Вітродвигун з пневмоаеродинамічним зв’язком

Номер патенту: 82468

Опубліковано: 12.08.2013

Автор: Печонкін Валерій Іванович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Горизонтально-осьовий вітродвигун з пневмоаеродинамічним зв'язком, який включає опору, поворотну головку з встановленим на ній основним вітроколесом, допоміжні вітроколеса, що встановлені в середній частині пустотілих лопатей основного вітроколеса, і турбіну, встановлену всередині опори, який відрізняється тим, що турбіна за допомогою пустотілих лопатей основного вітроколеса і пустотілої опори пневматично пов'язана з вхідними каналами компресорів, які встановлені в середній частині лопатей основного вітроколеса, причому кожний компресор кінематично пов'язаний зі своїм допоміжним вітроколесом меншого діаметра і встановлений так, що його вихідні дифузори спрямовані в бік, протилежний напрямку обертання основного вітроколеса.

Текст

Реферат: UA 82468 U UA 82468 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вітроенергетики і може бути використана для перетворення енергії вітру в механічну енергію, наприклад енергію обертання вала електрогенератора або насоса. В останній час поширилося використання вітроенергетичних установок з горизонтальною віссю обертання вітроколіс. Така принципова схема побудови вітроенергетичних установок має безумовні переваги перед іншими, наприклад, перед установками з вертикальною віссю обертання, тому, що забезпечує більшу ефективність перетворення енергії вітру при великій потужності. Однак, в конструкції горизонтально-осьових вітроустановок закладені технічні протиріччя, які полягають у тому, що потужність вітроустановки пропорційно залежить від її розмірів, тобто, збільшення потужності вітроустановки безумовно потребує збільшення геометричних розмірів вітроустановки. З іншого боку, збільшення розмірів вітроустановки обмежується рівнем припустимих динамічних навантажень на елементи конструкції як у разі непередбачених поривів вітру, так і під час обертання вітроколеса. Вказані вище фактори стримують не тільки збільшення потужності вітроустановки, а й обмежують швидкість обертання вітроколеса. Зазначені вище технічні протиріччя призвели до того, що на сучасному етапі розвитку техніки розміри потужних горизонтально-осьових вітроустановок досягли межі у сотню метрів, а швидкість обертання вітроколіс знизилась до 10-30 об/хв. У більшості випадків горизонтально-осьові вітроустановки, що побудовані за принципом жорсткого кінематичного зв'язку вітроколеса з робочим органом, використовують для обертання валу електрогенератора. Однак, для більшості електрогенераторів бажана швидкість обертання ротора (або статора) складає сотні, а то й тисячі обертів за хвилину. Як правило, узгодження швидкостей обертання вітроколеса і вала електрогенератора конструктивно вирішується введенням в кінематичний зв'язок "вітроколесо - робочий орган" механічного перетворювача, мультиплікатора. Як наслідок, ускладнюється конструкція вітроустановки, підвищується її вага та вартість і знижується надійність роботи установки в цілому. Відомо пристрій, запропонований на початку 20-го сторіччя російським інженером В.П. Пилковим [1], який у конструкції вітродвигуна встановив два співвісних вітроколеса, що обертаються в протилежні сторони. При цьому одне вітроколесо кінематично пов'язане з ротором електрогенератора, а друге - зі статором. Для вітроустановок малої потужності таке технічне рішення дозволяє, як мінімум, спростити конструкцію мультиплікатора, а як максимум, взагалі виключити мультиплікатор з конструкції вітроустановки. Відомо пристрій по міжнародній заявці [2], автори якої удосконалили конструкцію вітродвигуна В.П. Пилкова шляхом установки спеціального редуктора, який передає крутний момент від єдиного вітроколеса одночасно і до ротора і до статора електрогенератора, що обертаються в різні сторони. В зазначених вище вітроустановках хоч і вдалося спростити конструкцію мультиплікатора, однак остаточно виключити його з кінематичної схеми вітроустановок великої потужності виявляється доволі проблематично. Іншим, принципово відмінним пристроєм, що дозволяє виключити з конструкції вітроустановки проміжний механічний зв'язок віртоколеса з робочим органом, є винахід російського вченого Г.А.Уфімцева [3]. Ідея Г.А. Уфімцева полягає в заміні жорсткого механічного кінематичного зв'язку "вітроколесо - робочий орган" на більш "гнучкий" аеродинамічний зв'язок. Згідно з винаходом на лопатях основного вітроколеса на деякій відстані від осі його обертання встановлені допоміжні вітроколеса меншого діаметра, причому площини обертання допоміжних вітроколес перпендикулярні площині обертання основного вітроколеса. Під час обертання основного вітроколеса допоміжні вітроколеса рухаються по колу і обертаються за рахунок набігаючого потоку повітря. Крутний момент від допоміжних вітроколіс передається безпосередньо валу електрогенератора. А оскільки допоміжні вітроколеса мають значно менший діаметр у порівнянні з основним вітроколесом, то швидкість їх обертання може бути порівнянна з рекомендованою швидкістю обертання ротора (або статора) електрогенератора. Це дозволяє значно спростити конструкцію вітроустановки і взагалі виключити мультиплікатор з кінематичної схеми. В сучасних умовах розвиток ідеї Г.А.Уфімцева знайшло своє відображення в патенті США [4]. Суть полягає в тому, що допоміжні вітроколеса, які встановлені на лопатях основного вітроколеса на деякій відстані від осі його обертання, забезпечені своїми швидкохідними електрогенераторами, а електрогенератори об'єднані загальною електричною мережею. 1 UA 82468 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Це дозволяє виключити з кінематичної схеми не тільки мультиплікатор, але й механічний зв'язок допоміжних вітроколіс з валом єдиного електрогенератора, що значно підвищує надійність і працездатність вітроустановки в цілому. Крім того, що використання швидкохідних допоміжних вітроколіс дозволило відмовитися від використання мультиплікітора, побудова вітроустановки за принципом аеродинамічного зв'язку збільшує демпфуючі властивості основного вітроколеса при різких змінах швидкості вітру. Це обумовлено тим, що електрогенератори значної маси встановлені на лопатях основного вітроколеса на деякій відстані від осі його обертання і внаслідок зростання моменту інерції основне вітроколесо обертається практично рівномірно, майже не реагує на короткочасні зміни швидкості і напрямку вітру. За таких умов відносна швидкість набігаючого потоку повітря, що обертає допоміжні вітроколеса, можна вважати рівномірною. Отже, електрогенератори, що обертаються допоміжними вітроколесами, працюють стабільно. Відома конструкція вітродвигуна за Патентом України [5], який побудовано за принципом аеродинамічного зв'язку. Суть ґрунтується на тому, що допоміжні вітроколеса обертають електрогенератори, які встановлено в середній частині лопатей основного вітроколеса, причому площини обертання допоміжних вітроколіс повернені на деякий кут назустріч потоку повітря, що обертає основне вітроколесо. Це дозволило підвищити ефективність перетворення енергії вітру, а також розширити діапазон робочих швидкостей вітру в бік його зменшення. Крім того, в зазначеному патенті запропоновано регулювати швидкість обертання основного вітроколеса шляхом зміни кута атаки не цілої лопаті, а лише її кінцевої частини. Практичне виконання конструкції вітродвигуна, що побудований за принципом аеродинамічного зв'язку, пов'язано з великими технічними труднощами. Обумовлено це тим, що лопаті основного вітроколеса виконують функцію несучих елементів конструкції. При цьому треба враховувати, що маса генераторів, які встановлено на лопатях, прямопропорційна їх потужності, отже, при збільшенні встановленої потужності значно підвищуються вимоги до статичної та динамічної міцності лопатей. Найбільш близьким аналогом є вітродвигун, який побудовано за принципом пневматичного зв'язку. Конструкція такого вітродвигуна була запропонована французьким інженером Ж.Е. Андро [1]. Згідно з такою принциповою схемою не передбачається ніякого кінематичного зв'язку "вітроколесо - робочий орган", що не тільки виключає необхідність використання складних мультиплікаторів, але й дозволяє розташувати основне устаткування, наприклад, електрогенератор, на рівні ґрунту. Як наслідок, це спрощує монтаж вітроустановки, а технічне обслуговування під час експлуатації стає зручнішим. В конструкції вітроустановки Ж.Е. Андро електрогенератор із закріпленою на валу турбіною встановлений всередині пустотілої опори і обертається потоком повітря, яке переміщується по опорі до лопатей вітроколеса, причому пустотілі лопаті вітроколеса при його обертанні виконують роль відцентрового компресора, що відкачує повітря з опори. Одним із суттєвих недоліків конструкції вітроустановки з пневматичним зв'язком є її низька продуктивність. Обумовлено це тим, що маса повітря, яке прокачується через турбіну електрогенератора, безпосередньо залежить від геометрії лопатей основного вітроколеса - чим вони більші і чим більша швидкість їх обертання, тим більша відцентрова сила діє на повітря в лопатях, тим більше розрядження створюється всередині опори і тим більша маса повітря проходить через турбогенератор. Однак, при збільшенні розмірів лопатей вітроколеса (щоб підвищити продуктивність вітроустановки) доводиться знижувати швидкість їх обертання, що обмежується міцністю конструкції. Таким чином, настає межа, коли збільшення габаритів вітроколеса стає нераціональним і неможливим. Задачею корисної моделі є підвищення продуктивності вітроустановки з пневматичним зв'язком шляхом збільшення маси повітря, що прокачується через турбогенератор. Поставлена задача вирішується тим, що турбіна за допомогою пустотілих лопатей основного вітроколеса і пустотілої опори пневматично пов'язана з вхідними каналами компресорів, які встановлені в середній частині лопатей основного вітроколеса, причому кожний компресор, кінематично пов'язаний зі своїм допоміжним вітроколесом і встановлений так, що його вихідні дифузори спрямовані в бік, протилежний напрямку обертання основного вітроколеса. Вітродвигун побудовано за принципом суміщення пневматичного і аеродинамічного зв'язків. Практично це вирішується тим, що у відомого вітродвигуна Ж.Е. Андро на кожній лопаті основного вітроколеса на відстані R від осі його обертання встановлені компресори. При цьому кожний компресор кінематично пов'язаний зі своїм допоміжним вітроколесом меншого діаметра, як це зроблено в установці з аеродинамічним зв'язком. Компресори своїми вхідними каналами через порожнини в лопатях основного вітроколеса і порожнину в опорі пневматично пов'язані з 2 UA 82468 U 5 10 турбіною електрогенератора. Допоміжні вітроколеса, які можуть бути встановлені безпосередньо на валах робочих органів компресорів, встановлені таким чином, що площини їх обертання перпендикулярні площині обертання основного вітроколеса або в межах 0-30° повернені назустріч вітру, а вихідні дифузори компресорів спрямовані в бік, протилежний напрямку обертання основного вітроколеса. Принципова схема побудови вітродвигуна за пропонованим винаходом показана на фігурі 1, а збільшений вирив з зображенням частини лопаті основного вітроколеса з встановленим компресором - на фігурі 2. Вітродвигун працює таким чином. При мінімально достатній швидкості вітру основне вітроколесо 1 починає обертатися з кутовою швидкістю ωв. При цьому на повітря, яке знаходиться в порожнинах лопатей 2, впливає відцентрова сила Fвц, яка змушує повітря перетікати в напрямку до вхідних каналів 3 компресорів 4. В результаті перед вхідними каналами 3 створюється тиск Р1 P1=Fвц/S, (1) 15 20 де: Fвц - відцентрова сила, діюча на повітря в порожнинах лопатей; S - площа вхідних каналів компресорів. Оскільки площа S вхідних каналів 3 конструктивно незмінна, то значення Р1 визначається відцентровою силою Fвц. У загальному випадку відцентрова сила Fвц, діюча на одиницю об'єму повітря, залежить від геометрії лопатей, кутової швидкості їх обертання ωв, маси повітря m і визначається відомим порівнянням [6] 2 Fвц =m ωв R, 25 30 35 (2) де: m - маса одиниці об'єму повітря; ωв - кутова швидкість руху одиниці об'єму повітря; R - відстань від центру обертання основного вітроколеса до центру мас одиниці об'єму повітря. Під час обертання основного вітроколеса 1 допоміжні вітроколеса 5 переміщаються по колу діаметром 2R і також починають обертатися під впливом набігаючого потоку повітря. Крутні моменти від допоміжних вітроколіс 5 передаються валам компресорів 4, які захоплюють повітря з вхідних каналів 3 і направляють його до вихідних дифузорів 6. Повітря витікає з дифузорів 6 під тиском Р2, яке створюється компресорами. Збільшення тиску від атмосферного до Р2 визначається багатьма параметрами: швидкість обертання ротора компресора, кількість ступенів стиснення, геометричні розміри компресора та інше. При цьому, як правило, один ступінь компресора підвищує тиск від 30 % (для осьового компресора) до 50 % (для відцентрового компресора) [7]. Таким чином, в результаті обертання основного вітроколеса 1 між вхідними каналами 7 в опорі 8 і вихідними дифузорами 6 компресорів 4 виникає перепад тиску повітря ΔР. 40 ΔР = Р1 + Р2, 45 50 55 (3) де: P1 - тиск на вході в компресори, який створюється за рахунок впливу на повітря відцентрових сил; Р2 - тиск повітря, що створюється компресорами; Повітря з атмосфери під впливом сумарного перепаду тиску ΔР через вхідні канали 7 в опорі 8 надходить на турбіну 9, яка обертає вал електрогенератора 10. Далі повітря по порожнині в опорі 8 переміщується до лопатей 2, а звідти, під впливом відцентрових сил F вц, зміщується до вхідних каналів З компресорів 4. Через компресори повітря проходить до вихідних дифузорів 6, які спрямовані в бік, протилежний напрямку обертання основного вітроколеса, створюючи реактивну силу, прикладену до лопатей 2 основного вітроколеса 1, і збільшує швидкість його обертання. При виході електрогенератора на номінальний режим роботи швидкість обертання ωв основного вітроколеса стабілізується шляхом зміни кута атаки його лопатей і надалі автоматично підтримується на заданому рівні. У разі зростання швидкості вітру вище припустимої, коли швидкість обертання турбіни електрогенератора може призвести до порушення стабільності його роботи, обмеження потоку повітря через турбіну 9 регулюється дроселюванням. 3 UA 82468 U 5 10 15 Таким чином, вітродвигун, побудований за принципом пневмоаеродинаміческого зв'язку, працює за рахунок використання як відцентрових сил Fвц, виштовхуючих повітря з порожнин лопатей основного вітроколеса, так і за рахунок додаткового відкачування повітря компресорами з лопатей. Це дозволяє збільшити ефективність роботи вітродвигуна, як мінімум, на 30 %, причому геометричні розміри вітродвигуна залишаються незмінними. Джерела інформації: 1. Я.И Шефтер и И.В. Рождественский - "Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках", Москва. Издательство Министерства сельского хозяйства СССР. 1957. 2. Міжнародна заявка PCT/UA94/00023, публ. W095/21326 від 1995.08.10 3. Янсон Р.А. - "Ветроустановки: Учебное пособие по курсам "Ветроэнергетика", "Энергетика нетрадиционных и возобновляемых источников энергии", Введение в специальность". Под ред. М.И.Осипова. Из-во МВТУ Н.Э.Баумана. 2007. 4. Патент США № 5 151 610, F03D1/00, публ. 29.09.1992. 5. Патент України № 49970 F03D 1/00, публ. 15.10.2001. 6. "Большая Советская Энциклопедия", 3-е изд., т.28, 1978. 7. В.М.Черкасский "Насосы, вентиляторы, компрессоры", Учебник для теплоэнергетических специальностей вузов. - М., Энергоатомиздат, 1984. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 Горизонтально-осьовий вітродвигун з пневмоаеродинамічним зв'язком, який включає опору, поворотну головку з встановленим на ній основним вітроколесом, допоміжні вітроколеса, що встановлені в середній частині пустотілих лопатей основного вітроколеса, і турбіну, встановлену всередині опори, який відрізняється тим, що турбіна за допомогою пустотілих лопатей основного вітроколеса і пустотілої опори пневматично пов'язана з вхідними каналами компресорів, які встановлені в середній частині лопатей основного вітроколеса, причому кожний компресор кінематично пов'язаний зі своїм допоміжним вітроколесом меншого діаметра і встановлений так, що його вихідні дифузори спрямовані в бік, протилежний напрямку обертання основного вітроколеса. 4 UA 82468 U 5 UA 82468 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Windmill with pneumo-aerodynamical link

Автори англійською

Pechonkin Valerii Ivanovych

Назва патенту російською

Ветродвигатель с пневмоаэродинамической связью

Автори російською

Печенкин Валерий Иванович

МПК / Мітки

МПК: F03D 1/00

Мітки: зв'язком, вітродвигун, пневмоаеродинамічним

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/8-82468-vitrodvigun-z-pnevmoaerodinamichnim-zvyazkom.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Вітродвигун з пневмоаеродинамічним зв’язком</a>

Подібні патенти