Проектирование и изготовление ветродвигателя

Веpхние концы вертикальных ветронаправляющих стоек 16, закреплены на радиальных балках 25, внутренние концы которых закреплены на кольце 26, взаимодействующем через ролики с кольцом 20. Нижние концы ветронаправляющих стоек 16 закреплены на наружные торцы радиальных балок 22, а внутренние концы закреплены на кольцо 23, взаимодействующее с валом 1 и через ролики с кольцом 18. Кольцо, образованное дугами, закрепленными на радиальные балки 22, взаимодействует через ролики с кольцом 24, закрепленным на потолке 42, предотвращающем раскачивание вала 1 в вертикальном направлении. Благодаря хвосту 27 ветродвигатель всегда находится в рабочем состоянии, т. е. диффузор 36 всегда направлен против ветра.

Если установлен флюгер, соединенный автоматом, то направление диффузора 36 против ветра выполняется электромотором 45, выполненным с червяком 45, взаимодействующим с червячным колесом 47, закрепленным на радиальные балки 22.

Поток ветра (стрелки), движущийся ниже кровли 28, входящие в диффузор 36 с шириной e (e = 2R), обрушивается на правую лопасть 10, закрепленную на щели 9 вала 4, шипы 5 которого взаимодействуют с отверстиями, выполненными на стойках 11, закрепленных на радиальных балках 17, закрепленных дугами 21 на кольцо 18, закрепленное на вал 1, вращающийся по часовой стрелке w. Ветер, ударяясь о щит 33, находящийся под углом b1, рикошетом ударяется о лопасть 10, находящуюся параллельно к ветру, вращает вал 1 по часовой стрелке, часть ветра движется между дуговым щитом 35 и верхней лопастью 10. Ввиду того, что щит 32 - под меньшим углом b(b<b1), ветер, ударяясь с незначительным рикошетом, увеличивает скорость (закон Бернулли) и двигается к правой лопасти 10, длина лопасти 10 - R = e: 2. Следовательно, скорость v ветра увеличится в 2 раза. При скорости ветра v = 8 м/с, при массе проходящего за 1 с 10 т энергия ветра составит При скорости (8Ч2 = 16 м/с) энергия ветра составит По мере вращения правой лопасти 10 масса ветра оказывается между двумя лопастями и дуговым щитом 34, создающим крутящий момент на валу 1, до тех пор, пока лопасть 10 не пройдет нижнего торца дугового щита 32. Kогда лопаcть 10 пройдет ветровую тень, создаваемую валом 1 (линия Оe, образующая угол a3), вал 4, на торце которого закреплено шлицами водило 12, а на другом конце крепится палец 13 с подшипником 14, взаимодействующим с кулисой 15, проходя по ее наклонной части, начнет поворачивать лопасть 10 (пунктиры в наклонной части кулисы, фиг. 4) в горизонтальное положение (левая часть от вала 1), до тех пор пока она не станет в горизонтальное положение (параллельно к листу) к движению ветра. Благодаря взаимодействию торцов втулки 8 с внутренней поверхностью вала 1 и крышки 7, закрывающей окно 6, вал 4, взаимодействующий с отверстием 3, не может перемещаться осевом направлении.

На левой стороне (фиг. 1 и 2) от вала 1 лопасть 10 двигается параллельно к движению ветра до тех пор, пока вал 4 не дойдет (около 10о) до линии ОС, лопасть 10 принимает вертикальное положение к листу и ветер от щита 33 рикошетом начинает двигать лопасть по часовой стрелке. Цикл повторяется. Таким образом, рабочий ход лопасти 10 длится около a2= 220о (фиг. 2).

С целью предотвращения вала 1 от вертикальной качки, когда Н1 + Н = 50 м и более, ветродвигатель выполняется с крестовиной 29, закрытой фланцем 30, натянутой тросами 31, взаимодействующей через подшипник с шипом 2 и через ролики с кольцом 26.

От вала 1 крутящий момент передается шкиву 37, шестерне 38, электрогенератору 39, компрессору 40 и другим потребителям энергии, установленным в помещении, содержащем фундамент 41, стен, потолок 42, в отверстие которого установлен подшипник 43 и подшипник 44, установленный в фундаменте 41. Подшипники взаимодействуют с валом 1.

Удобно, безопасно через шкив и шестерню снимать мощность и подключать любого потребителя. Мощность можно снять от известных крыльчатых ветряков.

КПД использования энергии ветра известных карусельных и барабанных ветродвигателей, выполненных с ширмами, составляют около 10% . Лопасти ветродвигателя системы Савониуса, выполненные выпуклыми и вогнутыми поверхностями, находятся перпендикулярно к движению ветра, поэтому по выпуклой поверхности ветер скользит и действует на изогнутую поверхность. Рабочий ход составляет 180о поворота вала. Но несмотря на это КПД составляет 0,23.

КПД использования энергии ветра современными быстроходными крыльчатками (винтовыми) ветродвигателями составляет около 40% (0,4), и они трогаются при скорости ветра 4-6 м/с. У предложенного ветродвигателя одна половина лопасти (от оси вала 1) находится перпендикулярно к направлению ветра, а другая половина лопасти - горизонтально. Благодаря диффузору скорость ветра увеличивается в 2 раза, а рабочий ход равен 220о поворота вала, что позволяет резко повысить КПД использования ветра, он составит более 0,9. Для расчета КПД примем hисп.в. = 0,5.

Номинальная мощность всех типов ветродвигателей рассчитывается при скорости ветра около 8 м/с.

Коэффициент завихрения ветра примем 0,95, механический КПД (вал 1 вращается на подшипниках качения) hм = 0,92-0,98. Общее КПД hобщ = 0,95 (0,92 + 0,98): 2 = 0,9. Скорость ветра 8 м/с, высота Н = 100 м, диаметр вала 1 d = 4 м с учетом диаметра d радиус R = 10 м.

При скорости ветра v = 8 м/с на один кв. метр лопасти давление Р ветра составит 110 кгс/м2. При указанных параметрах частота вращения вала 1 без нагрузки составит n = 60c/pA (об. /мин), n = (8Ч60)/(3,14Ч20) = 8 об. /мин.

С учетом повышения скорости ветра в районе лопасти 10 в 2 раза частота вращения вала 1 составит 16 об. /мин, но под нагрузкой вал 1 вращает n = 8 об. /мин. Общее давление ветра на одну половину лопасти 10 составит Робщ = 100х10х110 = 110000 кг. Сила приложения давления R: 2.

Определим крутящий момент Mкр= PобщЧ R/2 = 110000 10/2 = 550000 (кгЧм) = 550000 (кг Ч м). Мощность N = ЧhобщЧhисп.в.=550000Ч8/975Ч0,9Ч0,5 = 2031 кВТ, где 975 - переводной коэффициент на кВт.

При скорости ветра 16 м/с давление Р на один кв. метр составит около 140 кг, скорость вращения вала 1 под нагрузкой составит 16 об. /мин.

Мкр = 140х100х10х5 = 700000 кгм, N = (700000Ч16)/975 0,95 Ч 0,5 = 5482 кВт.

Следует напомнить, что энергия ветра пропорционально кубу его скорости. При повышении скорости ветра в 2 раза, энергия возрастает (16/8)3 = 8 раз, следовательно, мощность тоже должна возрастать - 2031х8 = = 16248 кВт. Подсчитывая заниженными цифрами, получили 5482 кВт.

На острове Новая Земля скорость ветра (Новоземельская бора) достигает 50 м/с. При скорости ветра давление Р на один кв. метр составит более Р = 400 кгс/м2, Мкр = 400х100х10х5 = 2000000 кг, N = (2000000Ч85)/(975Ч0,9Ч0,5) = 78000 кВт.

На Новой Земле среднюю скорость ветра примем 10 м/с, тогда n = 10 об. /м, давление Р = 120 кгс/м2. Получим Мкр = 120х100х10х5 = 600000 кгм, N = (6000000Ч10)/975х0,9х0,5 = 2700 кВт. В течение года (за 360 дней) он выработает энергию - Е = 2700х24х360 = 23328000 кВт.

Для выработки 2 трлн кВт электроэнергии (в СССР вырабатывается около 2 трлн кВт) необходимо построить 2000000000000: 23328000 = 86000 шт ветроэлектростанций. При стоимости одной станции 100 тыс. руб. со всем оборудованием, то для строительства всех потребуется 8,6 млрд. руб. - это стоимость двух АЭС.

Предложенные ветродвигатели вырабатывают водород для всего вида транспорта, а кислород для промышленности.

Ветры дуют везде, даже в районе Крылатском (г. Москва, на метеостанции Крылатское (на берегу гребного канала), средняя скорость ветра за 1987 год составила 7,5 м/с, 1988 г. - 7 м/с, 1989 г. - 7,2 м/с.

На вершине Хадум-горы, где функционирует Чиркейская ГЭС, Дагестанская АССР, ветры дуют также, как на Новой Земле.

Объем Q предложенного ветродвигателя составит Q = p R2H = 3,14х102х100 = 30000м3 - это половина объема только одного железнодорожного тупика ТЭС, мощностью 1,2 млн. кВт, которая содержит девять крупных объектов, начиная от главного здания ТЭС, кончая подземным бункером топлива, глубоко нарушающая экологию. (56) Фатеев Е. Ф. Ветродвигатели и ветроустановки. М. : Сельхозгиз, 1957.

Заявка Франции N 2288878, кл. F 03 D 3/00, опубл. 1976.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

КАРУСЕЛЬНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий вертикальный полый вал, установленные на нем горизонтальные поворотные валы с лопастями, ветронаправляющее устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности, он снабжен вертикальными стойками, каркасом, выполненным в виде связанных между собой дугами радиальных траверс, соединенных с вертикальными стойками, укрепленными на стойках кулисами с П-образным сечением, водилом с пальцем, подшипником и отверстиями, одно из которых выполнено шлицевым, горизонтальные валы связаны со стойками с одной стороны при помощи резьбового соединения, а с другой - шлицевым соединением и связаны с водилом, соединенным через палец и подшипник с кулисой, а ветронаправляющее устройство укреплено на стойках.

Приложение 3

ВЕТРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Имя изобретателя: Миронов Николай Иванович (RU) 

Имя патентообладателя: Миронов Николай Иванович (RU)

Адрес для переписки: 690000, г.Владивосток, ул. Уборевича, 10б, кв.5, Н.И.Миронову

Дата начала действия патента: 2002.08.07 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Технический результат заключается в повышении мощности ветроустановки. Ветроэнергетическая установка содержит горизонтальную платформу, опертую на рельс, с жестко закрепленным на ней флюгером, рабочая поверхность которого проходит через ось поворота горизонтальной платформы. На платформе закреплены валы, на которые надеты радиальные траверсы, концы траверс шарнирно связаны балками. Балки установлены с возможностью возвратно-поступательного движения параллельно одна другой и рабочей поверхности флюгера, проходящей через вертикальные валы. Поворотные лопатки установлены на вертикальных осях в опорных рамах, каждая из которых жестко закреплена на балке, кинематическую связь с электрогенератором выполняют консольные балки, шарнирно соединенные с траверсами и передающие возвратно-поступательное движение инерциальному элементу, установленному с возможностью вращения на горизонтальных направляющих поворотной рамы. Инерциальный элемент снабжен храповыми муфтами, контактирующими каждая на своем участке с винтовой поверхностью вала, разделенной на два участка, закрутка которых выполнена в противоположные стороны.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра в электрическую энергию.

Известна ветровая энергетическая установка (А.С. СССР №1451330, кл. F 03 D 7/06, 1989 г.), содержащая парусообразные лопасти, установленные на радиальной траверсе, размещенной на вертикальном валу, и кинематически связанная с электрогенератором, механизм изменения рабочей площади лопастей и механизм ориентирующий, выполненный в виде флюгера.

Недостаток этого технического решения - невозможность обеспечить высокую мощность генератора.

Наиболее близкой по технической сущности является выбранная за прототип (патент России №2002107, кл. МКИ 4 F 03 D 3/00, F 03 D 3/06, F 03 D 5/00, F 03, 7/06, 30.10.1993 г.) ветровая энергетическая установка, содержащая ротор в виде поворотной относительно опорной поверхности горизонтальной платформы с флюгером, поворотные лопатки, образующие парусообразные плоскости, установленные на вертикальных осях в опорных рамах, закрепленных на тележках, установленных с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющим, параллельным друг к другу, размещения на валу, закрепленному на горизонтальной платформе, радиальная раздвижная траверса шарнирно связана с тележками, кинематическая связь выполнена в виде шарнирно соединительного с траверсной вала с винтовой поверхностью, разделенной на два участка с закруткой встречного направления, генератор размещен на валу, корпус генератора шарнирно закреплен на горизонтальной платформе.

Данная ветроэнергетическая установка не лишена недостатков, основной из которых - невозможность обеспечить высокую мощность установки, ограничение мощности на валу генератора обусловлено невозможностью увеличения рабочих парусообразных плоскостей, т.к. этому препятствует несущая возможность тележек, совершающих возвратно-поступательные перемещения по направляющим.

Технический результат заключается в повышении мощности установки за счет обеспечения возможности повышения мощности на валу генератора.

Ветровая энергетическая установка содержит горизонтальную платформу с флюгером, вертикальный вал и закрепленную на нем раздвижную радиальную траверсу, шарнирно связанную с тележками, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения по направляющим, поворотные лопатки, установленные на вертикальных осях в опорных рамках, закрепленных на тележках, и электрогенератор, кинематически связанный с лопатками винтовым валом с закрутками встречного направления. При этом установка снабжена дополнительным вертикальным валом и закрепленной на нем дополнительной радиальной траверсой, концы траверс шарнирно связаны балками, установленными с возможностью возвратно-поступательного движения параллельно одна другой и рабочей поверхности флюгера, размещенной в вертикальной плоскости и проходящей через вертикальные валы, поворотные лопатки установлены на вертикальных осях в опорных рамах, каждая из которых жестко закреплена на балке, а кинематическая связь с электрогенератором выполнена в виде шарнирно соединенных с траверсами консольных балок, передающих возвратно-поступательное движение инерциальному элементу, установленному с возможностью вращения на горизонтальных направляющих поворотной рамы и снабженному храповыми муфтами, контактирующими каждая на своем участке с винтовой поверхностью, разделенной на два участка, закрутка которых выполнена в противоположные стороны.

Предлагаемая ветровая энергетическая установка отличается тем, что позволяет отказаться от тележек, совершающих возвратно-поступательные перемещения по направляющим, кроме того, установка снабжена инерциальным элементом, включенным в кинематическую связь с электрогенератором.

Таким образом, заявляемая ветровая энергетическая установка соответствует критерию изобретения «новизна».

Ветровая энергетическая установка поясняется чертежами, где:

Фиг.1 изображен общий вид ветроэнергетической установки

Фиг.2 изображен разрез электрогенератора и привод к нему

На опорной поверхности размещен кольцеобразный рельс 2, горизонтальная платформа 3 снабжена роликами 4, которыми она оперта на рельс 2.

Вдоль оси симметрии горизонтальной платформы 3 установлены вертикальные валы 5, на которых с возможностью поворота размещены радиальные траверсы 6. Балки 7 шарнирно связаны с концами траверс 6 и установлены с возможностью возвратно-поступательного движения параллельно друг другу и флюгеру 8, который также закреплен на платформе 3 в вертикальной плоскости, проходящей через оси поворота траверс 6. На балках 7 закреплены (перпендикулярно направлению движения балок) опорные рамы 9, в которых размещены лопатки 10. Лопатки 10 установлены каждая на отдельной поворотной оси 11 таким образом, чтобы в зависимости от разворота осей 11 образовать либо «сплошной парус», когда аэродинамическое сопротивление максимально, либо решетку из параллельных плоскостей, когда аэродинамическое сопротивление «паруса» минимально. Механизм поворота лопаток 10 (не показан) может быть выполнен в виде цепной передачи с приводом, огибающей зубчатые колеса, закрепленные на осях 11.

В опорной раме 12, размещенной на горизонтальной платформе 3, неподвижно закреплен вал 13 пластинчатой формы, которому придана винтообразная закрутка, причем вал 13 разделен на два участка 14 и 15, закрутка которых выполнена в противоположные стороны. Горизонтальные направляющие 16, жестко закрепленные в перегородках 17, параллельны друг другу и винтовой поверхности и составляют с последними поворотную раму 18, установленную на подшипниках 19. Инерциальный элемент 20 установлен на горизонтальных направляющих 16 с возможностью вращения и возвратно-поступательного перемещения относительно пластинчатой поверхности вала 13 и снабжен храповыми муфтами с возможностью взаимодействия каждой (на участке 14 - муфта 21, на участке - 15 - муфта 22) только со своим участком вала 14, 15. Консольные балки 23 шарнирно связаны с траверсами 6 с возможностью возвратно-поступательного движения параллельно рабочей плоскости флюгера 8, на концах балок 23 размещены ролики 24, контактирующие с ободом 25 инерциального элемента 20 с возможностью свободного вращения последнего в них. Генератор 27 приводится во вращение зубчатыми колесами 28 и 29.

Кроме того, на фиг.1 показаны концевые выключатели 31, шарниры 1, валы 30; на фиг.2 также показаны отверстия 26 инерциального элемента 20, в которые пропущены направляющие 16 поворотной рамы 18.

Ветровая энергетическая установка работает следующим образом. Флюгер 8 обеспечивает разворот платформы 3 в рабочее положение вдоль направления ветра (показано стрелкой). При этом опорные рамы 9 с лопатками 10, закрепленные на балке 7, параллельной рабочей плоскости флюгера 8, оказываются развернутыми перпендикулярно направлению ветра. Для запуска установки в работу достаточно развернуть лопатки 10 на одной из балок 7 на 90° по сравнению с положением лопаток 10 на другой балке 7. При этом балка 7, «парус» которой перпендикулярен направлению ветра, будет перемещаться в направлении ветра, а балка 7, лопатки 10 которой развернуты параллельно направлению ветра, пойдет вхолостую навстречу направлению ветра. Когда балки 7 дойдут до конца, сработают концевые выключатели 31, которые включают механизм поворота лопаток 10, разворачивающий их на 90°. В результате этого включается в работу балка, которая шла вхолостую, ее лопатки 10 оказываются развернутыми поперек направления ветра (лопатки 10 второй балки оказываются развернутыми вдоль направления ветра), далее все повторяется.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6