Ветродвигатель

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям, используемым для получения механической и электрической энергии. Технический результат, заключающийся в максимальном использовании кинетической энергии ветра, достигается за счет того, что в ветродвигателе, содержащем ветровую турбину с вертикальной осью вращения, согласно изобретению турбина образована из N профилированных осесимметричных лопастей, соединенных верхней и нижней крышками, имеющими форму круга, и расположена внутри направляющей системы, образованной из K неподвижных осесимметричных направляющих створок, закрепленных верхней и нижней крышками, причем каждая из лопастей ветровой турбины представляет собой часть боковой поверхности цилиндра с образующей, параллельной оси вращения ветровой турбины, поперечное сечение каждой из направляющих створок имеет профиль в виде синусоиды, при этом внешние и внутренние кромки лопастей ветровой турбины в сечении соответственно установлены по окружности и ориентированы так, чтобы обеспечить плавное перетекание воздуха с направляющих створок на лопасти ветровой турбины, а направляющие створки расположены равномерно по окружности и своими осями установлены под углом к линиям ее радиусов так, чтобы обеспечить перетекание воздушного потока с одной лопасти на другую. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетикe, в частности к ветродвигателям, и может быть использовано для получения механической и электрической энергии.

Известен ветродвигатель, содержащий вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью, расположенную внутри системы ветронаправляющих экранов, каждый из которых непосредственно ориентирован на лопасть ветротурбины, причем крайние положения экрана определяют размер лопасти ветротурбины, которая установлена продольной осью перпендикулярно к прямой, проходящей через ось вращения ветронаправляющего экрана и касающейся окружности, образованной крайней наружной точкой лопасти ветротурбины (см. патент РФ N 2074980, кл. F 03 D 3/04, от 08.02.94).

Однако известный ветродвигатель имеет сложную конструкцию из-за необходимости создания вращающихся экранов.

Кроме того, замкнутая конструкция ветротурбины не обеспечивает эффективного торможения потока и как следствие снижает КПД.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является ветродвигатель, содержащий ветровую турбину с вертикальной осью вращения (заявка Франции N 2520057, кл. F 3 D 04, 1983 г.).

Однако в известном устройстве из-за отсутствия профилирования направляющих (перегородок 12) и неэффективности направляющей системы происходят значительные потери энергии ветра.

Воздух, попадая в пространства, ограниченные лопастями турбины и верхней и нижней крышками, вытекает из них через отверстия 21 крышек 17 и 24, не создавая зоны разряжения, а образуя зоны повышенного давления на пути набегающей лопасти, что противодействует вращению турбины.

Техническим результатом является создание такой конструкции ветродвигателя, которая бы обеспечивала максимальное использование кинетической энергии ветра.

Для этого в ветродвигателе, содержащем ветровую турбину с вертикальной осью вращения, согласно изобретению турбина образована из N профилированных осесимметричных лопастей, соединенных верхней и нижней крышками, имеющими форму круга, и расположена внутри направляющей системы, образованной из К неподвижных осесимметричных направляющих створок, закрепленных верхней и нижней крышками, причем каждая из лопастей ветровой турбины представляет собой часть боковой поверхности цилиндра с образующей, параллельной оси вращения ветровой турбины, поперечное сечение каждой из направляющих створок имеет профиль в виде синусоиды, при этом внешние и внутренние кромки лопастей ветровой турбины в сечении соответственно установлены по окружностям и ориентированы таким образом, чтобы обеспечить плавное перетекание воздуха с направляющих створок на лопасти ветровой турбины, а направляющие створки расположены равномерно по окружности и своими осями установлены под углом к линиям ее радиусов таким образом, чтобы обеспечить перетекание воздушного потока с одной лопасти на другую, кроме того, предпочтительно брать N = 3, а К = 6-11.

Согласно изобретению лопасти ветровой турбины дополнительно снабжены горизонтальными силовыми элементами для предотвращения вихреобразования вдоль оси ветровой турбины, а отношение диаметров окружностей, образованных внешними и внутренними кромками лопастей ветровой турбины, равно 2-8, кроме того, угол установки осей направляющих створок к линиям соответствующих радиусов окружности равномерного их расположения ≤ 30^o.

Сущность изобретения заключается в том, что выполнение лопастей ветровой турбины и направляющей системы соответствующим образом позволило обеспечить плавное перетекание воздуха с направляющих створок на лопасти ветровой турбины и дальнейшее перетекание воздушного потока с одной лопасти на другие и свободный выход отработанного воздуха в атмосферу.

Сравнение заявленного устройства с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков говорит о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Предварительные испытания подтверждают возможность промышленного использования.

На чертеже представлен вид конструкции предлагаемого устройства.

Ветродвигатель содержит ветровую турбину 1 с вертикальной осью 2 вращения, образованную из N (где N = 3) профилированных осесимметричных лопастей 3-1. ..3-3, соединенных верхней и нижней крышками 4 и 5, имеющими форму круга.

Ветровая турбина 1 расположена внутри направляющей системы, образованной из К неподвижных осесимметричных направляющих створок 6-1...6-К, закрепленных верхней и нижней крышками 7 и 8, и равномерно расположенных по окружности.

Оптимальное количество створок 6-i равно 6-11. Каждая из лопастей 3-1... 3-3 ветровой турбины 1 представляет собой часть боковой поверхности цилиндра с образующей, параллельной оси 2 ее вращения.

Поперечное сечение каждой из направляющих створок 6-1-6-К имеет профиль в виде синусоиды, при этом внешние и внутренние кромки лопастей 3-1...3-3 ветровой турбины 1 в сечении соответственно установлены по окружностям 9 и 10, отношение диаметров которых равно 2-8, и ориентированы таким образом, чтобы обеспечить плавное перетекание воздуха с направляющих створок 6-1... 6-К на лопасти 3-1...3-3 ветровой турбины 1.

Направляющие створки 6-1...6-К расположены равномерно по окружности, а их оси установлены под углом ≤ 30^o к линиям радиусов и ориентированы таким образом, чтобы обеспечить перетекание воздушного потока с одной лопасти на другую и свободный выход отработанного воздуха из ветродвигателя в атмосферу.

Кроме того, лопасти 3-1...3-3 ветровой турбины 1 могут быть дополнительно снабжены горизонтальными силовыми элементами 11 для предотвращения вихреобразования вдоль вертикальной оси 2 ветровой турбины 1. Эти элементы 11 могут быть выполнены по-разному, например, плоскими и имеющими в сечении форму секторов, размещенных между лопастями.

Ветродвигатель закреплен на подставке 12. Каждая из лопастей 3-1...3-3 имеет выпуклую и вогнутую поверхности 13 и 14, соответственно. Ветродвигатель работает следующим образом. При обтекании устройства ветром ветровой поток поступает на створки 6-1...6-К направляющей системы, которые направляют его на ветровую турбину 1.

Так как площадь сечения направляющей системы, перпендикулярной потоку воздуха, в 2 раза больше площади сечения ветровой турбины 1 с учетом потерь, примерно в 1,8 раз больше, чем при отсутствии направляющей системы.

Кроме того, створки 6-1...6-К сориентированы таким образом, что ветровой поток попадает на вогнутую поверхность 14 лопастей 3-1...3-3 ветровой турбины 1.

В то же время створки 6-1...6-К затеняют выпуклую поверхность 13 лопастей 3-1...3-3 ветровой турбины 1.

При этом на выпуклых поверхностях 13 создается зона разряжения, а на вогнутых поверхностях 14 - зона повышенного давления.

После попадания воздуха на ветровую турбину 1 его поток после торможения на одной из лопастей 3-i перетекает на другую лопасть, где еще раз тормозится.

Таким образом, воздушный поток почти полностью отдает свою энергию ветровой турбине 1.

К последней обычно подключены внешние устройства, вырабатывающие электроэнергию или использованные в других целях.

После торможения на ветровой турбинe 1 воздух отсасывается из ее зоны за счет разряжения, создаваемого направляющими створками 6-1...6-К за ветровой турбиной 1, что уменьшает возможность его запирания на ней, и выбрасывается в атмосферу.

Таким образом, создание вышеописанной относительно простой конструкции ветродвигателя позволяет обеспечить максимальное использование кинетической энергии ветра.

Формула изобретения

1. Ветродвигатель, содержащий ветровую турбину с вертикальной осью вращения, отличающийся тем, что турбина образована из N профилированных осесимметричных лопастей, соединенных верхней и нижней крышками, имеющими форму круга, и расположена внутри направляющей системы, образованной из К неподвижных осесимметричных направляющих створок, закрепленных верхней и нижней крышками, причем каждая из лопастей ветровой турбины представляет собой часть боковой поверхности цилиндра с образующей, параллельной оси вращения ветровой турбины, поперечное сечение каждой из направляющих створок имеет профиль в виде синусоиды, при этом внешние и внутренние кромки лопастей ветровой турбины в сечении соответственно установлены по окружностям и ориентированы так, чтобы обеспечить плавное перетекание воздуха с направляющих створок на лопасти ветровой турбины, а направляющие створки расположены равномерно по окружности и своими осями установлены под углом к линиям ее радиусов так, чтобы обеспечить перетекание воздушного потока с одной лопасти на другую.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что N = 3.

3. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что К = 6-11.

4. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что лопасти ветровой турбины дополнительно снабжены горизонтальными силовыми элементами для предотвращения вихреобразования вдоль оси ветровой турбины.

5. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что отношения диаметров окружностей, образованных внешними и внутренними кромками лопастей ветровой турбины, равно 2 - 8.

6. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что угол установки осей направляющих створок к линиям соответствующих радиусов окружности равномерного их расположения ≤ 30°.

РИСУНКИ

Рисунок 1