического сопротивления лопастей 1(подобно отогнутым законцовкам самолтного крыла - винглетам) 2) Достигается увеличение прочности конструкции ротора, поскольку верхние концы 10 лопастей 1 связаны через лопасти 9 и ступицу 4 с валом 2. Возможен также вариант исполнения ротора, при котором лопасти 1 могут быть снабжены антикрыльями 11, установленными консольно. Антикрылья крепятся снаружи лопастей 1. Антикрылья имеют плоскую либо вогнутую верхнюю поверхность и выпуклую нижнюю поверхность. При этом хорды профилей антикрыльев отклонены вниз в сторону набегающего потока. В комплект ротора входят также четыре прямоугольных ветроконцентратора 12 (фиг.2). Элементы 12 монтируются вокруг ротора отдельно от него и не требуют связи с общим корпусом, в отличие от прототипа. Комплект роторветроконцентраторы работает следующим образом. Вал 2 предварительно кинематически связывается с опорным подшипниковым узлом и электрогенератором (напрямую или посредством промежуточного мультипликатора). Эти элементы выходят за пределы рассмотрения данной патентной заявки, являясь известными для специалистов. Вокруг ротора на фундаменте или грунте устанавливаются ветроконцентраторы 12. При ветре любой силы элементы 12 фокусируют и ускоряют воздушный поток, направляя его всегда только по одну сторону от оси вращения ротора 3. При этом создаются условия, необходимые для приложения к лопастям 1 давления ветра, обеспечивающего крутящий момент, а не сдвиг всей лобовой проекции ротора, как это бы имело место при отсутствии элементов 12. Т.е.,ветроконцентраторы обеспечивают конструктивную целостность,необходимую для работы при сильном, в том числе ураганном, ветре. Важным аспектом в работе заявленного устройства является предотвращается нарушение вращения при экранировании роторов потоками воздуха с противоположного направления,что случается при изменении направления ветра. Предложенная ветровая турбина содержит ветроконцентраторы,установленные под оптимальным углом - по касательной к окружности ротора 3, поэтому они оказывают минимальное влияние на потерю кинетической энергии ветра. При обдуве лопастей 1 вначале создатся боковая аэродинамическая сила при обтекании ближайших к 3 фронту потока лопастей, аналогично работе лопастей обычных роторов Н-Дарье. Однако далее поток не уходит из внутренней части ротора наружу по прямой, а циркулирует по винтовой восходящей траектории, взаимодействуя с более отдалнными от фронта ветра лопастями (также с образованием положительного крутящего момента). При этом энергия ветра за счт сил трения воспринимается задними кромками 6 отдалнных лопастей. Это существенно отличает заявленный объект от известных аналогов и позволяет значительно повысить коэффициент использования энергии ветра. В верхней части ротора восходящий закрученный поток натекает на лопасти 9 крыльчатки 7. При этом у потока отбирается дополнительная кинетическая энергия,преобразуемая в дополнительный крутящий момент,что дополнительно увеличивает коэффициент использования энергии ветра. В варианте исполнения ротора с антикрыльями 11, ветер сообщает ротору дополнительный крутящий момент при обтекании антикрыльев,поскольку, как и в случае с лопастями 1, при обтекании антикрыльев возникают аэродинамические силы, направленные под углом к радиусам ротора, что создат дополнительный крутящий момент. При этом также возникает вертикальные, направленные вниз составляющие аэродинамических сил, прикладываемых потоком воздуха к антикрыльям. Происходит это в силу возникновения под антикрыльями зон пониженного давления при обтекании их воздушным потоком. В результате вертикальная составляющая аэродинамических сил прижимает ротор к подшипниковому узлу и компенсирует действие на крыльчатку 7 восходящего потока воздуха. На фигурах изображены трапецеидальные в плане лопасти 1. Но таким исполнением реализация лопастей в рамках заявленного изобретения не исчерпывается. Лопасти 1 могут иметь любую другую форму. В результате использования описанных конструктивных признаков достигнуто более полное использование природного источника энергии ветра. Вместо разработки системы, которая обеспечивает возможность только дополнительного улучшения характеристик и конструкции по сравнению с предшествующим уровнем техники, в настоящем изобретении использованы сочетания и способы, которые ранее не рассматривались в качестве возможных для получения характеристик,не имеющих себе равных в предшествующем уровне техники. Чтобы оптимизировать потенциальную выработку энергии путем использования энергии сильных ветров, а также слабых и умеренных ветров, и чтобы оптимизировать ввод и выпуск воздушного потока при обеспечении улавливания потоков воздуха с любого заданного направления,работа изобретения осуществляется при минимальном числе движущихся деталей. Аналоги, полностью соответствующие всем пунктам формулы изобретения, не найдены в ходе патентных исследований. Также отсутствуют сведения о том, что предмет настоящей заявки был реализован где-либо ранее. В литературе, доступной специалистам в средней квалификации в области ветроэнергетики не описаны сходные с объектом заявки технические решения. Что является подтверждением того, что изобретение явным образом не следует из современного или предшествующего уровня техники. Следовательно,изобретение соответствует понятиям абсолютная новизна и изобретательский уровень. Также изобретение уже реализовано в виде действующей модели и проверено практически в отношении работоспособности. Это обстоятельство во взаимосвязи с тем, что ветроэнергетика остро востребована во многих странах мира, подтверждает факт промышленной применимости объекта настоящей заявки. Таким образом, описанные технические решения соответствуют всем трм критериям, необходимым для выдачи патента на изобретение. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ротор ветродвигателя,содержащего вертикальный вал, с которым кинематически связаны лопасти, а также содержащего четыре плоских вертикальных ветроконцентратора,установленных неподвижно вокруг ротора,отличающийся тем, что лопасти выполнены в виде аэродинамических профилей и расположены с частичным перекрытием соседних лопастей друг относительно друга в проекции на вертикальную плоскость, с возможностью образования в своей совокупности тангенциального направляющего аппарата, при этом ротор снабжн средством для синхронного поворота лопастей вокруг вертикальных осей. 2. Устройство по п.1, в котором ротор снабжн горизонтальной крыльчаткой со ступицей и лопастями, ступица скреплена с валом, а концы лопастей крыльчатки - с верхними краями лопастей ротора. 3. Устройство по п.1 или 2, в котором лопасти ротора снабжены антикрыльями, установленными консольно.

МПК / Метки

МПК: F03D 3/06

Метки: ротор, ветродвигателя

Код ссылки

<a href="http://kzpatents.com/7-31497-rotor-vetrodvigatelya.html" rel="bookmark" title="База патентов Казахстана">Ротор ветродвигателя</a>

Похожие патенты