Турбина для ветродвигателей

Турбина для ветродвигателей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к ветряным электростанциям и ветряным турбинам, и предназначено для использования в ветроэнергетических установках различной мощности на жилых и производственных помещениях, на столбах освещения, на надводном и наземном транспорте.

Известно ветроколесо, включающее вал с вертикальной осью вращения, снабженный кронштейнами, на которых параллельно оси вала закреплены полые лопасти, имеющие аэродинамический профиль. Каждая лопасть имеет замкнутый профиль лишь в серединной по высоте лопасти части, а ее развертка в вертикальной плоскости имеет вид осесимметричной фигуры, одна из сторон которой, ориентируемая вдоль оси вала, является ее основанием и превышает высоту фигуры, при этом фигура имеет форму, сужающуюся по мере удаления от основания (RU 2140013, кл. F03D 3/06, опубликовано 20.10.1999).

Известное ветроколесо характеризуется недостаточной рабочей площадью и неустойчивостью при порывистых ветрах.

Также известна турбина, содержащая втулку сферической формы с укрепленными на ней лопастями и установленную на оси. Лопасти закреплены на втулке под углами к оси с образованием вертикальных и горизонтальных лопастей, последние из которых установлены под отрицательными углами с выносом вперед к набегающей струе и формированием зауженного сечения, а вертикальные представляют собой продолжение горизонтальных и укреплены под положительными углами (RU 2063540, кл. F03D 1/06, опубликовано 10.07.1996).

Известная турбина сложна в изготовлении и не может обеспечить при эксплуатации высокий КПД.

В качестве ближайшего аналога выбрана ветровая турбина с вертикальной осью и радиальными воздушными камерами, содержащая диск, снабженный верхними и нижними радиальными лопастями и внешними лопастями. При вращении диска упомянутые лопасти максимально развертываются с образованием ряда воздушных камер. В секциях, вращающихся в противоположном направлении, силы фрикционного сопротивления минимальны за счет складывания лопастей (WO 2010/085019, кл. F03D 3/06, опубликовано 29.07.2010).

Недостатком взятого за ближайший аналог решения является сравнительно малая рабочая площадь лопастей, большой шум и износ деталей при развертывании внешних лопастей, а также возможность образования воздушной пробки из-за необеспеченности турбины воздуховодами.

Задача изобретения состоит в увеличении производства электроэнергии в ветряных электродвигателях. Эта задача обеспечена техническим результатом, направленным на увеличение рабочей площади турбины и создание условий, при которых максимально задействован направленный на турбину поток воздуха.

Кроме того, предложенная конструкция турбины проще в изготовлении, чем ближайший аналог.

Названный технический результат достигнут в изобретении с помощью следующих признаков.

Турбина для ветродвигателя установлена на вертикальном валу и содержит диск с верхней и нижней лопатками, между которыми на разных расстояниях закреплены крылья с образованием воздуховодов между верхними и нижними лопатками таким образом, что передняя часть крыла, расположенная ближе к центру, является направляющей, а задняя более высокая часть крыла, расположенная дальше от центра, является воздухозаборником, каждое крыло включает верхнее и нижнее крылья, при

этом верхнее крыло выполнено с возможностью изменения расстояния и угла по отношению к нижнему крылу.

На турбину установлена направляющая крышка, закрывающая ту половину турбины, которая двигается против ветра, и имеющая направляющее крыло для направления воздушного потока на рабочую часть турбины.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображена турбина (вид сверху); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - раздвижное крыло; на фиг. 4 - турбина с крышкой.

Изображенная на фиг. 1 турбина для ветряного двигателя включает установленный на валу диск с закрепленными на нем нижней 1 и верхней 2 лопатками (лопастями), развернутыми относительно горизонтальной плоскости по направлению одна к другой (фиг. 2), при этом одна из лопаток, например, нижняя жестко соединена с диском, а другая - шарнирно.

Между этими лопатками установлены парные раздвижные крылья, каждое из которых состоит из верхнего 3 и нижнего 4 крыльев, имеющих трапецеидальную в плане форму (фиг. 3), при этом каждое верхнее крыло закреплено на лопатке 2, а каждое нижнее - на лопатке 1. Крылья могут быть дугообразно изогнутыми.

Между лопатками 1 и 2 и крыльями образованы отсеки для прохождения воздуха - воздуховоды 5.

Самое дальнее от центра турбины крыло (последнее), расположенное с внешней стороны турбины, также состоит из верхнего 6 и нижнего 7 крыльев (фиг. 2). Как показано на фиг. 1, передний край каждой последующей лопатки выступает за контур предыдущей лопатки, а стрелкой показано направление вращения турбины под действием набегающего потока воздуха. Т.о. последнее крыло обеспечивает забор воздушного потока на всю его высоту. При этом крылья 6 и 7, как и остальные крылья 3 и 4, развернуты таким образом, что их меньшие стороны 8 (фиг. 3) установлены ближе к центру турбины, а противоположные им стороны 9 - дальше от центра турбины. В

результате этого передняя часть каждого парного крыла со стороны 8 обеспечивает направление движения потока воздуха в сторону центра турбины, а задняя, более высокая часть этого крыла со стороны 9, является воздухозаборником. При этом воздушный поток, который попадает в турбину сверху и с боков, сжимается, а крылья его направляют через воздуховоды 5 в следующую часть турбины.

На фиг. 2 штриховыми линиями показана общая рабочая площадь изображенной части турбины, которая составляет:

S=S1+S2+S3,

где S - общая рабочая площадь;

S1 - рабочая площадь верхней лопатки;

S2 - рабочая площадь нижней лопатки;

S3 - рабочая площадь видимой части крыльев.

Если принять рабочую площадь крыльев приблизительно за одну треть общей рабочей площади, изображенной на фиг. 3, части турбины, то можно сделать вывод об увеличении давления на эту часть турбины на треть, а с учетом того, что поток воздуха, прошедший через воздуховод, попадает в следующую часть турбины и создает дополнительное давление на ее элементы, обеспечивается возможность существенного увеличения производительности ветряных двигателей, для которых предназначена предложенная турбина.

Для обеспечения регулирования положения верхнего крыла 3 (6) относительно нижнего 4 (7) и, следовательно, лопаток 1 и 2 относительно друг друга служат образованные в крыльях и вытянутые вдоль их сторон 8 и 9 регулировочные отверстия 10 (фиг. 3), в которые для обеспечения фиксации вставляются болты с гайками. Благодаря этому обеспечена возможность изменения как расстояния, так и угла поворота между верхними и нижними частями парных крыльев. Длинные стороны 11 верхних крыльев закреплены на лопатке 2, а длинные стороны 12 нижних крыльев закреплены на лопатке 1.

Такая конструкция крыльев позволяет изменять величину воздуховодов 5 и регулировать рабочую площадь как лопаток турбины, так и крыльев.

Согласно варианту устройства, предназначенному для электромобилей, железнодорожного и морского транспорта, турбина снабжена крышкой 13 с направляющим крылом 14 (фиг. 4). Крышка 13 в виде короба установлена снаружи верхней и нижней частей турбины, закрывая ту ее половину, лопатки которой направлены против воздушного потока, а крыло 12 обеспечивает направление этого потока на лопатки открытой части турбины. Таким образом, повышение эффективности работы турбины обеспечивается благодаря решению сразу двух проблем, а именно: исчезновению сопротивления воздуха, воздействующего на часть турбины, крутящуюся против ветра, и направлению потока воздуха на рабочую часть турбины, крутящуюся в соответствии с направлением ветра.

На движущемся транспортном средстве, когда ветер дует навстречу, и в стационарных условиях местности, где направление ветра постоянно, турбину как с крышкой, так и без нее можно устанавливать вертикально. На транспортных средствах предложенную турбину различных размеров можно устанавливать как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Генератор может быть как встроенным в транспортное средство, так и отдельно стоящим, связанным с турбиной через коробку передач.

Для освещения улиц предложенную турбину можно устанавливать на осветительных столбах.

Для компактности и еще большего увеличения рабочей площади возможно использование двойной турбины, состоящей из двух зеркально расположенных друг относительно друга идентичных по конструкции вышеописанной турбин, что также будет способствовать повышению эффективности ее работы.

Для жилых домов турбина может быть встроена в крышу.

1. Турбина для ветродвигателя, содержащая верхние и нижние лопатки, между которыми на разных расстояниях закреплены крылья с образованием воздуховодов между верхними и нижними лопатками таким образом, что передняя часть крыла, расположенная ближе к центру, является направляющей, а задняя более высокая часть крыла, расположенная дальше от центра, является воздухозаборником, каждое крыло включает верхнее и нижнее крылья, при этом верхнее крыло выполнено с возможностью изменения расстояния и угла по отношению к нижнему крылу.

2. Турбина по п. 1, на которую установлена направляющая крышка, закрывающая ту половину турбины, которая двигается против ветра, и имеющая направляющее крыло для направления воздушного потока на рабочую часть турбины.