1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) B (11) 28638
(51) F03D 3/04 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
(21) 2012/1343.1
(22) 19.12.2012
(45) 16.06.2014, бюл. №6
(76) МАТАЕВ Естай Сейтказыевич
(74) Жевлакова Татьяна Владимировна
(56) RU 2237822 С1, 10.10.2004
RU 122128 U1, 20.11.2012
RU 2009371 С1, 15.03.1994
RU 2235901 С2, 10.09.2004
KZ 25714 В, 16.04.2012
(54) ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
(57) Разработан изящный, высокоэффективный
ветродвигатель, а так же универсальная
конструкция лопастей, которую можно применять в
двигателях различных конструкций и принципов
работы.
Ветродвигатель включает ротор с вертикальной
осью вращения, асимметричные жесткие лопасти,
установленные на роторе с возможностью поворота
на определенный угол относительно их
вертикальных осей, и несущую конструкцию,
выполненную в виде расходящихся от центра
вертикальных прямоугольных контуров, которая
позволяет собирать поток ветра и ускорять его у
ротора.
Предлагаемая конструкция ветродвигателя
позволяет увеличить коэффициент использования
энергии ветра, уменьшить паразитные
сопротивления, упростить и усилить его
конструкцию, что в итоге приводит к увеличению
мощности ветродвигателя.
(19)KZ(13)B(11)28638
2. 28638
2
Изобретение относится к области
ветроэнергетики и может быть использовано в
качестве альтернативного источника выработки
электроэнергии, ветроэлектрических станций.
Уровень техники
Ветродвигателями являются устройства для
преобразования кинетической энергии ветра в
механическую энергию, в которых рабочим органом
является вращающаяся несущая конструкция с
установленными поворотными лопастями, угол
поворота которых изменяется с помощью
специального механизма, например, ротор с
поворотными лопастями, барабан с лопатками,
ветроколесо и т.п.
Известен ветродвигатель, содержащий
вертикальный вал с прикрепленными к нему
плоскими лопастями (RU 2237822, 10.10.2003). В
ветродвигателе вал через зубчатое колесо и
редуктор механически связан с электрогенератором;
вокруг лопастей между верхней и нижней плитами
установлены ветронаправляющие стены, одни
концы которых расположены у окружности,
описывающей лопасти, а другие их концы отведены
к периферии; при этом противоположные концы
соседних стен размещены по одной прямой линии,
проходящей через вертикальный вал.
Недостатками описанной конструкции
ветродвигателя являются сложность конструкции и
высокие затраты на производство и эксплуатацию.
Также известен ветродвигатель, в котором ротор
с вертикальной осью вращения содержит
закрепленные на нем лопасти, выполненные
асимметричными относительно осей поворота и
установленные с возможностью поворота
относительно их вертикальных осей под действием
ветра; при этом большие участки лопастей
выполнены гибкими или составными с
возможностью изгиба в плоскости поворота. (RU
2253038, 27.05.2005).
Недостатком данной конструкции является
достижение наилучших показателей в работе
ветродвигателя изготовлением лопастей упругими.
Несмотря на выполнение лопастей гибкими, рабочая
поверхность, как и прежде, определяется
плоскостью между концами лопастей.
Использование гибких лопастей усложняет
конструкцию ветродвигателя и способствует
незначительному повышению степени
использования энергии ветра.
Предлагаемое устройство позволяет преодолеть
несовершенства известных ветродвигателей путем
создания конструкции лопастей, независимо
принимающих необходимое положение
относительно направления ветра в пределах
заданного угла, снизить паразитные сопротивления,
увеличить коэффициент использования энергии
ветра, упростить и усилить конструкцию
ветроустановки в целом. Все перечисленное
приводит к увеличению мощности ветродвигателя с
возможностью доведения мощности ветроустановки
до промышленных масштабов путем наращивания
модулей.
Предлагаемый ветродвигатель включает ротор с
вертикальной осью вращения, на котором
установлены жесткие ассиметричные лопасти с
заданным углом поворота вокруг своей
вертикальной оси, проходящей через центр инерции
ассиметричной лопасти. Асимметрия лопастей
достигается увеличением толщины меньшей по
площади относительно оси вращения части лопасти
или увеличением средней плотности материала,
например, при помощи противовесов, более
плотного материала, из которого эта часть
выполнена. Положение ассиметричных лопастей
регулируется ветром, угол поворота лопастей
ограничивается упорами.
В предлагаемой конструкции к ротору крепятся
два вида ассиметричных лопастей, определяемые
ориентацией углов поворота вокруг вертикальных
осей лопастей и взаимным расположением на
роторе, для функционально эффективного
использования силы ветра. Выполнение и установка
лопастей в соответствии с указанными параметрами
позволяет увеличить коэффициент использования
энергии ветра.
Первого вида ассиметричные лопасти включают
лопасти, установленные с возможностью
свободного поворота на угол в пределах от минус
45° до плюс 15° относительно касательной к ротору,
проходящей через ось вращения лопасти. Угол
поворота лопастей ограничивается упорами.
Второго вида ассиметричные лопасти включают
лопасти, установленные по направлению к
периферии ротора за первым видом лопастей, с
возможностью свободного поворота на угол в
пределах от минус 90° до плюс 15° относительно
касательной к ротору, проходящей через ось
вращения лопасти. Угол поворота лопастей
ограничивается упорами.
Лопасти каждого вида расположены
симметрично относительно оси ротора.
Лопасти разного вида установлены попарно и их
расположение друг относительно друга
предполагает, что в одной из крайних позиций они
образуют замкнутый пространственный угол.
Ротор снабжается несущей конструкцией,
имеющей жесткий каркас в виде расходящихся от
центра вертикальных прямоугольных контуров, на
которых крепятся ветронаправляющие экраны,
проходящие от ротора до наружной периферийной
части контура. Вертикальные прямоугольные
контуры ориентированы по касательной к
окружности цилиндра, надеваемого на вал ротора и
имеющего радиус меньше радиуса ротора; они
жестко соединены между собой в местах их
пересечения и также жестко прикреплены к
поверхности цилиндра. Такая форма выполнения
несущей конструкции позволяет собирать поток
ветра и ускорять его у ротора, что приводит к
увеличению мощности ветродвигателя.
Перечень фигур чертежей
На фиг.1 изображен общий вид модуля
ветродвигателя.
3. 28638
3
На фиг.2 изображен вид сверху, показывающий
взаимное расположение частей двигателя в процессе
его работы.
На фиг.3 изображен поперечный разрез ротора
ветродвигателя, показывающий взаимное
расположение лопастей в различных точках
относительно направления потока ветра.
На фиг.4 показан увеличенный сегмент 1-А
ротора, изображенного на фиг.3.
На фиг.5 изображена несущая конструкция с
направляющими экранами.
На фиг.1 показан ветродвигатель (1) в сборе с
неподвижной несущей конструкцией (9) с
ветронаправляющими экранами А, В, С.
Согласно изобретению, ветродвигатель (1)
включает ротор (2), вращающийся вокруг своей
вертикальной оси, на котором установлены жесткие
ассиметричные лопасти (3, 4), которые
поворачиваются на заданный угол вокруг своей
вертикальной оси, проходящей через центр инерции
лопасти.
На фиг.3 изображен поперечный разрез ротора
(2) ветродвигателя, на котором на вал (О) ротора
насажен ротор (2) радиуса (R). Лопасти первого
вида (3) находятся на окружности радиуса r1,
лопасти второго вида (4) - на окружности радиуса r2.
Положение ассиметричных лопастей (3 и 4)
регулируется направлением потока ветра,
ограниченные углы поворота лопастей составляют
105° и 60°. При этом лопасти каждого вида (3 и 4)
располагаются симметрично относительно оси
ротора. Вал (О) ротора (2) известным способом
связан с электрогенератором (не показан).
Лопасти (3, 4), как изображено на фиг.3 и 4,
выполнены асимметричными посредством
увеличения толщины меньшей (5, 6) по площади
относительно оси вращения части лопасти или
увеличения средней плотности материала,
например, при помощи противовесов или более
плотного материала, из которого эта часть
выполнена.
Взаимное расположение лопастей разного вида
(1-А) более детально показано на фиг.4.
Прикрепленные к ротору ассиметричные лопасти
выполнены двух видов (3 и 4) для функционально
эффективного использования силы ветра. Каждый
из видов имеет определенную ориентацию углов
поворота вокруг вертикальных осей лопасти и
соответственно установлен на роторе (2).
Выполнение лопастей в соответствии с
установленными характеристиками позволяет
увеличить коэффициент использования энергии
ветра.
Первого вида асимметричные лопасти (3), как
показано на фиг. 4, устанавливаются на роторе (2) с
возможностью свободного поворота на угол в
пределах от минус 45° до плюс 15° относительно
касательной к ротору, проходящей через ось
вращения лопасти. Указанный угол поворота
лопастей (3) ограничен упорами (7).
Второго вида асимметричные лопасти (4), что
также показано на фиг.4, устанавливаются за
лопастями первого вида (3) по направлению к
периферии ротора (2) и могут свободно
поворачиваться на угол в пределах от минус 90° до
плюс 15° относительно касательной к ротору (2),
проходящей через ось вращения лопасти (4).
Указанный угол поворота лопастей (4) также
ограничен упорами (8).
Взаимное расположение первого и второго вида
лопастей (3 и 4) предполагает, что в предельных
положениях они образуют замкнутый
пространственный угол (фиг.4).
Ветродвигатель представляет собой отдельный
модуль, выполненный с возможностью
присоединения в вертикальном направлении
аналогичных модулей до достижения требуемой
мощности ветроустановки. При этом верхний
модуль закрывается крышкой, что исключает
возможность обтекания потоком ветра сверху
ветродвигателя и создается эффект сопла.
Для обеспечения увеличения мощности
ветроустановки ротор снабжают несущей
конструкцией (9), как показано на фиг.1 и 5,
имеющей жесткий каркас в виде расходящихся от
центра вертикальных прямоугольных контуров (10),
на которых прикреплены ветронаправляющие
экраны (А, В, С), проходящие от ротора (не показан)
до наружной периферийной части контура.
Вертикальные прямоугольные контуры (10)
ориентируют по касательной к окружности
цилиндра (11), надеваемого на вал ротора (не
показан) и имеющего радиус меньше радиуса
ротора; контуры жестко соединяют между собой в
местах их пересечения и также жестко прикрепляют
к поверхности цилиндра. Такая форма выполнения
несущей конструкции (9) способствует собиранию
потока ветра и ускорению его у ротора, что в свою
очередь увеличивает мощность ветродвигателя.
Указанная несущая конструкция представляет
собой жесткую пространственную структуру,
изготовляемую с минимальными материальными
затратами. Значительное упрощение структуры
конструкции не влияет на жесткость и устойчивость
конструкции в целом.
Изобретение обеспечивает следующие
преимущества по отношению к известному уровню
техники:
Выполнение ассиметричных лопастей жесткими
упрощает конструкцию лопастей.
Ассиметричность лопастей, установленных с
возможностью поворота на заданный угол вокруг
своей вертикальной оси, достигаемая увеличением
толщины меньшей по площади части лопасти или
увеличением плотности ее материала, исключает
паразитные инерционные сопротивления, которые
должен преодолевать ветер при повороте лопастей, а
также позволяет использовать лопасти в двигателях
других конструкций с иной пространственной
ориентацией осей поворотов лопастей.
Установка первого вида асимметричных
лопастей с возможностью свободного поворота на
угол от минус 45° до плюс 15° относительно
касательной к ротору, проходящей через ось
вращения лопасти, обеспечивает действие лопастей
на большей части окружности ротора. Для
4. 28638
4
указанных пределов наименьший сектор, в котором
работают лопасти, составляет 300°.
Установка второго вида асимметричных
лопастей с возможностью свободного поворота на
угол от минус 90° до плюс 15° относительно
касательной к ротору, проходящей через ось
вращения лопасти, позволяет увеличить
коэффициент использования энергии ветра за счет
обтекающих потоков ветра, возникающих после
прохождения лопастями первого вида положения
перпендикулярно ветру, который достигает
максимума при ориентации лопасти второго вида
перпендикулярно потоку ветра.
Использование двух видов ассиметричных
лопастей позволяет увеличить коэффициент
использования энергии ветра и, соответственно,
мощность ветродвигателя.
Несущая конструкция с направляющими
экранами позволяет увеличить мощность
ветродвигателя за счет ускорения воздушного
потока, сконцентрировать поток ветра в рабочей
зоне и уменьшить паразитные сопротивления от
встречного потока. Кроме того она создает
дополнительное разряжение за направляющими
экранами, что увеличивает область эффективного
использования ветра при выходе воздушного потока
из ветродвигателя.
Принцип работы ветродвигателей с
вертикальной осью вращения давно известен.
Широкому распространению ветродвигателей
препятствует ограничение отдельными
климатическими зонами с приемлемой и постоянной
силой ветра, низкий коэффициент использования
энергии ветра и малая мощность установок.
На фиг.2 схематично продемонстрирована работа
предлагаемого ветродвигателя (1). Поток ветра,
направление которого изображено на фигуре
черными широкими стрелками, наталкиваясь на
ветронаправляющие экраны А и В, концентрируется
и ускоряется вследствие проявления эффекта сопла,
которое образуется между сходящимися экранами,
землей и верхней крышкой, повышая энергию ветра
в кубической прогрессии в месте встречи с ротором
двигателя.
Под действием ветра, все асимметричные
лопасти 3 и 4 поворачиваются и занимают
определенное положение, показанное на чертеже.
Плоскости первого вида асимметричных лопастей
(3), размещенных между ветронаправляющими
экранами А и В, принимают ограниченное упорами
(не показаны) положение под углом минус 45° по
отношению к касательной, проведенной через ось
вращения лопасти (3), и толкают ротор в
направлении против часовой стрелки.
Лопасти второго вида (4) находятся во
флюгерном состоянии до того момента, пока ротор
не повернется в положение D. В этом положении
лопасти упираются в ограничитель (не показан) и
начинают действовать на ротор, создавая
дополнительную тягу на вращение ротор в
указанном направлении.
В положении D лопасть первого вида принимает
положение перпендикулярно потоку ветра и с этого
момента поток воздуха, обтекающий лопасть,
дополнительно давит на лопасть второго вида,
увеличивая коэффициент использования энергии
ветра.
Начиная с положения F, лопасти поворачиваются
так, что плоскости лопастей принимают положение
плюс 15° по отношению к касательной, проведенной
через ось вращения лопастей. Исходящий из ротора
поток воздуха начинает давить на лопасти и
дополнительно толкать ротор по направлению
вращения, увеличивая мощность двигателя и
коэффициент использования энергии ветра. Этому
способствуют и обтекающие ветродвигатель потоки
воздуха, захватывающие и ускоряющие истекающий
из ротора воздух. Свободный поворот лопастей в
указанных пределах и их оптимальная геометрия
создают увеличение тяговых характеристик
лопастей.
Воздушный поток концентрируется и ускоряется
направляющими экранами в лобовой рабочей зоне
ротора A-В. Обтекающие вокруг ветродвигателя
потоки ветра, увлекая за собой воздух из зон A-С и
В-С, создают дополнительное разряжение вокруг
затененной зоны ротора, заставляя работать
затененные от лобового потока ветра лопасти.
Количество первого и второго вида
асимметричных лопастей (3 и 4) варьируется в
зависимости от требуемой мощности
ветродвигателя, являющегося тихоходным.
Количество направляющих экранов А, В и С
варьируется в зависимости от преобладающей розы
ветров на данной местности.
Предлагаемая конструкция ветродвигателя с
ветронаправляющими экранами повышает
коэффициент использования энергии ветра,
уменьшает паразитные сопротивления, упрощает и
усиливает его конструкция, что в итоге приводит к
увеличению мощности ветродвигателя.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Ветродвигатель, включающий ротор с
вертикальной осью вращения, асимметричные
лопасти, установленные на роторе с возможностью
поворота относительно их вертикальных осей, и
несущую конструкцию, отличающийся тем, что на
роторе установлены два вида асимметричных
лопастей, которые выполнены жесткими; при этом
первого вида асимметричные лопасти установлены с
возможностью поворота на угол в пределах от
минус 45° до плюс 15° относительно касательной к
ротору, проходящей через ось вращения лопасти;
второго вида асимметричные лопасти установлены
за лопастями первого вида по направлению к
периферии ротора с возможностью поворота на угол
в пределах от минус 90° до плюс 15° относительно
касательной к ротору, проходящей через ось
вращения лопасти; и взаимное расположение
первого и второго вида лопастей в предельных
положениях образует замкнутый пространственный
угол.
2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем,
что несущая конструкция выполнена в виде
5. 28638
5
расходящихся от центра вертикальных
прямоугольных контуров, на которых прикреплены
ветронаправляющие экраны, проходящие от ротора
до наружной периферийной части контура, при этом
вертикальные прямоугольные контуры
ориентированы по касательной к окружности
цилиндра, насаженного на вал ротора и имеющего
радиус меньше радиуса ротора, и жестко соединены
между собой в местах их пересечения и также
жестко прикреплены к поверхности цилиндра.
3. Ветродвигатель по п.2, отличающийся тем,
что является отдельным модулем, выполненным с
возможностью наращивания в вертикальном
направлении такими же модулями, при этом
верхний модуль снабжен крышкой и образует сопло.
4. Ветродвигатель по любому из предыдущих
пунктов, отличающийся тем, что асимметричные
лопасти могут иметь различную пространственную
ориентацию своей оси поворота.
