ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2292485

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ВОЗДУХОНЕСУЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ВОЗДУХОНЕСУЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ

Имя изобретателя:  Хозяинов Борис Петрович (RU); Хозяинов Денис Борисович (RU); Лобанова Милена Борисовна
Имя патентообладателя: Хозяинов Борис Петрович (RU); Хозяинов Денис Борисович (RU); Лобанова Милена Борисовна
Адрес для переписки: 650026, г.Кемерово, ул. Весенняя, 28, КузГТУ, Патентный отдел
Дата начала действия патента: 2005.08.12 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветродвигателям с вертикальной осью вращения ветротурбины, и может быть использовано для получения механической и электрической энергии. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования энергии ветра и уменьшении материалоемкости при изготовлении ветродвигателя. Новым в ветродвигателе является то, что наконечник и подвижная плоскость каждой лопасти ветротурбины, опорные кольца и ветронаправляющие экраны выполнены из пленочных материалов с различными физико-механическими свойствами в виде одного или нескольких полых герметичных объемов, заполненных газовой смесью с разным внутренним давлением, которые соединены между собой и образуют объем требуемой конструкции, который по границам конструкции дополнительно покрыт внешней пленкой, при этом вновь образовавшиеся промежутки между внешней пленкой и ранее образованными объемами также герметичны и заполнены газовой смесью с разным внутренним давлением.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявляемое изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветродвигателям, и может быть использовано для получения механической и электрической энергии.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является повышение эффективности работы ветротурбины и снижение материалоемкости при ее изготовлении.

Известен ветродвигатель, содержащий вращающуюся ветротурбину в виде вертикального вала с закрепленными на нем "воротниками", двух или нескольких горизонтальных структурно-стержневых опорных колец, закрытых аэродинамическими кожухами, соединенных с "воротниками" вертикального вала при помощи вантовых наклонных растяжек, лопастей, расположенных между опорными кольцами, и расположенных снаружи ветротурбины по окружности свободноповорачивающихся вокруг вертикальных осей ветронаправляющих экранов. [Свидетельство на полезную модель №8740 U1 (RU) МПК F 03 D 3/06. Структурно-вантовый ветродвигатель / Хозяинов Б.П., Хозяинов Д.Б., Хозяинова Г.Я. №98103343/20; Заявл. 24.02.98; Опубл. 16.12.98, Бюл. №12].

Недостатком указанного ветродвигателя является то, что структурно-стержневые опорные кольца и ветронаправляющие экраны имеют большой вес, что снижает эффективность работы ветродвигателя.

Известен также ветродвигатель, состоящий из ветротурбины с вертикальной осью вращения, где каждая лопасть ветротурбины содержит наконечник, выполненный в виде входной части аэродинамического профиля с изогнутой осью симметрии по окружности вращения ее центра тяжести, и свободноповорачивающуюся подвижную плоскость, шарнирно закрепленную на вертикальной оси при помощи штанг, имеющих длину, соответствующую расстоянию от оси вращения подвижной плоскости до концов наконечника [Патент РФ на изобретение №2135823 С1 (RU), МПК F 03 D 3/04 Ветродвигатель с лопастями "Колокол" или "Аякс" / Хозяинов Б.П., Хозяинов Д.Б., Хозяинова Г.Я. №98113538/06; Заявл. 07.07.98; Опубл. 27.08.99, Бюл. №24 (прототип)].

Недостатком указанного ветродвигателя является то, что лопасть ветротурбины имеет большой вес и не обладает достаточной жесткостью.

Целью изобретения является повышение эффективности работы ветродвигателя за счет снижения веса его конструкций.

Указанная цель достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем вращающуюся ветротурбину в виде вертикального вала с закрепленными на нем "воротниками", двух или нескольких горизонтальных структурно-стержневых опорных колец, закрытых аэродинамическими кожухами, соединенных с "воротниками" вертикального вала при помощи вантовых наклонных растяжек, лопастей с наконечниками, выполненными в виде входной части аэродинамического профиля с изогнутой осью симметрии по окружности вращения ее центра тяжести, которые расположены между опорными кольцами, и размещенных снаружи ветротурбины по окружности свободноповорачивающихся вокруг вертикальных осей ветронаправляющих экранов, при этом каждая лопасть ветротурбины содержит свободноповорачивающуюся подвижную плоскость, шарнирно закрепленную на вертикальной оси при помощи штанг, согласно изобретению, наконечник и подвижная плоскость каждой лопасти ветротурбины, опорные кольца и ветронаправляющие экраны выполнены из пленочных материалов с различными физико-механическими свойствами в виде одного или нескольких полых герметичных объемов, заполненных газовой смесью с разным внутренним давлением, которые соединены между собой и образуют объем требуемой конструкции, который по границам конструкции дополнительно покрыт внешней пленкой, при этом вновь образовавшиеся промежутки между внешней пленкой и ранее образованными объемами также герметичны и заполнены газовой смесью с разным внутренним давлением.

Каждое опорное кольцо имеет несколько обхватывающих его жестких профильных поясов с площадками, к которым крепятся лопасти, при этом обхватывающие жесткие профильные пояса снабжены петлями для крепления опорного кольца к "воротникам" вертикального вала при помощи вант.

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ВОЗДУХОНЕСУЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ
 
 

На фиг.1 показан ветродвигатель в плане.

На фиг.2 показано крепление "воротника" к вертикальному валу ветротурбины. План и вид сбоку.

На фиг.3 показан обхватывающий жесткий профильный пояс. План, разрез.

На фиг.4 показан профиль лопасти.

На фиг.5 показана конструкция подвижной плоскости лопасти, в которой каждый конец горизонтального цилиндрического элемента сложен в виде двух вертикальных складок, образующих зауженный профиль по вертикальным краям.

На фиг.6 показана конструкция ветронаправляющего экрана.

На всех чертежах показаны конструкции ветродвигателя, изготовленные из материала с малой жесткостью (например, капрон 56026 с покрытием полиизобутилена).

Пунктирной линией показано положение ветронаправляющих экранов при изменении направления ветра на 90°.

Ветродвигатель содержит ветротурбину 1 с вертикальной осью вращения в виде вертикального вала 2 с закрепленными на нем при помощи металлических стержней 3 "воротниками" 4, горизонтальными опорными кольцами 5 и лопастями 6. Опорные кольца 5 выполнены из пленочных материалов с различными физико-механическими свойствами (например, капрон 56026 с покрытием полиизобутилена или алюминиевая фольга) в виде одного или нескольких герметичных полых торообразных колец, заполненных газовой смесью с избыточным давлением внутри. На опорных кольцах 5 закреплены лопасти 6. Снаружи ветротурбины по окружности расположены свободноповорачивающиеся вокруг вертикальных осей ветронаправляющие экраны 7. Опорные кольца 5 крепятся к "воротникам" 4 при помощи вантовых наклонных растяжек 8 и обхватывающих жестких профильных поясов 9, которые соответствуют сечению опорного кольца 5 и выполнены из жесткой легкой пластины, например алюминиевого листа. Обхватывающие жесткие профильные пояса 9 состоят из нижней части 10 и верхней части 11 с площадкой для крепления лопасти. Обхватывающие жесткие профильные пояса 9 снабжены петлями 12 для крепления вантовых наклонных растяжек 8. Лопасть 6 ветротурбины 1 может выполняться из пленочных материалов 13 с различными физико-механическими свойствами (например, капрон 56026 с покрытием полиизобутилена или алюминиевая фольга) и состоит из нескольких герметичных несущих объемов 14, заполненных газовой смесью с разным по величине избыточным давлением. Герметичные несущие объемы 14 располагаются вертикально, крепятся к площадкам верхней части 11 обхватывающих жестких профильных поясов 9 с помощью торцовых жестких пластин 15. Герметичные несущие объемы 14 соединены между собой и образуют форму профиля наконечника лопасти 6 и покрыты дополнительно поверхностной пленкой 16 по границам профиля лопасти в виде полуэллипса с меньшей по величине жесткостью по сравнению с поверхностной пленкой 17, предназначенной для изготовления полуокружности, материал которой имеет большую жесткость. Поверхностная пленка 16, соединенная с объемами 14, обеспечивает требуемый профиль выпуклой части наконечника лопасти, а фрагмент поверхностной пленки 17, также соединенной с герметичными несущими объемами 14, обеспечивает требуемый профиль внутренней вогнутой поверхности наконечника лопасти. Образовавшиеся пространства 18 между герметичными несущими объемами 14 и поверхностной пленкой 16 и 17 герметичны и заполнены газовой смесью с разным внутренним давлением, обеспечивающим заданный профиль лопасти. Также для обеспечения требуемой формы лопасти по ее длине расставлены диафрагмы 19 в виде мембран либо жестких пластин, которые не пересекают ни один из герметичных несущих объемов 14 и по конфигурации повторяют профиль лопасти. Лопасть 6 снабжена подвижной плоскостью 20, выполненной в виде набора горизонтальных цилиндров. Эти горизонтальные цилиндры могут быть изготовлены из материалов с различными физико-механическими свойствами (например, капрон 56026 с покрытием полиизобутилена или алюминиевая фольга), заполнены газовой смесью с избыточным внутренним давлением, обеспечивающим пространственную жесткость подвижной плоскости 20, так как они объединены в единый объем при помощи отверстий 21 в оболочке цилиндров. Они могут также представлять собой соединенные между собой отдельные цилиндрические объемы. Подвижная плоскость 20 лопасти 6 прикреплена к ней при помощи штанг 22, прикрепленных при помощи шарниров к жестким пластинам 15 либо к диафрагмам 19 в виде жестких пластин. Для придания аэродинамического профиля подвижной плоскости 20 лопасти 6 выполнены складки 23, обеспечивающие сужение профиля к вертикальным граням. Ветронаправляющие экраны 7, состоящие из нескольких полых горизонтальных цилиндров, зауженных по вертикальным граням аналогично подвижной плоскости 20 лопасти 6, также могут выполняться из материалов с различными физико-механическими свойствами. Горизонтальные цилиндры ветронаправляющих экранов 7 могут быть объединены в единый объем при помощи отверстий в оболочке цилиндров 24. Ветронаправляющие экраны 7 прикреплены к вертикальной стойке 25 при помощи шарниров 26 и могут свободно поворачиваться в заданном секторе под воздействием воздушного потока 27.

Ветродвигатель работает следующим образом. При появлении ветра воздушный поток 27 направляется к ветротурбине 1 через ветронаправляющие экраны 7, которые при малой массе легко поворачиваются в заданном секторе и занимают радиальное положение с наветренной стороны ветротурбины 1 в зоне неблагоприятного воздействия ветра на лопасти 6. В зоне благоприятного воздействия воздушного потока 27 на лопасти 6 в пределах ветротурбины 1 ветронаправляющие экраны располагаются параллельно движению воздушного потока 27 и под углом к нему в зоне благоприятного воздействия воздушного потока 27 на лопасти 6, попадающего за пределы ветротурбины 1. С подветренной стороны ветродвигателя ветронаправляющие экраны 7 занимают положение в пределах сектора свободного поворота, способствующее свободному выходу воздушной массы. Воздушный поток 27, усиленный ветронаправляющими экранами, попадая на лопасти 6 ветротурбины 1, заставляет ее вращаться. Так как масса всей ветротурбины 1 мала, то запуск ветротурбины и ее работа происходит при малых природных скоростях ветра. Это расширяет временной диапазон работы ветродвигателя и увеличивает его эффективность.

Заявляемое техническое решение позволит сократить расход материалов, облегчить конструкцию ветродвигателя, повысить эффективность работы ветродвигателя и уменьшить трудоемкость его возведения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Ветродвигатель с воздухонесущими конструкциями, содержащий вращающуюся ветротурбину в виде вертикального вала с закрепленными на нем "воротниками", двух или нескольких горизонтальных структурно-стержневых опорных колец, закрытых аэродинамическими кожухами, соединенных с "воротниками" вертикального вала при помощи вантовых наклонных растяжек, лопастей с наконечниками, выполненными в виде входной части аэродинамического профиля с изогнутой осью симметрии по окружности вращения ее центра тяжести, которые расположены между опорными кольцами, и размещенных снаружи ветротурбины по окружности свободноповорачивающихся вокруг вертикальных осей ветронаправляющих экранов, при этом каждая лопасть ветротурбины содержит свободноповорачивающуюся подвижную плоскость, шарнирно закрепленную на вертикальной оси при помощи штанг, отличающийся тем, что наконечник и подвижная плоскость каждой лопасти ветротурбины, опорные кольца и ветронаправляющие экраны выполнены из пленочных материалов с различными физико-механическими свойствами в виде одного или нескольких полых герметичных объемов, заполненных газовой смесью с разным внутренним давлением, которые соединены между собой и образуют объем требуемой конструкции, который по границам конструкции дополнительно покрыт внешней пленкой, при этом вновь образовавшиеся промежутки между внешней пленкой и ранее образованными объемами также герметичны и заполнены газовой смесью с разным внутренним давлением.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждое опорное кольцо имеет несколько обхватывающих его жестких профильных поясов с площадками, к которым крепятся лопасти, при этом обхватывающие жесткие профильные пояса снабжены петлями для крепления опорного кольца к "воротникам" вертикального вала при помощи вант.

Версия для печати
Дата публикации 02.02.2007гг


вверх