Багатоступеневий вертикально-осьовий вітроенергетичний двигун

Винахід відноситься до вітроенергетики і може бути використаний для енергозабезпечення різних автономних споживачів або для роботи у складі вітрових електростанцій різної потужності. Відома вертикально - осьова вутроенергетична установка, що прийнята за прототип ( Авторське свідоцтво СРСР № 1687845 МПК F 03D 3/04 опубл. 30.10.91 бюл. № 40). Вона містить у корпусі вітрову турбіну барабанного типу, повітрозабірник у вигляді зігнутої труби, який розгалужується на два дугоподібних повітроводи з вихідними соплами. Розтруб повітрозабірника направлений в атмосферу, а вихідні сопла спряжені з боковою поверхнею корпусу вітрової турбіни барабанного типу. Установка забезпечена також пристроєм орієнтування на напрямок вітру, який виконано у вигляді флюгерного вітродвигуна з генератором, установленим на повітрозабірнику. Недоліками цієї установки є втрати кінетичної енергії повітряного потоку, а також низький коефіцієнт використання енергії вітру турбіною барабанного типу, що призводить до зниження її потужності. Повітряний потік на шляху руху до лопастей вітрової турбіни двічі міняє напрямок і долає додатковий опір при розділенні повітрозабірника на два дугоподібних повітроводи. Крім цього, оскільки вихідні сопла повітроводів спряжені з боковою поверхнею корпусу, повітряний потік майже по дотиковій лінії надходить на лопасті вітрової турбіни барабанного типу, що також призводить до зниження коефіцієнту використання енергії вітру. Відома вертикально-осьова вітроенергетична установка, що прийнята за прототип. Патент України № 21869. Вона має розміщену у корпусі вітрову турбіну пропелерного типу, повітрозабірник у вигляді зігнутої труби, розтруб якої направлений в атмосферу, а вихідне сопло спряжено з корпусом вітрової турбіни за всім периметром і пристрій орієнтування на вітер повітрозабірника. Недоліком цієї вертикально-осьової вітроенергетичної установки є значна залежність її потужності від швидкості повітряного потоку в одному шарі атмосфери, необхідність виготовлення коштовних великогабаритних складових її частин у випадку будівництва установок великої одиничної потужності, значні витрати території на одиницю потужності, відсутність додаткових умов для прискорення швидкості повітряного потоку в просторі, обмеженому повітрозабірником. Задача винаходу полягає в підвищенні потужності двигуна і коефіцієнту використання енергії вітру за рахунок приймання на загальний вал кінетичної енергії обертання декількох турбін, а також додаткового підвищення кінетичної енергії повітряного потоку за рахунок розрідження повітряної маси в підвітровому просторі розтрубу і дії сили тяжіння Землі на повітряний потік в зоні вертикальної ділянки шляху до лопастей турбіни. Ця задача досягається тим, що багатоступеневий вертикально-осьовий вітроенергетичний двигун, який має вітрову турбіну пропелерного типу, що розміщена в корпусі, повітрозабірник, що виготовлений у вигляді зігнутої труби, розтруб якої направлений в атмосферу, а вихідне сопло спряжене з корпусом вітрової турбіни за всім периметром, пристрій орієнтування на вітер, згідно винаходу, виконаний з заданою кількістю вітрових турбін і повітрозабірників, що установлені співвісно в порядку чередування один над одним на загальному валу, при цьому повітрозабірники розташовані так, що верхній край розтрубу кожного з них перекриває з навітрової сторони нижній край корпусу турбіни пропелерного типу, і з'єднаний в одне ціле опорним каркасом, що установлений на поворотній платформі. З'єднання в єдиному каркасі декількох вертикально-осьових вітрових турбін, що мають незалежне живлення рухомою повітряною масою за рахунок забору її повітрозабірниками з різних шарів потоку рухомої атмосфери» дозволяє перетворити її кінетичну енергію в кінетичну енергію обертання турбін і акумулювати її на загальному валу вітроенергетичного двигуна. Розміщення повітрозабірників так, щоб верхній край розтрубу, що знаходиться знизу, перекривав по висоті нижній край корпусу турбіни, що знаходиться вище, небхідно для того, щоб в підвітровому просторі розтрубу і в зоні виходу відпрацьованого повітряного потоку з корпусу турбіни створити розрідження повітряної маси, що створить умови для додаткового прискорення повітряного потоку за рахунок ефекту Бернуллі, сили тяжіння Землі та безперепонного видалення відпрацьованого повітряного потоку з зони дії турбіни. Порівняння заявленого рішення не тільки з прототипом, але і з іншими технічними рішеннями в даній галузі техніки, дозволило виявити в них ознаки, що відрізняють рішення, що заявляється, від прототипа. Винахід пояснюється кресленнями, де на фіг.1. зображено вид БВО ВЕД з фіксованим напрямком повітрозабірників на вітер; на фіг.2 - його варіант на поворотній платформі з каркасом і пристроєм орієнтування повітрозабірників на напрямок вітру. БВО ВЕД складається (фіг.1.) із установлених співвісно в порядку чередування одна над одною вітрових турбін 1 пропелерного типу та повітрозабірників 2. Кожна із вітрових турбін 1 розміщена в окремому корпусі З, при цьому їхні вали з'єднані в єдиний вал 4. Кожний повітрозабірник 2 виконаний у вигляді зігнутої труби, розтруб 5 якої направлений в атмосферу, а вихідне сопло 6 установлено над корпусом З вітрової турбіни 1 і спряжено з ним за всім периметром. Повітрозабірники 2 установлені так, що верхній край розтрубу кожного з них перекриває з надвітрової сторони нижній край корпусу 3 вітрової турбіни 1 пропелерного типу. Повітрозабірник забезпечується відбивачем 7 і люком 8. У варіанті побудови БВО ВЕД з фіксованим орієнтуванням розтрубів 5 на напрямок вітру (фіг.1.) утримуючими елементами можуть бути фундамент 9 з опорами 10. Для забезпечення усталеної роботи БВО ВЕД (фіг.2.) в автоматичному режимі доцільним є варіант, коли він забезпечений співвісним єдиному валу 4 опорним каркасом 11, розміщеним на поворотній платформі 12. Верхня частина опорного каркасу 11 і поворотна платформа 12 оснащені зачіпами 13, між якими натягнена линва 14. До поворотної платформи прикріплені стойки (на фіг. 2. не показано), а до каркасу 11 упори 15 і 16, до верхньої частини яких прикріплено віндрозний двигун 17 з редуктором 18, валом 19. На вал 19 насаджений фрикціон 20 приводу в рух кругом осі 21 поворотної платформи 12 для орієнтування розтрубів повітрозабірників 2 БВО ВЕД на напрямок вітру. Поворотна платформа установлена на катках 22, а її пустотіла вісь 21 посаджена у маточину 23 через кульковий підчіпок 24. Працює БВО ВЕД так (розглядається на прикладі однієї ступені БВО ВЕД). Під дією бокового вітру віндрозний двигун 17 починає обертатися і через черв'яковий редуктор 18, вал 19 і фрикціон 20 (фіг.2.), повертаючи платформу 12 автоматично самоналаджується так, щоб розтруб 5 повітрозабірника 2 почав уловлювати повітряний потік. При зорієнтованому положенні повітрозабірника 2 рухома повітряна маса уловлюється розтрубом 5 повітрозабірника 2 і через вихідне сопло 6 напрямляється в корпус 3 вітрової турбіни 1 пропелерного типу. На шляху від розтруба 5 до вихідного сопла 6 тільки один раз відбувається зміна напрямку повітряного потоку. Субгоризонтальний напрямок його руху змінюється на субвертикальний при виході із сопла 6 і далі по прямій лінії через корпус 3 на лопасті вітрової турбіни 1 пропелерного типу. На цьому шляху під дією зовнішніх сил, виникає прискорення повітряного потоку, а разом з цим і зростання його кінетичної енергії за рахунок збільшення секундної швидкості. Прискорення повітряного потоку в просторі, обмеженому повітрозабірником, що має різні по величині площі поперечного перетину (більшу розтрубу 5 і меншу сопла 6), з одного боку, відбувається за рахунок прояву ефекту Бернуллі в результаті дії зовнішніх сил, що визивають рух атмосфери, а з другого - в результаті дії на нього сили тяжіння Землі на вертикальній дільниці руху. При взаємодії повітряного потоку з лопастями вітрової турбіни 1 пропелерного типу, що мають аеродинамічний профіль, на них виникає аеродинамічна сила, що призводить до обертання її валу 4 і виникнення кінетичної енергії обертання турбіни. За описаним вище принципом діють всі турбіни 1, що входять до складу БВО ВЕД, передаючи на загальний вал 4 напрацьовану механічну енергію, яка використовується у відповідності з призначенням БВО ВЕД. Відбивач 7 повітряного потоку (фіг.2) при роботі БВО ВЕД розділяє повітряний потік в середині повітрозабірника на дві частини і нижню спрямовує в навітрену сторону корпусу турбіни, створюючи більш рівномірну його щільність в зоні обертання лопастей вітрової турбіни 1. При критичній силі вітру люк 8 (фіг.2.) під дією напору повітряного потоку відкривається і випускає його надлишок за межі повітрозабірника 2, запобігаючи руйнуванню конструкції. В тому випадку, коли БВО ВЕД установлений на поворотній платформі 12 (фіг.2.), орієнтування розтрубів повітрозабірників на напрямок вітру відбувається за рахунок обертання платформи 12 навколо осі 21 за допомогою віндрозного двигуна 17, який через черв'яковий редуктор 18 крутить вал 19 і фрикціон 20. Обертання платформи 12 навколо осі 21 відбувається завдяки тому, що вона установлена між направляючими катками 22. Вал 4, проходячи через запресований у вісь 21 кульковий підчіпок, з'єднується з редуктором 26 і передає енергію обертання вітрових турбін на вал відбору потужності 27. Сполучення багатьох позитивних факторів (можливість паралельної роботи і акумуляції на один вал енергії обертання декількох вітрових турбін, використання турбін пропелерного типу, можливість створення умов для прояву ефекту Бернуллі з використанням для цього геометрії повітрозабірника і зовнішніх сил, що визивають рух атмосфери, можливість створення умов для одночасного живлення всіх турбін рухомою повітряною масою із різних шарів атмосфери, можливість створення розрідження повітряної маси в підвітреному просторі розтрубу повітрозабірника та можливість використання на вертикальній ділянці шляху сили тажіння Землі для прискорення повітряного потоку) дозволило створити БВО ВЕД, що заявляється. В БВО ВЕД є свої особливості, що покращують ефективність роботи кожної окремої турбіни. Головною з них є взаємне розташування розтрубу повітрозабірника і корпусу турбіни, коли в зоні корпусу з навітреної сторони створюється розрідження повітряної маси за рахунок поглинання її повітрозабірником, розташованим знизу. Це дає змогу краще проявитись всім факторам, що призводять до прискорення повітряного потоку в середині повітрозабірника і створити сприятливі умови для видалення відпрацьованої повітряної маси із зони турбіни. Саме для цього, в нижній частині корпусу 3 нижньої турбіни, передбачена установка фартуха 25 (фіг.2.). Для надання всій конструкції БВО ВЕД більшої стійкості при критичній швидкості вітру верхня частина каркасу 11 і платформа скріплені між собою линвою 14 через зачіпи 13. Пристрій орієнтування повітрозабірників 2 на напрямок вітру у варіанті БВО ВЕД, що показаний на фіг.2 може бути виконаний на базі віндрозного двигуна 17, який через черв'яковий редуктор 18 призводить до обертання вала 19 і через фрикціон 20, який зчіплюється з нерухомим виступом фундаменту, приводить до повороту платформи 12 навколо осі 21. Великі перспективи використання БВО ВЕД е в можливості з'єднання їх в паралельні групи, що дозволить максимально використовувати території із сприятливими за вітровими параметрами умовами для будівництва вітрових електричних станцій будь-якої доцільної потужності. БВО ВЕД може знайти використання у якості енергетичної установки надводних кораблів та самохідних транспортних засобів, що працюють у відкритому просторі. БВО ВЕД вирішує важливу народно-господарську проблему енергозабезпечення різних споживачів екологічно чистими та економічно вигідними видами енергії.