Вітроенергетична установка мілінського ю.м.

Реферат: Вітроенергетична установка містить щоглу, що виконана у вигляді відрізка труби, встановленого вертикально. Її нижній кінець шарнірно опирається на фундамент, на її верхній частині шарнірно закріплена муфта, а на вершині, у внутрішній порожнині, шарнірно закріплена цапфа з горизонтальним двоконсольним валом, на одній консолі якого закріплені: шарнірно дворядна втулка, з'єднана спицями з ободом, причому на зовнішній поверхні обода закріплена низка лопатей, з'єднаних кінцями із зовнішнім ободом з відігнутою кромкою у вигляді конфузора, утворюючи рухомий направляючий апарат, що обертається, виконуючий функцію робочого колеса, та жорстко - дворядна втулка, з'єднана спицями з ободом, причому на зовнішній поверхні обода закріплена низка лопатей, з'єднаних кінцями із зовнішнім ободом з відігнутою кромкою у вигляді дифузора, утворюючи робоче колесо. На дворядній втулці рухомого направляючого апарата та на іншій консолі вала закріплені зубчасті колеса, зчеплені із зубчастим колесом, закріпленим співвісно на зовнішній поверхні вершини щогли. Площа кола обода направляючого апарата затінена обтікачем, закріпленим утримувачем до цапфи жорстко та хрестовиною до вала шарнірно. З'єднані співвісно шарнірно та за допомогою зубчастих коліс кінематично рухомий направляючий апарат та робоче колесо, виконані з можливістю обертання у протилежних напрямках. До цапфи, перпендикулярно осі вала, в горизонтальній площині закріплена кінцем штанга, виконана у вигляді відрізка труби, на її іншому кінці, у внутрішній UA 111552 C2 (12) UA 111552 C2 порожнині, закріплений співвісно, шарнірно та з можливістю обертання черв'ячний вал, на його кінці закріплене лопатеве колесо - віндроза. Черв'ячний вал зчеплений через вікно в стінці труби штанги з черв'ячним колесом, яке обертається на осі, закріпленій до штанги утримувачем. На утримувачі шарнірно закріплена центром аеродинамічного тиску вертикально реактивна лопать, кінематично з'єднана лобовою частиною з черв'ячним колесом тягою. UA 111552 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вітроенергетична установка належить до засобів отримання енергії з відновлюваних джерел, зокрема механічної енергії, з енергії вітрового потоку, і може використовуватися в вітроенергетиці, енергетиці, теплотехніці та інших галузях. Відома вітроенергетична установка, що містить щоглу, виконану з двох труб, з'єднаних шарнірно, телескопічно, нерухомий направляючий апарат з обтікачем, робоче колесо, з'єднане валом, передачею з електрогенератором, закріпленим на вершині щогли [1]. Недоліком вітроенергетичної установки є те, що струмені вітрового потоку, обертаючись на лопатях направляючого апарата, утворюють сили аеродинамічного тиску на них, та крутний момент, але не утворюють потужність, що зменшує коефіцієнт використання вітрового потоку, а також те, що передача (редуктор) та електрогенератор закріплені на вершині щогли, це ускладнює конструкцію, збільшує навантаження на щоглу, підвищує матеріалоємність, вартість будівництва та експлуатації, виключає можливість використання вироблюваної механічної енергії безпосередньо, що знижує ефективність. Найбільш близькою за технічною суттю, є вітроенергетична установка, що містить щоглу, виконану з двох труб, з'єднаних шарнірно, телескопічно, на її вершині шарнірно закріплений рухомий направляючий апарат, що обертається на валу, робоче колесо з'єднане валом та передачею з електрогенератором, закріпленими на вершині щогли, рухомий направляючий апарат кінематично з'єднаний з валом зубчастими колесами [2]. Недоліком такої вітроенергетичної установки є те, що передача (редуктор) та електрогенератор закріплені на вершині щогли, це ускладнює конструкцію, збільшує навантаження на щоглу, підвищує матеріалоємність, вартість будівництва та експлуатації, виключає можливість безпосереднього використання виробленої механічної енергії без перетворення її у проміжний - електричний вид енергії, що зменшує ефективність. Задача винаходу - спрощення конструкції, зниження матеріалоємності, вартості будівництва і експлуатації, що підвищує ефективність вітроенергетичної установки. Поставлена задача вирішується тим, що у вітроенергетичній установці, що містить щоглу, направляючий апарат, робоче колесо та обтікач, згідно з винаходом, щогла виконана у вигляді відрізка труби, встановленого вертикально, її нижній кінець шарнірно опирається на фундамент, на її верхній частині шарнірно закріплена муфта, приєднана розтяжками до анкерів, а на вершині, у внутрішній порожнині, шарнірно закріплена цапфа з горизонтальним двоконсольним валом, на одній його консолі закріплені: шарнірно - дворядна втулка, з'єднана спицями з ободом, причому на зовнішній поверхні обода закріплена низка лопатей, з'єднаних кінцями із зовнішнім ободом з відігнутою кромкою у вигляді конфузора, утворюючи рухомий направляючий апарат, що обертається, виконуючий функцію робочого колеса, та жорстко - дворядна втулка, з'єднана спицями з ободом, причому на зовнішній поверхні обода закріплена низка лопатей, з'єднаних кінцями із зовнішнім ободом з відігнутою кромкою у вигляді дифузора, утворюючи робоче колесо, на дворядній втулці рухомого направляючого апарата та на іншій консолі вала закріплені зубчасті колеса, зчеплені із зубчастим колесом, закріпленим співвісно на зовнішній поверхні вершини щогли, площа кола обода направляючого апарата затінена обтікачем, закріпленим утримувачем до цапфи жорстко та хрестовиною до вала шарнірно; з'єднані співвісно шарнірно та за допомогою зубчастих коліс кінематично рухомий направляючий апарат та робоче колесо, виконані з можливістю обертання у протилежних напрямках, утворюють співвісну аеродинамічну турбіну з двома робочими колесами протилежного обертання, нижній кінець щогли з'єднаний передачею із споживачем механічної енергії, закріпленим до фундаменту; до цапфи, перпендикулярно осі вала, в горизонтальній площині закріплена кінцем штанга, виконана у вигляді відрізка труби, на її іншому кінці, у внутрішній порожнині, закріплений співвісно, шарнірно та з можливістю обертання черв'ячний вал, на його кінці закріплене лопатеве колесо - віндроза, черв'ячний вал зчеплений через вікно в стінці труби штанги з черв'ячним колесом, яке обертається на осі, закріпленій до штанги утримувачем, на утримувачі шарнірно закріплена центром аеродинамічного тиску вертикально реактивна лопать, кінематично з'єднана лобовою частиною з черв'ячним колесом тягою. Суть винаходу показана на кресленнях: Фіг. 1. Вітроенергетична установка (переріз по осях щогли і вала). Фіг. 2. Вигляд зверху на цапфу, штангу, віндрозу, реактивну лопать. Фіг. 3. Схема сил, діючих на цапфу, віндрозу, реактивну лопать. Вітроенергетична установка складається зі щогли 1 (Фіг. 1), виконаної у вигляді відрізка труби, встановленого вертикально, її нижній кінець шарнірно опирається на фундамент 2, у верхній частині шарнірно закріплена муфта 3, приєднана розтяжками 4 до анкерів 5. На її вершині, у внутрішній порожнині, шарнірно закріплена цапфа 6 з горизонтальним двоконсольним валом 7. На одній його консолі закріплені: шарнірно - дворядна втулка 8, 1 UA 111552 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 з'єднана спицями 9 з ободом 10, причому на його зовнішній поверхні закріплена низка лопатей 11, з'єднаних кінцями із зовнішнім ободом 12 з відігнутою кромкою у вигляді конфузора, утворюючи рухомий направляючий апарат, що обертається, виконуючий функцію робочого колеса, та жорстко - дворядна втулка 13, з'єднана спицями 14 з ободом 15, причому на його зовнішній поверхні закріплена низка лопатей 16, з'єднаних кінцями із зовнішнім ободом 17 з відігнутою кромкою у вигляді дифузора, утворюючи робоче колесо. На втулці 8 направляючого апарата та на іншій консолі вала 7 закріплені зубчасті колеса 18, зчеплені з зубчастим колесом 19, закріпленим співвісно на зовнішній поверхні вершини щогли 1. Площа обода 10 затінена обтікачем 20, закріпленим утримувачем 21 до цапфи 6 жорстко та хрестовиною 22 до вала 7 шарнірно. З'єднані співвісно шарнірно та за допомогою зубчастих коліс кінематично рухомий направляючий апарат та робоче колесо утворюють співвісну аеродинамічну турбіну з двома робочими колесами протилежного обертання. Нижній кінець щогли 1 з'єднаний передачею 23 з споживачем механічної енергії 24, закріпленим на фундаменті 2. До цапфи 6, перпендикулярно осі вала 7, в горизонтальній площині закріплена кінцем штанга 25 (Фіг. 2), виконана у вигляді відрізка труби. На її вільному кінці в порожнині труби шарнірно, з можливістю обертання, співвісно закріплений черв'ячний вал 26, зчеплений через вікно в штанзі 25 з черв'ячним колесом 27, шарнірно закріпленим віссю 28 в утримувачі 29, закріпленим до штанги 25. На утримувачі 29 шарнірно закріплена центром аеродинамічного тиску вертикально реактивна лопать 30, кінематично з'єднана лобовою частиною тягою 31 з черв'ячним колесом 27. На вільному кінці черв'ячного вала 26 закріплено співвісно лопатеве колесо - віндроза 32. Вітроенергетична установка працює наступним чином. Вітровий потік, діючий на зовнішню поверхню дифузорної частини зовнішнього обода 17 робочого колеса, обертає цапфу 6 та вал 7 навколо осі щогли 1 в напрямку руху вітрового потоку, останній, обтікаючи обтікач 20 та конфузорну частину зовнішнього обода 12 рухомого направляючого апарата, збільшує швидкість і у вигляді кільцевого потоку направляється на лопаті 11 рухомого направляючого апарата. Лопаті 11 розділяють кільцевий потік на окремі струмені, які взаємодіючи з лопатями 11 збільшують швидкість і обертаються, при цьому частина кінетичної енергії струменів передається лопатям 11, утворюючи сили аеродинамічного тиску струменів на лопаті 11, що утворюють обертальний момент, діючий на рухомий направляючий апарат відносно осі його обертання - осі вала 7. Далі струмені направляються на лопаті 16 робочого колеса, і, взаємодіючи з ними, обертаються у протилежному напрямку, при цьому частина кінетичної енергії струменів передається лопатям 16, утворюючи сили аеродинамічного тиску струменів на лопаті 16, що утворюють обертальний момент, діючий на робоче колесо, відносно осі його обертання - осі вала 7, направлений у протилежному напрямку, діючі обертальні моменти обертають рухомий направляючий апарат та робоче колесо і з'єднані з ними зубчасті колеса 18 у різних напрямках, обертаючи з різних боків зчеплене з ними зубчасте колесо 19 та щоглу 1. При цьому зубчасте колесо 19 діє на зубчасті колеса 18 реактивним моментом у вигляді пари сил, діючих через вал 7 на цапфу 6, обертаючи її навколо осі щогли 1, виводячи вісь вала 7, рухомий направляючий апарат, робоче колесо, площину лопатевого колеса - віндрози 32 з вітрового потоку. Рівновага аеродинамічних сил вітрового потоку, діючих на лопаті лопатевого колеса - віндрози 32 порушується, воно починає обертатися, обертаючи черв'ячний вал 26, черв'ячне колесо 27 і реактивну лопать 30 тягою 31, збільшуючи кут атаки реактивної лопаті 30 та площу поперечного перерізу вітрового потоку, що взаємодіє з нею. Це збільшує силу аеродинамічного тиску на реактивну лопать 30, а відповідно і обертальний момент цієї сили відносно осі обертання цапфи 6. Цапфа 6, вал 7, рухомий направляючий апарат, робоче колесо та площина лопатевого колеса - віндрози 32 обертаються відносно осі щогли 1 у зворотному напрямку до такого положення, коли вісь вала 7 та площина обертання лопатевого колеса віндрози 32 стануть паралельними напрямку руху вітрового потоку, обертання лопатевого колеса - віндрози 32 зупиняється, настає рівновага крутних моментів, діючих на цапфу 6 і вал 7, їх обертальний рух відносно осі щогли 1 зупиняється. Схема діючих сил на вал 7, віндрозу 32, реактивну лопать 30 в горизонтальній площині при напрямку руху вітрового потоку паралельно осі вала 7 показана на Рис. 3. Рівняння рівноваги обертальних моментів, діючих на цапфу 6 відносно осі щогли 1 має вигляд: Rнa·ℓ-Pcosα·а-Т·b=0; де: Rнa=Rpк - сили реакції зубчастого колеса, закріпленого на щоглі, що передаються на двоконсольний вал; ℓ - відстань між діючими на двоконсольний вал силами Rнa, Rpк; Р - сила аеродинамічного тиску вітрового потоку, діюча на реактивну лопать; α - кут між напрямком дії сили Р і перпендикуляром до лінії, що з'єднує вісь щогли з центром тиску реактивної лопаті; 2 UA 111552 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 а - відстань між віссю щогли і центром тиску реактивної лопаті. Т - сила аеродинамічного тиску, діюча на віндрозу. b - відстань між віссю щогли та віндрозою. При зміні напрямку або швидкості руху вітрового потоку між напрямком руху вітрового потоку та площиною обертання віндрози 32 утворюється деякий кут, віндроза починає обертатися разом з черв'ячним валом 26 і черв'ячним колесом 27, тяга 31 передає рух реактивній лопаті 30, остання обертається навколо вертикальної осі, що проходить через її центр аеродинамічного тиску. Сила аеродинамічного тиску вітрового потоку на реактивну лопать 30 змінюється. Двоконсольний вал 7 обертається з цапфою 6 навколо осі щогли 1 так, що його вісь та площина віндрози стають паралельними напрямку руху вітрового потоку. Віндроза припиняє обертальний рух, рівновага крутних моментів діючих на цапфу автоматично відновлюється. Співвісна аеродинамічна турбіна з двома робочими колесами протилежного обертання працює в оптимальному режимі. В подальшому віндроза 32 постійно слідкує за паралельністю осі вала 7 і напрямом руху вітрового потоку, і забезпечує її внесенням відповідних коректив. Розміщення двоконсольного вала, направляючого апарата, що обертається, та робочого колеса на цапфі, що обертається у внутрішній порожнині вершини щогли, та закріплення на її зовнішній поверхні зубчастого колеса, зчепленого з зубчастими колесами, кінематично з'єднаними з направляючим апаратом, що обертається, та робочим колесом створює співвісну аеродинамічну турбіну з двома робочими колесами протилежного обертання, забезпечує транспортування потужності від вітродвигуна по щоглі, як по трансмісійному валу, до передачі та споживача механічної енергії, закріпленого на фундаменті. Це дозволяє зменшити масу (вагу) верхньої частини вітроенергетичної установки, що спрощує конструкцію, знижує навантаження на щоглу, матеріалоємність, вартість будівництва та експлуатації. Закріплення на цапфі, перпендикулярно осі вала, кінця горизонтальної штанги та шарнірне закріплення співвісно в її іншому кінці черв'ячного вала, з'єднаного кінцем з віндрозою, та зчепленого з черв'ячним колесом, кінематично з'єднаним тягою з лобовою частиною реактивної лопаті, шарнірно закріпленої в її центрі аеродинамічного тиску, разом з віссю черв'ячного колеса, утримувачем до штанги, дозволяє компенсувати реактивний момент пари сил, діючих на вал в горизонтальній площині від зубчастих коліс направляючого апарата та робочого колеса при взаємодії їх з зубчастим колесом, закріпленим на зовнішній поверхні вершини щогли, і забезпечує автоматичне слідкування за паралельністю осі вала та напрямку руху вітрового потоку при його зміні. Все це підвищує ефективність роботи вітроенергетичної установки. Джерела інформації: 1. Опис до патенту на винахід України "Вітроенергетична установка Мілінського Ю.М." UA № 100600, F02D, С2. 2. Опис до патенту на винахід "Вітроенергетична установка Мілінського Ю.М.". UA № 107762, F03D 1/02, С2. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Вітроенергетична установка, що містить щоглу, направляючий апарат, робоче колесо та обтікач, яка відрізняється тим, що щогла виконана у вигляді відрізка труби, встановленого вертикально, її нижній кінець шарнірно опирається на фундамент, на її верхній частині шарнірно закріплена муфта, приєднана розтяжками до анкерів, а на вершині, у внутрішній порожнині, шарнірно закріплена цапфа з горизонтальним двоконсольним валом, на одній його консолі закріплені: шарнірно - дворядна втулка, з'єднана спицями з ободом, причому на зовнішній поверхні обода закріплена низка лопатей, з'єднаних кінцями із зовнішнім ободом з відігнутою кромкою у вигляді конфузора, утворюючи рухомий направляючий апарат, що обертається, виконуючий функцію робочого колеса, та жорстко - дворядна втулка, з'єднана спицями з ободом, причому на зовнішній поверхні обода закріплена низка лопатей, з'єднаних кінцями із зовнішнім ободом з відігнутою кромкою у вигляді дифузора, утворюючи робоче колесо, на дворядній втулці рухомого направляючого апарата та на іншій консолі вала закріплені зубчасті колеса, зчеплені із зубчастим колесом, закріпленим співвісно на зовнішній поверхні вершини щогли, площа кола обода направляючого апарата затінена обтікачем, закріпленим утримувачем до цапфи жорстко та хрестовиною до вала шарнірно, з'єднані співвісно шарнірно та за допомогою зубчастих коліс кінематично рухомий направляючий апарат та робоче колесо, виконані з можливістю обертання у протилежних напрямках, утворюють співвісну аеродинамічну турбіну з двома робочими колесами протилежного обертання, нижній кінець щогли з'єднаний передачею із споживачем механічної енергії, закріпленим до фундаменту, до 3 UA 111552 C2 5 цапфи, перпендикулярно осі вала, в горизонтальній площині закріплена кінцем штанга, виконана у вигляді відрізка труби, на її іншому кінці, у внутрішній порожнині, закріплений співвісно, шарнірно та з можливістю обертання черв'ячний вал, на його кінці закріплене лопатеве колесо - віндроза, черв'ячний вал зчеплений через вікно в стінці труби штанги з черв'ячним колесом, яке обертається на осі, закріпленій до штанги утримувачем, на утримувачі шарнірно закріплена центром аеродинамічного тиску вертикально реактивна лопать, кінематично з'єднана лобовою частиною з черв'ячним колесом тягою. 4 UA 111552 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5