Вертикальный ветродвигатель с колеблющимися лопастями

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Вертикальный ветродвигатель содержит вал с установленными на него траверсами подвески осей и лопасти. На каждой из осей, прикрепленных к серединам траверс, имеется пара колеблющихся плоских лопастей, соединенных шарнирами, а на полукруглых направляющих расположены пружины по обе стороны лопастей, при этом вертикальный ветродвигатель снабжен кожухом для защиты от внешних воздействий, совмещающим функции диффузора. Изобретение направлено на повышение коэффициента использования энергии ветра.

 

Область техники, к которой относится изобретение, относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям с вертикальной осью вращения.

Уровень техники.

Известен ряд прототипов, общим отличительным признаком которых является вертикальное расположение вала ротора ветродвигателя с радиальными траверсами, на которых различными способами устанавливаются профилированные лопасти, как с возможностью регулирования использования силы ветра в виде их поворота, так и без такого регулирования. Примерами являются следующие патенты: SU 1645602, F03D 7/06, 30.04.1991; RU 2042044, F03D 3/00, 20.08.1995; RU 2158848, 16.12.1998.

Основным недостатком предложенных конструкций являются их сложность и, как следствие, низкие надежность, прочность, ремонтопригодность, высокая стоимость и прочие, отмеченные их критиками, несовершенства таких конструкций. Необходимость использования дополнительных механизмов регулирования и синхронизации, пуска и остановки в их работе, также усиливает эти недостатки.

К отмеченным недостаткам используемых ветряков относятся так же низкая надежность в случае резкого изменения силы ветра и невозможность изменять крутящий момент при его передаче на вал генератора.

Главным существенным признаком данного изобретения являются использование плоских подвижных лопастей, совершающих колебательные движения в виде схождения и расхождения в зависимости от их ориентации относительно воздушного потока. Попутное движение воздушного потока вызывает расхождение лопастей, а встречное - их схождение. Лопасти крепятся на осях, прикрепленных к серединам траверс крестовины ротора ветряка. Для ускорения движение лопастей в обоих направлениях используются пружины, находящиеся по обе стороны лопастей на полукруглых направляющих. Пружины не закреплены на направляющих и поэтому свободно по ним перемещаются для улучшения динамики колебаний лопастей. При активном взаимодействии с лопастями, пружины или накапливают энергию сжатия, или передают ее на в направлении движения лопастей. Такое кратковременное накопление энергии благодаря упругому деформированию пружин с момента соприкосновения с лопастями при сжатии позволяет быстро возвращать накопленную энергию сжатия для ускоренного расхождения этих лопастей. Это позволяет лопастям быстрее раскрыться в плоскость для эффективного использования энергии ветрового потока при движении лопастей по его ходу (повышая парусность), и значительно не противодействовать их схождению при движении против ветрового потока для уменьшения парусности, в то же время накапливая определенную порцию энергии для последующего расхождения. Длина пружины на полукруглой направляющей по обе стороны лопастей подбирается экспериментально для обеспечения эффективного воздействия на схождение и расхождение этих лопастей. Устройство не зависит от направления ветрового потока. Оно не требует ориентирования с помощью флюгера перпендикулярно к направлению вера в отличие от ветряков пропеллерного типа. Такое качество является дополнительным преимуществом использования данного изобретения при резких изменениях направления силы ветра.

Технический результат, заключающийся в повышении коэффициента использования энергии ветра, упрощении конструкции и улучшении надежности ветродвигателя (ветряка) обеспечивается за счет того, что ветряк, содержащий вал с навешенными на него траверсами подвески, согласно изобретению, состоит из ротора в виде совокупности не управляемых дополнительными механизмами пар плоских рабочих лопастей. Пара этих лопастей соединяется шарнирами на вертикальных осях с возможностью их свободного полукругового вращения. Лопасти могут попарно сходиться и расходиться в противоположные позиции, образуя плоскую поверхность. Такая плоская поверхность создает увеличенную парусность при использовании силы ветра в случае движения лопастей по его направлению. В то же время при схождении лопасти уменьшает противодействие своему движению против ветрового потока при вращении ротора. Оси прикреплены к серединам траверс ротора. С целью укрепления всей конструкции ветряка каждая траверса сконструирована в виде прямоугольной рамки, которая, в свою очередь, используется как основание и опора полностью развернутых лопастей. Места касания лопастей и рамки траверсы могут дополнительно оборудоваться демпфирующими элементами для амортизации сильных ударов лопастей о рамку. Крепление рамки траверсы к оси ротор происходит автономно в зависимости от используемого числа траверс. Например, три траверсы образуют трехлучевую звезду, четыре - крестовину. Рекомендуемое число траверс в роторе - четыре. Преимущества использования трехлучевых роторов нуждаются в экспериментальной проверке. Предположительно, они уменьшают стоимость конструкции ветряка, но одновременно уменьшают и его мощность. Большее число траверс в роторе не целесообразно по причине ограничений, связанных с полукруговым движением лопастей. Пространство полукруга движения лопастей не должно пересекаться с другими элементами ротора. В данном варианте изобретения основным видом использования конфигурации траверс принята крестовина.

Разница сил, которые действуют на сдвинутые и раскрытые лопасти, образуют результирующий крутящий момент, который определяет общую эффективность использования энергии ветра для генерации электроэнергии или другого механического использовании вращении ветряка.

Направление ветра не влияет на работу такого ветряка, так как охлопывание и раскрытие рабочих лопастей безразлично относительно такого направления.

На фиг. 1 чертежа показан общий, вид ветряка с лопастями на крестовине ротора в раскрытом и сведенном положении в зависимости от направления ветрового потока. Для сравнения на концах диаметра ротора стрелками указаны векторы крутящего момента для соответствующих половин воздействия ветрового потока.

Ветряк содержит вал 4, траверсы 5, пары лопастей 1, полукруглые направляющие с пружинами по обе стороны лопастей 2. Направление вращения ротора 3 и направление ветрового потока 6 обозначены соответствующими стрелками.

Для опоры на земле и крепления с другими устройствами данный ветряк имеет соответствующие конструктивные элементы.

Ветряк работает следующим образом. Ветер, воздействуя на лопасти 1, полностью их раскрывает в случае совпадения с направлением их движения. В случае несовпадения - лопасти сходятся. Все это приводит ротор ветряка во вращение, которое передается через траверсы 5 на вал 4, связанный с генератором или другими устройствами преобразования механической энергии.

На валу ротора может устанавливаться маховик, совмещающий в себе функции передаточного механизма. Общепринятые методы повышения или уменьшения массы маховика ротора ветряка способствуют процессам аккумулирования энергии наряду с регулированием противодействия перегрузкам и резким изменениям силы ветра.

Целесообразное использование дополнительных диффузионных устройств, концентрирующих и направляющих воздушные потоки, соответственно повышает использование силы ветра для данного изобретения.

Целью изобретения является возможность использования максимально полной доли ветровой энергии при использовании данного устройства и его индифферентность к направлению ветра, то есть отсутствие устройств ориентирования типа флюгера. Отсутствие в данном устройстве профилированных лопастей со сложным аэродинамическим профилем является дополнительным преимуществом в точки зрения улучшения простоты устройства.

Раскрытие изобретения.

Сущность изобретения как технического решения, выражается в совокупности нижеследующих существенных признаков, достаточных для достижения, обеспечиваемого изобретением, технического результата:

- вертикальное расположение оси ротора ветряка с целью индифферентности относительно направления ветрового потока;

- использование плоских колеблющихся лопастей с целью создания асимметрии векторов крутящего момента на концах диаметра ротора ветряка с учетом вышеуказанного фактора;

- использование полукруглых направляющих с пружинами, которые не закреплены на направляющих и поэтому свободно по ним перемещаются, с экспериментально подобранными размерами для сжатия, разжимания и свободного положения на направляющей с целью улучшения динамики колебания лопастей.

Кроме того, изобретение направлено на повышение экономичности создания и использования такого устройства с позиций простоты его создания, установки, эксплуатации, ремонта, модернизации, реструктуризации, совместимости с другими аналогичными устройствами, мобильности, экологии, утилизации прочих системно значимых факторов. От прототипов изобретение отличается новизной и ранее не очевидным использованием рабочих элементов ротора в виде колеблющихся лопастей, аналогов которым ранее не было.

В данном случае, технический результат выражаться в ряде эффектов, которые можно перечислить следующим образом: повышение коэффициента полезного действия, снижение себестоимости изготовления устройства, простота изготовления и эксплуатации, не обязательное использование флюгера, снижение вибрации при работе, улучшение мобильности устройства, простота конструкции кожуха для защиты от осадков и других внешних воздействий (который одновременно может совмещать функции диффузора), повышение прочности, ремонтопригодности, живучести и других требований промышленной применимости.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, для обеспечения технического результата, определяется впервые, и формулируется как «использование асимметрии рабочих поверхностей в условиях произвольно направленного ветрового потока путем встречных колебательных движений пары лопастей ротора».

Краткое описание чертежа.

На чертеже (фиг. 1) представлен вид сверху ротора устройства с пояснением принципа взаимодействия с ветровым потоком для различных положений лопастей ротора.

Осуществление изобретения состоит в том, что на основе представленного в заявке изобретения, ветряк становится новым унифицированным конструктивным элементом. На его основе упрощаются проблемы массового производства ветряков в широком диапазоне технических характеристик (от бытовых до промышленных). Возрастает экономичность всех этапов производства и эксплуатации, так как становится возможным использовать различные размеры устройства и материалы для его изготовления. Упрощается ремонт устройства по причине отсутствия конструктивно сложных элементов. Возможны быстрая замена одного устройства на другое, создание резерва для расширения зоны применения и т.п.

Вертикальный ветродвигатель, содержащий вал с установленными на него траверсами подвески осей и лопасти, отличающийся тем, что на каждой из осей, прикрепленных к серединам траверс, имеется пара колеблющихся плоских лопастей, соединенных шарнирами, а на полукруглых направляющих расположены пружины по обе стороны лопастей, при этом вертикальный ветродвигатель снабжен кожухом для защиты от внешних воздействий, совмещающим функции диффузора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Роторный ветродвигатель содержит вращающиеся основания с ветроприемниками и валами, установленными на поворотном основании, установленном на башне, снабженном направляющим устройством.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Карусельное ветроколесо содержит лопасти и демпферы, расположенные между двумя плоскостями, на которых закреплены лопасти с возможностью поворота вокруг оси.

Изобретение относится к ветроэлектрическим станциям с роторными ветродвигателями с вертикальной осью. Ветродвигатель роторный содержит вращающиеся основания с ветроприемниками и валами, валы установлены на поворотном основании, установленном на башне и снабженном направляющим устройством.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим преобразователям энергии. Технический результат состоит в уменьшении осевого и диаметрального размеров, минимизации разности частоты номинального и фактического выходного напряжения, уменьшении порогового значения минимально необходимой для генерирования напряжения скорости ветра, снижении потерь энергии, повышении жесткости конструкции.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ротор ветродвигателя содержит вертикальную ось, по меньшей мере одну пару лопастей, размещенных диаметрально противоположно друг другу и включающих в себя верхние и нижние ветроприемные пластины, закрепленные соответственно на верхнем и нижнем горизонтальных валах со смещением их кромок относительно осей горизонтальных валов в направлении движения лопастей на величину, обеспечивающую перекрытие расстояния между горизонтальными валами ветроприемными пластинами одной лопасти при горизонтальном положении ветроприемных пластин другой лопасти.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Устройство преобразования энергии ветра в механическую или электрическую энергию содержит основание, полую мачту, установленную на основании и расположенную вдоль вертикальной оси, по меньшей мере один модуль, имеющий общую форму тела вращения вокруг оси, расположенный коаксиально вокруг мачты и выполненный с возможностью вращения вокруг этой мачты, при этом указанный модуль содержит по меньшей мере одну лопасть, проходящую между концом, соединенным при помощи поворотной связи, и свободным концом, при этом указанная лопасть выполнена с возможностью перемещения вокруг поворотной связи между убранным положением и развернутым положением, средства перемещения лопасти между ее развернутым и убранным положениями в зависимости от углового положения этой лопасти вокруг мачты, причем указанные средства перемещения выполнены с возможностью отключения, вал, расположенный в полой мачте коаксиально с модулем, связанный во вращении с этим модулем вокруг указанной оси и взаимодействующий с преобразователем механической энергии вращения вала в механическую или электрическую энергию.
Изобретение относится к области ветроэнергетики. Роторный ветродвигатель содержит вращающееся основание, траверсы, приемники энергии и центральную стойку.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Противообледенительно-аэростатный ветрогенератор, содержащий воздухоплавательный модуль в составе мягкой газонаполненной аэростатной оболочки положительной плавучести, усиленной меридианными лентами, ниже расположенной рамной подвески с ветросиловым блоком из ветряных роторов и электрогенератора, причальный узел, на поворотной платформе которого установлены подветренно две соосные лебедки и диаметрально им кабельная бухта.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ветроэнергетическая установка содержит платформу, выполненную в виде многолучевой звезды с возможностью вращения вокруг собственной оси симметрии, и парусные элементы, установленные на концах лучей указанной звезды, выполненные с возможностью вращения вокруг собственных осей симметрии.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ортогональный ветродвигатель с наклонными складными лопастями содержит ветряное колесо, установленное на корпусе шестеренчатого планетарного редуктора, размещенного на полом валу отбора мощности с посаженными на нем силовым зубчатым колесом и четырехконтактным коллекторным токосъемником, центральную заторможенную ось с закрепленными на ней на нижнем конце реверсивным червячным приводом и на верхнем конце флюгерным узлом самоориентации лопастей на ветер, муфты и толкатели для размыкания кинематических связей складывающихся лопастей, ролики для разворота плоскостей сложенных лопастей перпендикулярно центральной оси вращения, устройство отбора мощности и опорную мачту.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения при сооружении электростанций на потоках воды или воздуха. Шаровой ортогональный энергетический агрегат для круглого в поперечном сечении канала содержит ортогональную турбину с изогнутыми вдоль сферической поверхности лопастями, концы которых с каждой стороны закреплены в ступице, и электрогенератор, при этом каждая ступица соединена с валом или со своим концевым полувалом, вал электрогенератора соединен с валом или с полувалом ортогональной турбины, при этом полувалы ортогональной турбины расположены вдоль одной оси вращения, ориентированной поперек потока, набегающего на ортогональную турбину, лопасти выполнены по винтовой линии, концевые участки каждой лопасти имеют в поперечном сечении профиль лопасти активной турбины, средняя часть каждой лопасти выполнена в поперечном сечении с аэродинамическим профилем, а в месте перехода одного профиля лопасти в другой и в центральной части лопасти установлены плоские тонкие выступы, перпендикулярные оси вращения ортогональной турбины.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения при сооружении электростанций на потоках воды или воздуха. Шаровой ортогональный энергетический агрегат для круглого в поперечном сечении канала содержит ортогональную турбину с изогнутыми вдоль сферической поверхности лопастями, концы которых с каждой стороны закреплены в ступице, и электрогенератор, при этом каждая ступица соединена с валом или со своим концевым полувалом, вал электрогенератора соединен с валом или с полувалом ортогональной турбины, при этом полувалы ортогональной турбины расположены вдоль одной оси вращения, ориентированной поперек потока, набегающего на ортогональную турбину, лопасти выполнены по винтовой линии, концевые участки каждой лопасти имеют в поперечном сечении профиль лопасти активной турбины, средняя часть каждой лопасти выполнена в поперечном сечении с аэродинамическим профилем, а в месте перехода одного профиля лопасти в другой и в центральной части лопасти установлены плоские тонкие выступы, перпендикулярные оси вращения ортогональной турбины.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Карусельное ветроколесо содержит лопасти и демпферы, расположенные между двумя плоскостями, на которых закреплены лопасти с возможностью поворота вокруг оси.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Карусельное ветроколесо содержит лопасти и демпферы, расположенные между двумя плоскостями, на которых закреплены лопасти с возможностью поворота вокруг оси.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Роторный вертикальный ветродвигатель содержит вращающиеся основания, приемки энергии, поворотное основание.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Ротор ветродвигателя содержит вертикальную ось, по меньшей мере одну пару лопастей, размещенных диаметрально противоположно друг другу и включающих в себя верхние и нижние ветроприемные пластины, закрепленные соответственно на верхнем и нижнем горизонтальных валах со смещением их кромок относительно осей горизонтальных валов в направлении движения лопастей на величину, обеспечивающую перекрытие расстояния между горизонтальными валами ветроприемными пластинами одной лопасти при горизонтальном положении ветроприемных пластин другой лопасти.

Изобретение относится к области электростанций метрополитена на воздушном потоке. Ротор с лопастями на встречных воздушных потоках от движения электропоездов, установленный между встречными тоннелями метрополитена, содержит вертикальный вал.

Изобретение относится к башне ветрогенератора (варианты). Башня ветрогенератора включает ветросборный участок, содержащий ветрозаборники, в которые входит ветер и которые расположены в виде множества ярусов, где каждый ярус сконструирован таким образом, чтобы изменять силу и направление ветра; и участок преобразования энергии, сконструированный таким образом, чтобы преобразовывать энергию проходящего через него ветра, где ветросборный участок содержит множество ветронаправляющих стенок, расположенных радиально вокруг центра башни ветрогенератора таким образом, чтобы ветер, втекающий через ветрозаборники, мог течь радиально в направлении участка преобразования энергии; внутри участка преобразования энергии находится установленная в центре каждого яруса башни ветрогенератора ветровая турбина типа Гиромилл, которая содержит ветровые лопасти типа Гиромилл, имеющие показатель относительной скорости конца лопасти (TSR) в диапазоне от 1,1 до 2,4, коэффициент заполнения не ниже 0,2 и скорость вращения не более 240 об/мин; участок преобразования энергии содержит пути потока ветра в пространстве между ветронаправляющими стенками и ветровыми лопастями и пути внутреннего потока в пространстве между ветровыми лопастями в центре башни ветрогенератора и делится на четыре равные части относительно направления, перпендикулярного направлению вхождения ветра в башню ветрогенератора, которые именуются областями с первой по четвертую.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Устройство преобразования энергии ветра в механическую или электрическую энергию содержит основание, полую мачту, установленную на основании и расположенную вдоль вертикальной оси, по меньшей мере один модуль, имеющий общую форму тела вращения вокруг оси, расположенный коаксиально вокруг мачты и выполненный с возможностью вращения вокруг этой мачты, при этом указанный модуль содержит по меньшей мере одну лопасть, проходящую между концом, соединенным при помощи поворотной связи, и свободным концом, при этом указанная лопасть выполнена с возможностью перемещения вокруг поворотной связи между убранным положением и развернутым положением, средства перемещения лопасти между ее развернутым и убранным положениями в зависимости от углового положения этой лопасти вокруг мачты, причем указанные средства перемещения выполнены с возможностью отключения, вал, расположенный в полой мачте коаксиально с модулем, связанный во вращении с этим модулем вокруг указанной оси и взаимодействующий с преобразователем механической энергии вращения вала в механическую или электрическую энергию.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Устройство преобразования энергии ветра в механическую или электрическую энергию содержит основание, полую мачту, установленную на основании и расположенную вдоль вертикальной оси, по меньшей мере один модуль, имеющий общую форму тела вращения вокруг оси, расположенный коаксиально вокруг мачты и выполненный с возможностью вращения вокруг этой мачты, при этом указанный модуль содержит по меньшей мере одну лопасть, проходящую между концом, соединенным при помощи поворотной связи, и свободным концом, при этом указанная лопасть выполнена с возможностью перемещения вокруг поворотной связи между убранным положением и развернутым положением, средства перемещения лопасти между ее развернутым и убранным положениями в зависимости от углового положения этой лопасти вокруг мачты, причем указанные средства перемещения выполнены с возможностью отключения, вал, расположенный в полой мачте коаксиально с модулем, связанный во вращении с этим модулем вокруг указанной оси и взаимодействующий с преобразователем механической энергии вращения вала в механическую или электрическую энергию.

Изобретение относится к ветротурбинным установкам вертикального типа. Ветроэнергетическая установка вертикального типа содержит опорную площадку, на которой закреплена несущая конструкция, включающая в себя горизонтально расположенные нижнюю несущую и верхнюю балки, к которым по краям прикреплены два боковых воздухозаборника, между которыми закреплены в подшипниках между верхней и нижней балками несущей конструкции с возможностью противонаправленного вращения друг относительно друга два ротора с лопастями, имеющих параллельные вертикальные оси вращения, два ветроотражателя потока воздуха на лопасти роторов. Опорная площадка из рельса в форме кольца неразъемно прикреплена к основанию. В центре кольца неразъемно прикреплен к основанию металлический диск. Несущая конструкция содержит пространственную раму-каркас, имеющую в поперечном сечении форму равнобедренной трапеции, меньшие по длине параллельные стороны которой являются соответственно двумя задними верхней и нижней балками несущей конструкции, соединенными между собой двумя вертикальными ребрами жесткости, на которых закреплены в подшипниках с возможностью вращения оси роторов, каждый из которых имеет пять вертикальных лопастей прямоугольной формы, нижние стороны которых соединены в каждом роторе между собой с помощью своих зубчатых шестерен с возможностью вхождения последних в зацепление друг с другом. Лопасти роторов смещены друг относительно друга с возможностью их вращения с вхождением друг в друга без зацепления их. Боковые ветрозаборники прямоугольной формы являются боковыми гранями рамы-каркаса. Ветроотражатели в виде двух прямоугольных вертикально расположенных граней соединены между собой по общему вертикальному ребру с образованием между гранями угла в 30-60°, образуя один центральный ветроотражатель, вынесенный за пределы рамы-каркаса к центру опорной площадки и обращенный раскрывом к роторам. К нижней части ребра центрального ветроотражателя со стороны, противоположной расположению лопастей роторов и боковых ветрозаборников, прикреплена контртяга, второй конец которой снабжен противовесом и колесом для перемещения по кольцу опорной площадки и соединен тросами с верхней и средней точками вертикального ребра центрального ветроотражателя, которое неразъемно закреплено в подшипнике на металлическом диске. Полотна лопастей роторов, ветрозаборников и ветроотражателя выполнены из парусной ткани с возможностью ее подъема-опускания, часть полотна лопастей роторов со стороны внутреннего ребра выполнена цельной, а остальная часть до наружного ребра - в виде вертикальных жалюзи. К нижним вершинам боковых ветрозаборников, расположенных над кольцом опорной площадки, прикреплены колеса. Ветроэнергетическая установка снабжена блоком управления и электрогенератором. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Вертикальный ветродвигатель содержит вал с установленными на него траверсами подвески осей и лопасти. На каждой из осей, прикрепленных к серединам траверс, имеется пара колеблющихся плоских лопастей, соединенных шарнирами, а на полукруглых направляющих расположены пружины по обе стороны лопастей, при этом вертикальный ветродвигатель снабжен кожухом для защиты от внешних воздействий, совмещающим функции диффузора. Изобретение направлено на повышение коэффициента использования энергии ветра.

Наверх