| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2166665
Ветродвігатель для вітряків
Ім'я винахідника: Толмачов В.М .; Боровиков С.Н .; Савчук А.Д .; Лесина Л.Л.
Ім'я патентовласника: Військовий інженерно-технічний університет
Адреса для листування: +191185, Санкт-Петербург, вул. Захаріївська 22, ВІТУ, бюро з винахідництва і патентної роботі
Дата початку дії патенту: 2000.02.21
Винахід відноситься до вітротехніці, а саме до вітродвигуна з вертикальною остю обертання. Технічний результат, що полягає в підвищенні ефективності та надійності вітродвигуна, забезпечується за рахунок того, що в вітродвигунів, що містить конструкційний каркас з опорними підшипниковими вузлами вертикального вала, кінематично пов'язаного зі споживачем механічної енергії, вітроколесо, жорстко встановлене на валу, порожнистий направляючий апарат, що охоплює вітроколесо і встановлений на валу з можливістю обертання і флюгування, і утворюють конфузорно-діффузорний канал вертикальними стінками, одна з яких увігнута всередину апарату, регулювальне пристрій обмеження потоку повітря, відповідно до винаходу, вітроколесо виконано порожнистим і складається з жорстко закріплених на валу верхнього і нижнього горизонтальних дисків, по периферії яких і між ними нерухомо і рівномірно встановлені лопаті під кутом до напрямку радіусу вітроколеса 0-180 °, порожнистий направляючий апарат має внутрішню вертикальну перегородку, додатково утворює конфузорно-діффузорний канал зі входу і виходу потоку повітря, і в центрі охоплює вітроколесо своїм сектором з кутом розкриття 180 ° і радіусом, більшим і порівнянним з радіусом вітроколеса, зовнішня вертикальна стінка, яка примикає до внутрішньої поздовжньої перегородці, виконана опуклістю назовні, регулювальне пристрій виконаний у вигляді відцентрового регулятора, що взаємодіє при перевищенні допустимої кутової швидкості вітроколеса з порожнистим напрямних апаратом .
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до екологічно чистої вітроенергетиці, зокрема до вітродвигуна, які мають вертикальну вісь обертання, і може бути використано для вироблення електроенергії або виконання механічної роботи, наприклад, для створення електростанцій, в місцях, де відсутня електроенергія і переважають постійні вітри.
Відомий вітродвигун [1], що містить вертикальний вал з кронштейнами і прикріплені до них поворотні лопаті, що контактують з упорами, виконаними у вигляді встановлених навколо вала плоских панелей, які своїми краями з'єднані між собою і кронштейнами, причому кожна з вершин кутів, утворених сполуками панелей, розташована на осі симетрії відповідного кронштейна.
Відомий ротор вітродвигуна [2], який містить вертикальну вісь з укріпленою на ній рамою, пов'язану зі стійками, на яких розташовані лопаті, встановлені на горизонтальних осях з можливістю обмеженого повороту, скріплені під кутом одна до одної і мають довжину, що збільшується від центру до периферії. Ротор додатково забезпечений поворотними криволінійними лопатями, шарнірно закріпленими в місцях з'єднань горизонтальних осей і стійок.
Недоліками відомих пристроїв по [1] і [2], є:
- Неврівноваженість ротора вітродвигуна, в зв'язку з використанням поворотних лопаток (і, як наслідок, змінюється центр тяжіння всього ротора вітродвигуна), яка призводить до биття ротора, особливо, на великих швидкостях обертання (при сильному вітрі);
- Як наслідок, биття ротора призводить до великих динамічних навантажень на підшипники осі обертання і на каркас вітроустановок в цілому, що, в кінцевому підсумку, веде до зниження надійності та збільшення питомої матеріаломісткості вітроустановок;
- Механічні удари поворотних лопатей об упори (під впливом вітру, особливо, сильного) призводять до швидкого виходу з ладу деталей,, а й створюють підвищений шум (стукіт), що несприятливо позначається на екологічній (шумовий) обстановці району установки вітродвигунів і, особливо, на обслуговуючому персоналі;
- Наявність безлічі поворотних вузлів ускладнює конструкцію, знижує її надійність і збільшує вартість установок, їх обслуговування та ремонту.
Відомий вітродвигун [3], який містить встановлене на вертикальному валу вітроколесо з махами, на периферії яких розміщені розкладні прямокутні лопаті, забезпечені "Т" образні стійками, з обмежувачами у вигляді гнучких зв'язків, одні кінці яких пов'язані зі стійками, а інші - з відповідними вершинами лопатей, а й генератор, кінематично пов'язаний з ветроколесом.
Недоліками відомого пристрою [3] є: - неврівноваженість ротора, що вимагає посилення конструкції і збільшує його матеріаломісткість і вартість;
- Механічні удари (удари) лопатей (особливо, при сильному вітрі), які можуть привести до швидкого виходу лопатей з ладу і створюють підвищені шуми (шкідливу акустичну обстановку) для обслуговуючого персоналу вітродвигуна і в районі його установки в цілому.
Відома Вітроелектроустановка [4], що містить розташований на фундаменті вертикальний вал з траверсами з установленими на них лопатями із зірочками, які пов'язані співвідношенням 1: 2 ланцюговою передачею з блоком зірочок, соосно розміщеним на валу, і електрогенератор, причому вертикальний вал з жорстко і соосно закріпленим на ньому статором електрогенератора і двома зірочками встановлений з можливістю повороту, а траверси з лопатями і ротором електрогенератора встановлені з можливістю обертання на верхньому кінці вала, при цьому кожна з зірочок вала пов'язана ланцюгом з однією з половин зірочок лопатей.
Недоліком відомого пристрою [4] є:
- Динамічна неврівноваженість ротора в результаті аеродинамічних навантажень, складність конструкції і, як наслідок, її низька надійність і висока вартість;
- Необхідність частої мастила зірочок з ланцюговими передачами;
- Необхідність установки цілої системи стеження за напрямком вітру і управління поворотом вітроенергоустановки, що додатково знижує її надійність, і призводить до незручностей при ручному управлінні і вимагає постійного обслуговуючого персоналу.
Відомий вітряної ротор [5], який містить центральну вісь з установленими на ній верхньої і нижніми кришками, верхній і нижній пояси, укріплені на центральній осі стінки-лопаті, що утворюють равнооб'емние сектора, утворені дугою радіуса пояса, з центром на колі пояса, при цьому стінки лопаті виходять за коло поясів і загнуті під кутом до кола поясів.
Недоліком відомого вітряного ротора [5] є його велика гідравлічний опір, так як ротор зі стінками лопатями є в проекції на перпендикулярну потоку повітря площину суцільний прямокутник, не пропускає крізь себе потік повітря, що робить проблематичним його установку на судні в якості рушія ( як зазначено в патенті [5]).
Прототипом запропонованого винаходу є вітродвигун [6], який містить конструкційний каркас з опорними підшипниками вертикального вала, на якому з можливістю обертання встановлений порожнистий направляючий апарат з бічними стінками, що утворюють конфузорно-діффузорний канал і, розташоване всередині порожнього направляючого апарату, жорстко встановлене на валу вітроколесо з лопатями.
Недоліками прототипу є:
- Великий аеродинамічний опір вітроколеса;
- Низький ефект флюгування полого направляючого апарату з одного увігнутою стінкою;
- Неможливість автоматичного регулювання потужності вітродвигуна і його захисту від перевантажень при поривах вітру, ураганах і т.д.
Зазначені недоліки ставлять завдання підвищення ефективності і надійності вітродвигуна.
Зазначена задача досягається нижче описуваних ветродвігателем, що містить конструкційний каркас з опорними підшипниковими вузлами вертикального вала, кінематично пов'язаного зі споживачем механічної енергії, вітроколесо, жорстко встановлене на валу, порожнистий корпус - направляючий апарат, що охоплює вітроколесо і встановлений на валу з можливістю обертання і флюгування, і утворюють конфузорно-діффузорний канал вертикальними стінками, одна з яких увігнута всередину апарату, регулювальне пристрій обмеження потоку повітря,
ветроколесо виконано порожнистим і складається з жорстко закріплених на валу верхнього і нижнього горизонтальних дисків, по периферії яких і між ними нерухомо і рівномірно встановлені лопаті, встановлені під кутом до напрямку радіусу вітроколеса від 0 o до 180 o,
порожнистий направляючий апарат має внутрішню профільну перегородку, додатково утворює конфузорно-діффузорний канал відповідно зі входу і виходу потоку повітря, і в центрі охоплює вітроколесо своїм сектором з кутом розкриття 180 o і радіусом, більшим і порівнянним з радіусом вітроколеса, а зовнішня стінка, яка примикає до внутрішньої поздовжньої перегородці виконана опуклістю назовні,
регулювальний пристрій обмеження потоку повітря виконано у вигляді автоматичного автоматичного відцентрового регулятора, встановленого на ветроколесе і взаємодіє при перевищенні допустимої кутової швидкості з порожнистим напрямним апаратом,
порожнистий направляючий апарат в проекції на горизонтальну площину вписаний в окружність, що має єдиний центр з вітроколеса, конфузорно частина полого направляючого апарату виконана більш короткою і широкою, ніж відповідно його діффузорного частина,
регулювальний пристрій обмеження потоку повітря виконано у вигляді встановленого на верхньому горизонтальному диску вітроколеса з можливістю обертання на осі "Г" -образного коромисла, на вертикальному плечі якого розташований вантаж, а на горизонтальному плечі - жорстко укріплена фрикційна накладка, що взаємодіє при перевищенні допустимої кутової швидкості вітроколеса з внутрішньою поверхнею полого направляючого апарату.
Введення полого вітроколеса, жорстко встановленого на валу і складається з жорстко закріплених на валу верхнього і нижнього горизонтальних дисків, по периферії яких і між ними нерухомо і рівномірно встановлені лопаті, необхідно для зменшення гідравлічного опору вітроколеса і підвищення його ефективності.
Введення кута установки лопатей до його радіусу в діапазоні від 0 o до 180 o, необхідно для вибору оптимального кута установки, який залежить від конфігурації і розмірів конфузорно-диффузорного каналу полого направляючого апарату, а й типу і форми лопаток, які можуть бути самих різних видів .
Введення в корпус полого направляючого апарату внутрішньої профільної перегородки, додатково утворює конфузорно-діффузорний канал відповідно зі входу і виходу потоку повітря, і в центрі охоплює вітроколесо своїм сектором з кутом розкриття 180 o і радіусом, більшим і порівнянним з радіусом вітроколеса, необхідно для підвищення ефективності направляючого апарату з ветроколесом в цілому, тобто ККД вітродвигуна.
Введення зовнішньої вертикальної стінки, яка примикає до внутрішньої профільної вертикальної перегородки полого направляючого апарату, виконаної опуклістю назовні, необхідно для підвищення здатності флюгування корпусу полого направляючого апарату в цілому.
Виконання за формою корпусу полого направляючого апарату так, що він в проекції на горизонтальну площину вписаний в окружність (принаймні трьома, зі своїх чотирьох кутів, - а четвертий кут знаходиться всередині даної окружності), з одним центром з ветроколесом, необхідно для визначення зони обертання полого направляючого апарату, яка визначає розміри конструкційного каркаса вітродвигуна і можливу зону наскрізного (для вітру) огорожі з метою забезпечення безпеки.
Виконання конфузорной частини полого направляючого апарату коротшою і ширшою, ніж відповідно його діффузорного частина, необхідно для підвищення здатності флюгування корпусу полого направляючого апарату в цілому.
Введення регулювального пристрою обмеження потоку повітря, виконаного у вигляді автоматичного відцентрового регулятора, встановленого на ветроколесе і взаємодіє при перевищенні допустимої кутової швидкості з порожнистим напрямним апаратом і відхиляє останній в сторону обертання вітроколеса пропорційно силі вітру (тобто кутової швидкості обертання вітроколеса, при її перевищенні) , необхідно для зменшення потоку повітря на вітроколесо і його запобігання від перевантажень і поломок.
Виконання автоматичного відцентрового регулятора, встановленого на верхньому горизонтальному диску вітроколеса з можливістю обертання на осі "Г" -образного коромисла, на вертикальному плечі якого розташований вантаж, а на горизонтальному плечі - жорстко укріплена фрикційна накладка, що взаємодіє при перевищенні допустимої кутової швидкості вітроколеса з внутрішньою поверхнею полого направляючого апарату, являє собою один з можливих варіантів (один з простих і надійних варіантів) виконання регулятора-пристрої обмеження потоку повітря.
Виконання вітродвигуна в сукупності з вищевикладеними ознаками (відмінними ознаками формули винаходу) є новим для вітродвигунів, і, отже, відповідає критерію "новизна".
Вищенаведена сукупність відмінних ознак не відома на даному рівні розвитку техніки і не випливає з загальновідомих правил конструювання вітродвигунів і їх допоміжного обладнання, що доводить відповідність критерію "винахідницький рівень".
Конструктивна реалізація вітродвигуна з вказаною сукупністю суттєвих ознак не представляє ніяких конструктивно-технічних і технологічних труднощів, звідки слід відповідність критерію "промислова придатність".
 |
 |
|
На фіг. 1 представлений вид вітродвигуна спереду з розрізами підшипникових вузлів і розбірного кожуха кінематичного з'єднання по Б-Б. На фіг. 2 представлений схематичний розріз вітродвигуна по А-А (вид зверху). На фіг. 3a) представлена виноска I в розрізі по фронтальній площині і (на фіг. 3б)) по лінії В-В (регулювального пристрою обмеження потоку повітря у вигляді автоматичного автоматичного відцентрового регулятора). | |
 |
Вітродвигун містить (фіг. 1) конструкційний каркас, розташований на підставі 1 (бетонній плиті, грунті і так далі), і складається з вертикальних стійок 2, верхньої поперечини 3, розтяжок 4 і опорних підшипникових вузлів, відповідно, нижнього 5, розташованого на підставі 1, і верхнього 6 - в центрі поперечини 3. в опорних підшипникових вузлах 5 і 6 встановлений вертикальний вал 7, кінематично пов'язаний пасової 8, ланцюгової або інший передачею зі споживачем механічної енергії 9, наприклад, електрогенератором з редуктором. На валу 7 встановлено вітроколесо 10 (фіг. 1 і 2), що складається з жорстко закріплених на валу 7 відповідно верхнього 11 і нижнього 12 горизонтальних дисків, по периферії яких і між ними нерухомо і рівномірно встановлені лопаті 13. Порожній направляючий апарат 14, що охоплює вітроколесо 10 встановлено на валу 7 (з можливістю обертання і флюгування), відповідно, на нижньому 15 і верхньому 16 підшипниках. Вертикальні стінки (фіг. 2 і 1) утворюють конфузорной канал 19 на вході в ветроколесо 10 і діффузорний канал 20 на виході повітря з вітроколеса 10. Вертикальна внутрішня стіна (перегородка) 18 охоплює вітроколесо 10 своїм сектором з кутом розкриття 180 o. Стінку 18 із зовнішнього боку полого направляючого апарату 14 закриває вертикальна стінка 21, яка опукла назовні і утворює всередині апарату 14 між собою і стінкою 18 замкнуту порожнину 22. Кинематическое з'єднання 8 вала 7 зі споживачем механічної енергії 9 (електрогенератором з редуктором) забезпечено розбірним чохлом 23 , необхідним для захисту останніх і нижнього підшипникового вузла 5 від зовнішніх впливів. Верхній підшипниковий вузол 6 закритий кришкою 24. Регулювальне пристрій обмеження потоку повітря (фіг. 1 виноска I і фіг. 3a) і фіг. 3б)) містить встановлену в вирізі 25 верхнього диска 11 вітроколеса 10 з можливістю обертання на осі 26, "Г" -подібний коромисло 27, на вертикальному плечі якого розташований вантаж 28, а на горизонтальному плечі коромисла 27 жорстко укріплена фрикційна накладка 29. Для зручності монтажу та регламенту вісь 26 укріплена пластинами 30 з роз'ємними з'єднаннями, наприклад гвинтовими. Потужність електрогенератора вітродвигуна може становити від 5 до 100 кВт, в залежності від розмірів електродвигуна. Установка вітроколеса вітродвигуна краща на висотах, не менше 10-12 метрів.
Вітродвигун працює наступним чином. Потік рухається повітря (фіг. 2 і 1), набігаючи на порожнистий направляючий апарату 14, завдяки увігнуто-опуклого (відповідно стінки 17 і 21 апарату 14) виконання та використання ефекту флюгування, автоматично повертає апарат 14 конфузорно каналом 19 проти потоку і в такому положенні стійко утримується доти, поки вітер не змінить свого напрямку. Потік вхідного повітря стискається в конфузорно каналі 19 (утвореному передніми ділянками стінок 17 і 18), і при цьому відбувається збільшення швидкості потоку повітря і направлення його на лопаті 13 вітроколеса 10, від якого ветроколесо 10 отримує обертовий момент, який через вал 7 і кінематичний зв'язок 8 передає споживачеві механічної енергії 9 (електрогенератори з редуктором). З вітроколеса 10 потік повітря потрапляє в діффузорний канал 20, де він розширюється (швидкість потоку при цьому падає) і виходить з апарату 14. При сильному вітрі (або при сильних поривах вітру) ветроколесо 10 починає обертатися з кутовою швидкістю, близькою до допустимої (критичної ), при цьому (фіг. 3) вантаж 28 коромисла 27 відцентровою силою відхиляється по радіусу вітроколеса 10 і піднімає свою горизонтальну полицю з фрикційної пластиною 29, яка взаємодіє з порожнистим напрямним апаратом 14 (тре про внутрішню поверхню верхньої кришки апарату 14) і тим самим повертає останній (проти сили, створюваної ефектом флюгування апарату 14) в сторону обертання вітроколеса 10, при цьому потік повітря, що надходить в конфузорной канал 19 і, відповідно, на вітроколесо 10 зменшується і швидкість його обертання падає. При сильному постійному вітрі може наступити стійке рівноважний стан апарату 14 під деяким кутом до напрямку вітру, коли сили тертя автоматичного відцентрового регулятора будуть врівноважені аеродинамічній силою флюгування апарату 14.
При обслуговуванні вітродвигуна і його ремонті, для забезпечення нерухомості вітроколеса 10 досить розгорнути апарат 14 його опуклою стінкою проти напрямку вітру і зафіксувати його в такому положенні будь-яким способом (наприклад, за допомогою додаткових розтяжок).
Техніко-економічне перевага винаходу полягає в тому, що в порівнянні з прототипом запропоноване ветроколесо володіє меншим гідравлічним опором і, отже, надає менші навантаження на вал і конструкційний каркас, що підвищує їх надійність і довговічність. Зменшення гідравлічного опору вітроколеса, поряд з правильним вибором кута установок лопатей призводить до підвищення ефективності вітроколеса (ККД) і вітродвигуна в цілому. І цього ж сприяє наявність в центрі напівкруглої (що охоплює вітроколесо) додаткової перегородки 18 (зменшуються завихрення повітря після виходу потоку з вітроколеса). Виконання однієї зі стінок опуклою, а й конфузорной частини апарату 14 ширшої і короткою, ніж його діффузорного частина дозволить посилити ефект флюгування апарату 14. А це дозволить в свою чергу зменшити розміри апарату 14, зменшити його матеріаломісткість і вартість, а й зменшити навантаження на вал 7 і підшипникові вузли. Виконання регулювального пристрою обмеження потоку повітря у вигляді автоматичного відцентрового обмежувача дозволить вберегти вітродвигун від перевантажень і поломок і забезпечити високу надійність і довговічність вітродвигуна в цілому, а й при експлуатації вітродвигуна обійтися мінімальним числом обслуговуючого персоналу. Метою підвищення надійності і довговічності служить і використання розбірного чохла 23 кінематичного з'єднання вала з перетворювачем механічної енергії 9, що складається з електрогенератора з редуктором. Розбірний чохол кінематичного з'єднання вала з перетворювачем механічної енергії необхідний для захисту останніх від впливу атмосферних опадів і пилу, а й для оперативного доступу при технічному обслуговуванні або ремонті.
ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ
1 - Патент Російської Федерації N 20299885, 6 F 03 D 3/00, 3/06, 27.02.96 р Бюл. N 6.
2 - Патент Російської Федерації N 20299886, 6 F 03 D 3/06, 27.02.96 р Бюл. N 6.
3 - Патент Російської Федерації N 2059877, 6 F 03 D 1/00, 25.02.91 р
4 - Патент Російської Федерації N 2030777, 6 F 03 D 3/02, 7/06, 10.03.95 р Бюл. N 7.
5 - Патент Російської Федерації N 2008515, 5 F 03 D 3/06, 28.02.94 р Бюл. N 4.
6 - Патент Російської Федерації N 2039308, 6 F 03 D 3/02, 09.07.95 р Бюл. N 19.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. вітрових турбін, що містить конструкційний каркас з опорними підшипниковими вузлами вертикального вала, кінематично пов'язаного зі споживачем механічної енергії, вітроколесо, жорстко встановлене на валу, порожнистий направляючий апарат, що охоплює вітроколесо і встановлений на валу з можливістю обертання і флюгування, і утворюють конфузорно-діффузорний канал вертикальними стінками, одна з яких увігнута всередину апарату, регулювальне пристрій обмеження потоку повітря, що відрізняється тим, що вітроколесо виконано порожнистим і складається з жорстко закріплених на валу верхнього і нижнього горизонтальних дисків, по периферії яких і між ними нерухомо і рівномірно встановлені лопаті під кутом до напрямку радіусу вітроколеса 0 - 180 °, порожнистий направляючий апарат має внутрішню вертикальну профільну перегородку, додатково утворює конфузорно-діффузорний канал відповідно зі входу і виходу потоку повітря, і в центрі охоплює вітроколесо своїм сектором з кутом розкриття 180 ° і радіусом, більшим і порівнянним з радіусом вітроколеса, а зовнішня вертикальна стінка, яка примикає до внутрішньої поздовжньої перегородці, виконана опуклістю назовні, регулювальне пристрій обмеження потоку повітря виконано у вигляді автоматичного автоматичного відцентрового регулятора, встановленого на ветроколесе і взаємодіє при перевищенні його допустимої кутової швидкості з порожнистим напрямним апаратом.
2. Ветродвігатель по п.1, що відрізняється тим, що порожнистий направляючий апарат в проекції на горизонтальну площину вписаний в окружність, що має єдиний центр з вітроколеса, конфузорно частина полого направляючого апарату виконана більш короткою і широкою, ніж відповідно його діффузорного частина.
3. вітрових по п.1, що відрізняється тим, що регулювальний пристрій обмеження потоку повітря виконано у вигляді встановленого на верхньому горизонтальному диску вітроколеса з можливістю обертання на осі Г-образного коромисла, на вертикальному плечі якого розташований вантаж, а на горизонтальному плечі жорстко укріплена фрикційна накладка, що взаємодіє при перевищенні допустимої кутової швидкості вітроколеса з внутрішньою поверхнею полого направляючого апарату.
Версія для друку
Дата публікації 31.01.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.