Вітряк

1 Вітряк, що містить енергетичний вузол, встановлений на опорі з можливістю обертання, та вітроколесо чашкоподібної форми, яке розташоване за опорою у відношенні до вітру і має закріплені на маточині поворотні крила з розгортуваною поверхнею, який відрізняється тим, що крила виконані з розгортуваною торсовою навітряною поверхнею, встановлені на трубах Винахід відноситься до вітроенергетики і дозволяє одержувати електричну та ІНШІ ВИДИ енергії, в тому числі, при малих швидкостях вітру, зберігаючи безшумність в роботі ВІДОМІ ШВИДКІСНІ вітряки з малою КІЛЬКІСТЮ (одне - три) вузьких крил з аеродинамічним профілем, які добре узгоджуються з електрогенераторами через використання редуктора з малим передавальним числом і високим к к д (1 ,с 80,88,104, 2,с 33,36, 3 с 12,31), але вони працюють тільки при значних швидкостях вітру та викликають великі шуми і тому не можуть бути розташовані поблизу жител через екологічну ШКІДЛИВІСТЬ ВІДОМІ І малошвидкісні вітряки з багатьма крилами (12 і більше) великої площі, що забезпечують значні пускові і робочі моменти (1, с 81,86, 2, с 29, 3, с 10), але ці вітряки мають велику металоємність, а їхні крила міцно закріплені і не змінюють кута їх встановлення, а це не дає можливості стабілізувати швидкість обертання вітроколеса при ЗМІНІ швидкості вітру ВІДОМІ також вітряки, в яких вітроколесо розташоване на горизонтальному валу за опорою у відношенні до вітру При цьому відбувається са Зоя осях, які на ДІЛЯНЦІ кріплення крил виконані дугоподібними, нахиленими назустріч вітру і зігнутими біля основи крила проти напрямку обертання вітроколеса, вісь обертання котрого розташована під кутом до горизонту таким чином, що вітроколесо нахилене верхньою частиною проти вітру, труби-осі крил встановлені на маточині вітроколеса кожна на двох підшипниках, напроти осі обертання вітроколеса на трубах-осях розташовані шестерні, зв'язані між собою зубчастою багатосторонньою ЛІНІЙКОЮ, з'єднаною з циліндричною з попереднім натягом пружиною із розміщеним в середині неї амортизатором, а під вітроколесом на землі встановлено загороду для повітря 2 Вітряк за п 1, який відрізняється тим, що на маточині вітроколеса напроти зубчастої багатосторонньої ЛІНІЙКИ встановлено блок автоматичної стабілізації швидкості обертання вітроколеса моорієнтація за вітром завдяки його тиску на вітроколесо (1, с 91,175,176, 4, с 47, 5) Тоді відпадає необхідність встановлення стабілізатора або зменшується його площа, віндрозних пристроїв, чи інших пристосувань для орієнтації за напрямком вітРУ Найближчим за технічною суттю до запропонованого винаходу є вітряк, що містить енергетичний вузол, встановлений на опорі з можливістю обертання, та вітроколесо чашкоподібної форми, яке розташоване за опорою у відношенні до вітру і має закріплені на ступиці поворотні крила з розгорнутою поверхнею (6) Крила вітроколеса розташовані на стержнях, які з'єднані на кіцях по колу за допомогою стяжок Причому, крила з'єднані з послідучими за ходом обертання, стержнями за допомогою розтяжок Вказана конструкція забезпечує зміну положення крил відносно площини обертання вітроколеса залежно від швидкості вітру і тим самим деяку стабілізацію обертів Таке виконання вітряка можливе тільки в багатокрильному варіанті При меншій КІЛЬКОСТІ крил виконання необхідної просторової конструкції стає недоцільним через довгі стяжки, які потрібно додатково закріплювати Крім цього, під час обертан 00 со (О со 43638 ня вітроколеса виникають додаткові коливання крил за рахунок їх власної ваги Наявність довгих стяжок та розтяжок з пружинами, а також додаткові коливання крил збільшують опір повітря і тому зменшують коефіцієнт використання енергії вітру і підвищують шуми В основу винаходу поставлено задачу створення такого вітряка, в якому нове виконання крил, нове розташування осі обертання вітроколеса і використання екранного ефекту дозволить підвищити коефіцієнт використання енергії вітру, зменшити ШКІДЛИВІ шуми та стабілізувати швидкість обертання вітроколеса Поставлена задача вирішується тим, що у вітряку, який містить енергетичний вузол, встановлений на опорі з можливістю обертання, та вітроколесо чашкоподібної форми, що розташоване за опорою у відношенні до вітру і має закріплені на ступиці поворотні крила з розгортаною поверхнею, згідно з винаходом, крила виконані з розгортуваною торсовою навітреною поверхнею, встановлені на трубах- осях, які на ДІЛЯНЦІ кріплення крил виконані дугоподібними, нахиленими назустріч вітру і зігнутими біля основи крила проти напрямку обертання вітроколеса, вісь обертання якого розташована під кутом до горизонту таким чином, що вітроколесо нахилене верхньою часиною проти вітру, труби-осі крил встановлені на ступиці вітроколеса кожна на двох підшипниках, напроти осі обертання вітроколеса на трубах-осях розташовані шестерні, зв'язані між собою зубчастою багатосторонньою ЛІНІЙКОЮ, з'єднаною з циліндричною з попереднім натягом пружиною із розміщеним в середині неї амортизатором, а під вітроколесом на землі встановлено загороду для повітря Торсова навітрена поверхня крил дозволяє виконати необхідне їх закручування і, таким чином, забезпечити постійний кут атаки на всіх ділянках крила Чашкоподібна форма вітроколеса створює збільшений опір повітря і покращує ефективність роботи вітряка Цьому ж сприяє виконання загороди для вітру на землі через те, що повітря піднімається перед загородою вверх і стискуючись збільшує свою швидкість Нахил вітроколеса верхньою частиною проти вітру зменшує його обтікання у цій частині і розташовує його перпендикулярно до потоку повітря, яке піднімається перед загородою В цьому проявляється і використовується екранний ефект землі Все це підвищує коефіцієнт використання енергії вітру Встановлення труб-осей крил на підшипниках і їх зв'язок через шестерні, багатосторонню зубчасту лінійку, підпружинення її і використання амортизатора дозволяє взаємно компенсувати поворотні моменти крил за рахунок власної ваги і тим самим ліквідувати ШКІДЛИВІ їх коливання підчас обертання вітроколеса Вищесказане, а також порівняно велика площа крил, відсутність, як у прототипа, довгих стяжок і розтяжок дозволяє підвищити коефіцієнт використання енергії вітру, працювати при малих його швидкостях, а крім того, зменшити ШКІДЛИВІ шуми Нахил крил назустріч вітру та їх згин біля основи проти напрямку обертання вітроколеса приводить до того, що при збільшенні швидкості вітру і швидкості обертання вітроколеса, відбувається поворот крил навколо труб -осей в напрямку змен шення кута атаки і обертового моменту вітроколеса за рахунок зростання центробіжних сил, а також через зростання тиску вітру на крила При цьому відбувається стабілізація швидкості обертання вітроколеса, а також захист від перевантажень при значних швидкостях вітру На ступиці вітроколеса напроти зубчастої багатосторонньої ЛІНІЙКИ може бути встановлений блок автоматичної стабілізації швидкості обертання вітроколеса Це дозволяє здійснити точну стабілізацію цієї швидкості з метою роботи вітроколеса через редуктор з синхронним електрогенератором Конструкція вітряка представлена на фиг 1 (фронтальна проекція) та фіг 2 (профільна проекція), де 1 - енергетичний вузол, 2 - поворотний вузол, 3 - опора, 4 - розтяжки, 5 - крило, 6 - труби-осі крил, 7 - ступи ця вітроколеса, 8 - загорода для повітря (споруди або зелені насадження), на фіг З (фронтальна проекція), фіг 4 (профільна проекція), фіг 5 (проекція в плані) показано навітрену поверхню крила 5, де 9- розгортувана торсова навітрена поверхня крила, 10 - вісь семетрм крила в профільній проекції, 11 вісь циліндричної поверхні, 12 повернута до вертикальної площини проекція навітреної поверхні крила в плані На фіг 6,7,8 зображено ВІДПОВІДНО фронтальну, профільну і проекцію в плані крила 5 у зібраному вигляді, де 13 - нерв'юри, 14 підвітрена поверхня крила На фіг 9 і 10 представлена фронтальна і проекція в плані ступиці 7 вітроколеса, де 15 і 16 опори з підшипниками, 1 7,18 - шестерні на трубах -осях 6, 19 - зубчаста чотиристороння лінійка, 20 кожух ступиці вітроколеса, 21 - диск ступиці вітроколеса, 22 - труба - вал вітроколеса, 23 відкоси, 24 - труба-продовження зубчастої чотиристоронньої ЛІНІЙКИ 19, 25 пружина, 26 - кінцевик труби 24, 27 амортизатор, 28 - блок автоматичної стабілізації швидкості обертання вітроколеса, 29 стояки Вітряк містить енергетичний вузол 1 (фіг 1,2), розташований на поворотному вузлі 2, який знаходиться на вершині опори 3 з розтяжками 4 Крила 5, виконані на трубах-осях 6, закріплені на ступиці 7 На землі під вітроколесом виконано загороду 8 для повітря Крило 5 має розгортану торсову навітрену поверхню 9 (фіг 3), вісь семетрм 10 якої зображено під кутом до осі Y на профільній проекції на фіг 4 Для прикладу, як частковий випадок розгортаної торсової поверхні, вибрано циліндричну поверхню з радіусом R, яка може бути виконана із листового матеріалу, наприклад, із покрівельного заліза Вказана поверхня може бути також частиною конуса або торса, що утворюється шляхом перекочування площини навколо двох опуклих кривих Завдяки такій побудові навітрена поверхня 9 крила 5 має скручену форму з метою забезпечення постійних значень кутів атаки для набігаючого повітря, про що свідчить проекція поверхні 9 в плані (фіг 5), а також форма повернутої цієї ж проекції 12 до вертикального положення Конструкція зібраного крила 5 представлена на фіг 6,7,8 її основою є труба-вісь 6, яка спочатку зігнута біля основи таким чином, що крило 5 відхилене відносно осі 00' проти напряму обертання вітроколеса на гострий кут (фіг 6) При віддаленні 43638 від центра обертання ЦО і осі обертання ВО (фіг 7) вітроколеса труба-вісь 6 вигнута дугою проти вітру і все більше сплющена на овал в міру наближення до зовнішнього краю крила 5 з одночасною закруткою осей цього овалу, що відповідає скручуванню навітреної поверхні 9 крила 5 Листовий матеріал, наприклад, покрівельне залізо, яке утворює навітрену поверхню 9 крила 5, закріплене на трубі-осі 6, а також на нерв'юрах 13, що прикріплені до цієї ж труби-осі 6 3 іншої підвітреної сторони труба-вісь 6 і крило 5 закриті двома смугами листового матеріалу 14, які з'єднані між собою на трубі 6 і прикріплені до країв матеріалу навітреної поверхні 9 Це дає можливість виконання підвітреної поверхні крила із двох смуг листового матеріалу з розгортаною поверхнею Утворена форма січення крила 5 (трикутна в розрізі) суттєво покращує технологічність конструкції і при цьому незначно знижується його аеродинамічна якість Для її покращення можливе виконання підвітреної сторони крила 5, з аеродинамічним профілем,користуючись відрізками листового матеріалу,що закривають окремі ділянки крила 5, розділені по його довжині Конструкція ступиці 7 вітроколеса зображена на фіг 9 і 10 (фронтальна і горизонтальна проекції) Показано, що труби-осі 6 чотирьох крил 5, закріплені на вищих 15 і нижчих 16 опорах з підшипниками Посередині між опорами 15 і 16 натрубахосях 6 встановлені шестерні 17 і 18, які зчеплені із чотиристоронньою зубчастою ЛІНІЙКОЮ 19 Ступиця 7 вітроколеса закрита кожухом 20, показаним пунктирною ЛІНІЄЮ, а опори ПІДШИПНИКІВ 15 І 16 закріплені на диску 21 ступиці 7, який розташований концентрично на трубі-валу 22 вітроколеса з використанням ВІДКОСІВ 23 Продовженням зубчастої чотиристоронньої ЛІНІЙКИ 19 Є труба 24, на яку одягнена пружина 25, що одним кінцем впирається у кінцевик 26 труби 24, а іншим кінцем в диск 21 ступиці 7 вітроколеса В трубі 24 розміщений амортизатор 27 (може бути автомобільний), який одним кінцем приєднаний до кінцевика 26 в середині труби 24, а другим - через щілину в трубі 24 до диска 21 При парній КІЛЬКОСТІ крил 5, більшій від чотирьох, вони закріплюються попарно-паралельно під ВІДПОВІДНИМИ кутами на диску 21 ступиці 7 вітроколеса на трьох, чотирьох і т д ярусах При цьому зубчаста чотирьохстороння лінійка 19 перетворюється на шести-, восьми- і т д сторонню До диску 21 прикріплено блок 28 автоматичної стабілізації швидкості обертання вітроколеса за допомогою стояків 29 Цей блок 28 побудований на основі замкнутої системи регулювання, в якій давачем служить тахогенератор (на фігурах не показаний), а виконуючим елементом є двигун, який коректує положення зубчастої чотирьохсторонньої ЛІНІЙКИ 19 і змінює додатково кут нахилу крил 5 до площини обертання вітроколеса з метою підтримання постійної швидкості обертання труби-вала 22 вітроколеса, яка в енергетичному вузлі 1 зв'язана через редуктор з синхронним електрогенератором Вітряк працює наступним чином При відсутності вітру обертовий момент вітроколеса рівний нулю, а кут встановлення крил 5 у відношені до площини обертання вітроколеса визначається їх початковим положенням, коли зубчаста чотирьохс тороння лінійка 19 впирається в диск 21 ступиці вітроколеса, а пружина 25 знаходиться у початковому стиснутому стані При появі вітру потоки повітря натрапляють на загороду 8, яка знаходиться на землі під вітроколесом, і піднімаються вверх, щоб обігнути и При цьому відбувається зменшення простору для проходження повітря, тобто, звуження потоку і його прискорення Збільшена швидкість дозволяє одержати більшу потужність і забезпечити зростання коефіцієнту використання енергії вітру Цьому сприяє також чашкоподібна форма вітроколеса за рахунок дугоподібного вигину крил 5 і їх нахилу проти вітру Така форма, як відомо, створює підвищений опір рухові повітря, більший перепад тиску між передньою (навітреною), розширеною поверхнею вітроколеса (зі сторони енергетичного вузла) і зворотньою стороною (за ступицею вітроколеса), що збільшує одержану потужність Вісь обертання вітроколеса у відношенні до горизонту нахилена таким чином, що верхні крила 5 при обертанні нахилені проти вітру, що забезпечує перпендикулярність між напрямом вітру і площиною обертання вітроколеса Це зменшує його обтікання у верхній частині потоком повітря і енергетичні втрати При цьому земля і загорода 8 під вітряком відіграють роль екрану, що направляє той додатковий потік повітря на вітроколесо, який раніше (без загороди 8) проходив без користі під вітроколесом Все це приводить до використання екранного ефекту і покращує енергетичні характеристики вітряка В процесі роботи вітряка сила тиску F, потоку повітря (фіг 6,7,8), яка прикладена в центрі тиску ЦТ крила 5, діє на нього, розкладаючись на рушійну силу Fp у напрямі обертання вітроколеса навколо осі ВО і на силу Fo, що діє вздовж осі ВО За рахунок сили Fp, яка діє на кожне крило 5 відбувається обертання вітроколеса і виконання ним корисної роботи При малій швидкості вітру сила Fo мала і недостатня для повороту крил 5 навколо їх осей обертання 0 0 Ці ОСІ співпадають з осями груб 6 крил 5 При збільшенні швидкості вітру зростає сила тиску FT на крила 5, а також осьова сила Fo При цьому виникає значний момент для повороту крил 5 навколо осі 0 0 , який рівний добутку сили FO на відстань L між центрами ЦТ тиску повітря на крило 5 і віссю 0 0 Цей момент повертає труби-осі 6 крил 5 і разом з ними шестерні 17 та 18, діє на зачеплену з ними зубчасту чотиристоронню лінійку 19, на з'єднану з нею трубу 24 і стискає пружину 25 Жорсткість пружини 25 розрахована таким чином, що поворот крил 5 навколо осей 00 відповідає зростаючій силі вітру При цьому зменшується кут встановлення крил 5 до площини обертання і відбувається стабілізація обертів вітроколеса, навіть при значних швидкостях вітру Додаткова стабілізація швидкості обертання одержується за рахунок центробіжної сили FB (фіг 7), що прикладена в центрі ваги ЦВ крила 5 Вона розкладається на силу Ffl, напрям якої проходить через точку А на осі ВО, і на силу Fn, яка при наростанні швидкості намагається повернути крило 5 навколо осі 00 (фіг 8) вліво, збільшити кут встановлення крила 5 відносно площини обертання і протидіяти, таким чином, зростанню швидкості руху вітроколеса 43638 При запропонованій конструкції, в якій крила 5 зв'язані між собою механічно через шестерні 17 і 18 і зубчасту чотирьохсторонню лінійку 19, що підпружинена пружиною 25 з попереднім натягом, з використанням амортизатора 27, відбувається взаємна компенсація поворотних моментів крил 5 навколо труб-осей 6 за рахунок власної ваги Це запобігає коливанню крил навколо труб-осей 6 і, тим самим, зменшує ШКІДЛИВІ шуми, підвищує аеродинамічну якість цих крил Підвищена КІЛЬКІСТЬ крил (чотири і більше) і, одночасно, їх порівняно велика площа зменшує швидкість обертання вітроколеса при більших моментах і також приводить до зменшення шумів Всі запропоновані конструктивні ознаки дозволяють вирішити поставлену задачу і, тим самим, підвищити продуктивність вітряка, знизити собівар тість енергії, зменшити термін окупності вітроустановки Джерела інформації 1 Шефтер Я И Использование энергии ветра - М Энергоатомиздат 1983-200 с 2 Состояние, нучно-технические и экономические основы развития ветроэнергетики и рекомендации по применению ветродвигателей -М ВИЭСХ, 1966-72с 3 Ветроэнергетика в сельском хозяйстве М ГОСНИТИ, 1960-86с 4 Шефгер Я И , Рождественский И В Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановкахМ Изд Мин с х , 1957-146с 5 Заявка №95114816, Україна, МПК F 03 D 1/00, 1998, ПВ№1 6 Заявка № 97084299, Україна , МПК F 03 D 1/00, 1999, П В № 8 ФІГ. 1 Фіг. 2 43638 "9 11 Фіг. 4. Фіг. З 5 10 напрям обертання Фіг. 8 12 Фіг. 5 43638 Фіг. 9 Розріз по А-А 22 20 / [Г7 Фіг. 10 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3 43638