BG1579U1 - Вертикална вятърна турбина - Google Patents

Abstract

Вертикалната вятърна турбина включва фундамент (1), върху който е монтирана неподвижна централна ос (2). Към централната ос (2) е лагеруван централен вал (3), в долната част на който е установен зъбен венец (4), позволяващ предаване на въртящ момент от турбината към електрически генератор. Над зъбния венец (4) е разположен турбинен блок (5), съставен от две успоредни една на друга и перпендикулярни на централния вал (3) долна (6) и горна (7) плочи. По периферията на плочите (6 и 7) са лагерувани валовете (9) на кулисата (8), които разделят плочите (6 и 7) на равни сектори. Всяка една от кулисите (8) завършва над горната плоча (7) с ос (10), чийто връх е лагеруван в канал (12), изработен в насочващ кулисите механизъм (13), монтиран към централната ос (2). Върху насочващия кулисите механизъм (13) е установена направляваща опашка (17), насочваща механизма (13) според посоката на вятъра. Вертикалната вятърна турбина може да бъде разработена с повече от един турбинни блока (5), разположени етажно един над друг.

Description

Област на приложение

Полезният модел се отнася до вертикална вятърна турбина, която ще се използва за добиване на електрическа енергия, както за битови нужди на отделно домакинство, така и за промишлени цели като елемент от вятърни електроцентрали. Вертикалната вятърна турбина може да намери приложение също и за задвижване на мелници, помпи и други подобни съоръжения.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е вертикална вятърна турбина, съдържаща вал, въртящ се около вертикална надлъжна централна ос, монтирана върху фундамент и множество твърди турбинни крила, механически свързани към вала. Всяко едно от множеството твърди турбинни крила представлява удължено тяло с горен и долен край, при което долният и горният край са ротационно отместени един от друг спрямо ротационната ос. Всяко турбинно крило е със спираловидна форма, като сечението на удълженото тяло на всяко турбинно крило е с аеродинамична повърхност. Аеродинамичната повърхност на всяко турбинно крило е с дъгообразна форма, така че средната линия на профила на аеродинамичната повърхност минава по линията на постоянната кривина с определен краен радиус на кривината (RU 2006 105 624 А).

Недостатък на известната вертикална вятърна турбина е преди всичко нейната усложнена конструкция, която не позволява ефективно използване на вятърната енергия.

Техническа същност на полезния модел

Задача на полезния модел е да се създаде вертикална вятърна турбина с опростена и технологична конструкция, позволяваща максимално използване на вятърната енергия.

Тази задача е решена чрез вертикална вятърна турбина, включваща централен вал, въртящ се около вертикална централна ос и множество твърди турбинни крила. Съгласно полезния модел турбинните крила са обединени в един или повече от един турбинни блока, разположени етажно един над друг. Всеки един турбинен блок е съставен от две успоредни една на друга и перпендикулярни на централния вал долна и горна плоча, установени на определено отстояние една от друга, определящо височината на турбинния блок. По периферията на плочите са лагерувани кулиси, разделящи плочите на равни сектори.

Всяка една от кулисите е съставена от успоредни един на друг вал и ос, твърдо присъединени един с друг, над горната плоча чрез перпендикулярно на двата елемента свързващо рамо. Валът на кулисата е лагеруван едновременно в долната и горната плоча, а върхът на оста е лагеруван в канал, изработен в насочващ кулисите механизъм с формата на цилиндрична плоча. Тази плоча от своя страна е лагерувана върху неподвижната, свързана с фундамента, централна ос.

Към валовете на кулисите твърдо са монтирани рамки, в които са поставени турбинни платна.

Върху насочващия кулисите механизъм са установени направляваща опашка, насочваща механизма според посоката на вятъра и перпендикулярно на направляващата опашка - Г-образна спомагателна греда, захваната с едното си рамо неподвижно към насочващия кулисите механизъм, а на второто рамо е установен лагер, контактуващ с рамките при въртенето им.

Каналът, изработен в насочващия кулисите механизъм, е с форма на сложна затворена крива, съставена от два дъгообразни сектора, всеки един от които е с радиус R (mm), където R (mm) е разстоянието между неподвижната централна ос и валовете на кулисите. Центърът на описване на първия дъгообразен сектор е на отстояние равно на 2/5 R (mm) от центъра на централната ос на вертикалната вятърна турбина по оста X. Центърът на втория дъгообразен сектор е на отстояние равно на 2/5 R (mm) от центъра на централната ос на вертикалната вятърна турбина по оста У. Краищата на двата дъгообразни сектора, в близост до оста У, са свързани помежду си с по два закръглени участъка - изпъкнал и вдлъбнат, като изпъкналият участък в горната част на оста У е с радиус равен на 1/10 R (mm), а вдлъбнатият с радиус 1/5 R (mm). Съответно изпъкналият участък в долната част на оста У е с радиус равен на 1/5 R (mm), а вдлъбнатият с радиус 2/5 R (mm). Двойките закръглени участъци плавно преминават един в друг и към двата

1579 Ul дъгообразни сектора.

Съгласно едно вариантно изпълнение челно, отпред към насочващия кулисите механизъм, посредством неподвижно свързана с него конструктивна греда, е монтиран дифузьор, като дясната част на входящия отвор на дифузьора отстои на разстояние 1/3 R (mm) от централната ос на въртене на вертикалната вятърна турбина.

За предпочитане е броят на турбинните крила на всеки един от турбинните блокове да е от 3 до 6.

Вертикалната ориентация на турбината обуславя опростена и надеждна конструкция, с максимално опростена технология за производство, гарантираща ниска себестойност на единица продукция. Настоящата вертикална вятърна турбина, която може да се разположи и непосредствено върху земната повърхност, е лесна за монтаж и демонтаж и лесна за транспортиране, поради намаленият обем, който заема.

За повишаване ефективността и получаване на промишлени мощности, конструкцията позволява изграждане на етажи.

Други предимства на предлаганата вертикална вятърна турбина е, че намалява височинните ограничения за прелитащи птици и летящи обекти и че не създава вихрови потоци и не зависи от тях. Позволява както единично изпълнение, така и групово изграждане.

Пояснение на приложените фигури

Примерно изпълнение на полезния модел е показано на приложените фигури, където на:

фигура 1 е представена вертикална вятърна турбина с един турбинен блок;

фигура 2 - поглед по А-А от фиг. 1 (отстрани) на вертикалната вятърна турбина;

фигура 3 - изглед на турбинно платно с рамка и кулиса;

фигура 4 - вертикална вятърна турбина с три турбинни блока, разположени етажно един над друг;

фигура 5 - принципна схема на кривата на канала, изработен в насочващия кулисите механизъм;

фигура 6 - принципна схема на вертикална вятърна турбина със спомагателна греда;

фигура 7 - поглед отгоре на вертикална вятърна турбина със спомагателна греда;

фигура 8 - схема на вертикална вятърна турбина с вграден допълнително входящ дифузьор;

фигура 9 - изглед по А-А от фиг. 8;

фигура 10 - принципна схема на турбинен блок с едно турбинно крило;

фигура 11 - принципна схема на турбинния блок от фиг. 10 след завъртане на платното на 90°.

Примерно изпълнение на полезния модел

Вертикалната вятърна турбина - фиг. 1 и фиг. 2, включва фундамент 1, върху който вертикално е монтирана неподвижна централна ос

2. Към централната ос 2 е лагеруван централен вал 3, в долната част на който, над фундамента 1 е установен зъбен венец 4 или друг елемент, позволяващ свързване на централния вал 3 с генератор, мелница, помпа или друго подобно съоръжение, не показано на приложената фигура. Зъбният венец 4 предава въртящия момент от централния вал 3 на вертикалната вятърна турбина към задвижващ елемент на генератора или друго съоръжение. Над зъбния венец 4 е разположен турбинен блок 5, съставен от две успоредни една на друга и перпендикулярни на централния вал 3 долна 6 и 7 горна рамка (плочи). Двете плочи 6 и 7 са установени на определено отстояние една от друга, определящо височината на турбинния блок 5.

По периферията на плочите 6 и 7 са лагерувани кулиси 8, разделящи плочите 6 и 7 на равни сектори - фиг. 3. Всяка една от кулисите 8 е съставена от успоредни един на друг вал 9 и ос 10, твърдо присъединени един с друг, над горната плоча 7 чрез перпендикулярно на двата елемента свързващо рамо 11. При това валът 9 е лагеруван едновременно в долната 6 и горната плоча 7, а върхът на оста 10 - в канал 12, изработен в насочващ кулисите механизъм с формата на цилиндрична плоча 13, която пък от своя страна е лагерувана върху неподвижната, свързана с фундамента 1, централна ос 2.

Върху валовете 9 на кулисата 8, които са предназначени за турбинните крила 14 са монтирани рамки 15, неподвижно свързани към валовете 9. В рамките 15 са поставени турбинни платна 16.

Благодарение на така създадената конструкция всяко едно от турбинните крила 14 из

1579 Ul вършва две основни движения:

- въртеливо движение около неподвижната централна ос 2 на вертикалната вятърна турбина и

- движение около вала 9 на турбинно крило 14 на± 90°.

Броят на турбинните крила 14 на всеки един от турбинните блокове 5 може да бъде различен, но за предпочитане е, с цел по-висока ефективност на турбината броят на турбинните крила 14 да бъде от 3 до 6.

Върху насочващия кулисите механизъм 13 - фиг. 2 е установена направляваща опашка 17, която ориентира механизма 13 според посоката на вятъра, така че да бъде изпълнено винаги условието посоката на вятъра да е перпендикулярна на максимално възможната в дадено положение площ на турбинното платно 16.

Както е видно от фигура 3 турбинните платна 16 са с квадратна форма със страни с размери R (mm), където R (mm) е разстоянието между неподвижната централна ос 2 и валовете 9 на турбинните крила 14. Свързващото рамо 11 между вала 9 и оста 10 на всяка кулиса 8 е с размер равен на 2/5 R (mm).

Вертикалната вятърна турбина може да бъде изработена и с повече от един турбинни блока 5. Например на фигура 4 е представена вертикална вятърна турбина с три турбинни блока 5, разположени етажно един над друг. В случая турбинните крила 14 от трите турбинни блока 5 са разположени на общи валове 9 на кулисите 8.

Каналът 12, изработен в насочващия кулисите механизъм 13, представлява сложна затворена крива, съставена от два дъгообразни сектора, всеки един от които е с радиус R (mm), където R (mm) е разстоянието между неподвижната централна ос 2 и валовете 9 на турбинните крила 14 - фиг. 5. Центърът на описване на първия дъгообразен сектор е на отстояние равно на 2/5 R (mm) от центъра на централната ос 2 на вертикалната вятърна турбина по оста X, а центърът на втория дъгообразен сектор е на отстояние равно на 2/5 R (mm) от центъра на централната ос 2 на вертикалната вятърна турбина по оста У. С цел избягване на заклинване на механизма, както и на резки преминавания от едно в друго положение, краищата на двата дъгообразни сектора, в близост до оста У са свързани помежду си с по два закръглени участъка - из пъкнал и вдлъбнат. Изпъкналият участък в горната част на оста У е с радиус равен на 1/10 R (mm), а вдлъбнатият с радиус 1/5 R (mm). Съответно изпъкналият участък в долната част на оста У е с радиус равен на 1/5 R (mm), а вдлъбнатият с радиус 2/5 R (mm). Двойките закръглени участъци плавно преминават един в друг и към двата дъгообразни сектора.

С цел подсигуряване сигурността на действие на вертикалната вятърна турбина върху цилиндричната плоча на насочващия кулисите механизъм 13, перпендикулярно на направляващата опашка 17 е установена и Г-образна спомагателна греда 18, захваната с едното си рамо неподвижно чрез болтове към насочващия кулисите механизъм 13 - фиг. 6 и фиг. 7. На второто рамо на Г-образната греда 18, което е насочено надолу към фундамента 1 и е успоредно на централната ос 2 е монтиран лагер 19, който контактува последователно с външните части на рамките 15 при въртенето на турбинните крила 14.

При намаляване консумацията на енергия или при прекомерно повишаване скоростта на вятъра, конструкцията трябва да бъде защитена от саморазрушаване. За целта към вертикалната вятърна турбина допълнително е изграден входящ дифузьор 20 - фиг. 8 и фиг. 9. Дифузьорът 20 е монтиран към носеща конструктивна греда 21, която посредством скрепителни болтове 22 е присъединена към плочата на насочващия кулисите механизъм 13. В този вариант на изпълнение на вертикалната вятърна турбина дифузьорът 20 представлява предната (входяща) част на въртящия се механизъм 13 и се завърта заедно с него. При поглед челно отпред - фиг. 10 е видно, че дясната част на входящия отвор на дифузьора 20 отстои на разстояние 1/3 R (mm) от централната ос на въртене 2.

Монтирането на такъв дифузьор 20 дава допълнителни възможности на разработваната конструкция, като:

- увеличаване скоростта на изтичане на въздуха непосредствено преди платната на турбинните крила 14;

- осигуряване на минимално съпротивление при преминаване на платната 16 на турбинните крила 14 в различните положения;

- изграждане на допълнителни прегради (бленди), които да контролират притока на въздуха при повишени стойности на вятъра или пък

1579 Ul използването му в желани и предпочитани граници.

Платната 16 за турбинните крила 14 могат да бъдат изработени от текстил, РVC-материал или друга еластична материя.

В сравнение с познатите лопатко-перкови конструкции, тази конструкция е с по-малко тегло, с по-малка цена и най-важното с по-голяма напречна работна площ спрямо посоката на вятъра, което позволява получаване на значително по-големи въртящи моменти от единица въртящи се маси.

Използване на полезния модел

Основната идея на настоящия полезен модел се състои в използване на енергията на вятъра от работните органи на турбината - турбинните крила 14. За изясняване принципа на действие разглеждаме положенията, които заема едно от турбинните крила 14 с уговорката, че през всички тези положения преминават и останалите турбинни крила 14.

В т. 1 турбинното крило 14 е заело положение перпендикулярно на посоката на вятъра, чиято сила е отбелязана с F - фиг. 10 и фиг. 11. В резултат на горното се създава въртящ момент Мв, който завърта турбинният блок 5 и централния вал 3 около централната ос 2 на вятърната турбина. При придвижване на турбинното крило 14 от т. 1 до т. 3, през т. 2, благодарение на това, че осите 10 на кулисите 8 са лагерувани в канала 12, изработен в насочващия кулисите механизъм 13, турбинните крила 14 остават винаги перпендикулярни на посоката на вятъра. Мв се предава чрез зъбния венец 4 към задвижващия елемент на генератора или друго желано устройство.

В т. 3, пак благодарение на факта, че осите 10 на кулисите 8 са лагерувани в канала 12, турбинните крила 14 се обръщат на 90°, застават успоредно на посоката на вятъра и остават така до пристигането им т. 1, като по този начин създават минимален съпротивителен момент Мс.

В т. 1 турбинните крила 14 се обръщат отново на 90°, застават перпендикулярно на посоката на вятъра и остават така до пристигането им т. 3, т.е. цикълът се затваря.

При въртенето си около централната ос 2 външните части на рамките 15 контактуват с лагера 19 от Г-образната спомагателна греда 18, който в случая изпълнява ролята на трета опорна точка за турбинните крила 14.

Claims (4)

1. Претенции

   1. Вертикална вятърна турбина, включваща централен вал, въртящ се около вертикална неподвижна централна ос, монтирана върху фундамент и множество турбинни крила, характеризираща се с това, че турбинните крила (14) са обединени в един или повече от един турбинни блока (5), разположени етажно един над друг, като всеки един турбинен блок (5) е съставен от две успоредни една на друга и перпендикулярни на централния вал (3) долна (6) и горна (7) плоча, установени на определено отстояние една от друга, като по периферията на плочите (6 и 7) са лагерувани кулиси (8), разделящи плочите (6 и

   7) на равни сектори, като всяка една от кулисите (8) е съставена от успоредни един на друг вал (9) и ос (10), твърдо присъединени един с друг, над горната плоча (7) чрез перпендикулярно на вала (9) и оста (10) свързващо рамо (11), като валът (9) е лагеруван едновременно в долната (6) и горната плоча (7), а върхът на оста (10) - в канал (12), изработен в насочващ кулисите механизъм с формата на цилиндрична плоча (13), лагерувана върху неподвижната, свързана с фундамента (1), централна ос (2), при което към валовете (9) твърдо са монтирани рамки (15) с поставени в тях турбинни платна (16), като върху насочващия кулисите механизъм (13) са установени направляваща опашка (17), насочваща механизма (13) според посоката на вятъра и перпендикулярно на направляващата опашка (17) спомагателна греда (18) с Г-образна форма, захваната с едното си рамо неподвижно към насочващия кулисите механизъм (13), като на второто рамо е установен лагер (19), контактуващ с рамките (15) при въртенето им.
2. 2. Турбина съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че каналът (12), изработен в плочата на насочващия кулисите механизъм (13) е с форма на сложна затворена крива, съставена от два дъгообразни сектора, всеки един от които е с радиус R (mm), където R (mm) е разстоянието между неподвижната централна ос (2) и валовете (9) на кулисата (8), като центърът на описване на първия дъгообразен сектор е на отстояние равно на 2/5 R (mm) от централната ос (2) на вертикалната вятърна турбина по ос

   1579 Ul та X, а центърът на втория дъгообразен сектор е на отстояние равно на 2/5 R (mm) от централната ос (2) на вертикалната вятърна турбина по оста У, като краищата на двата дъгообразни сектора, в близост до оста У са свързани помежду си с 5 по два закръглени участъка - изпъкнал и вдлъбнат, като изпъкналият участък в горната част на оста У е с радиус равен на 1/10 R (mm), а вдлъбнатият с радиус 1/5 R (mm) и съответно изпъкналият участък в долната част на оста У е с 10 радиус равен на 1/5 R (mm), а вдлъбнатият участък е с радиус 2/5 R (mm).
3. 3. Турбина съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че челно отпред към плочата на насочващия кулисите механизъм (13) е монтиран дифузьор (20), като дясната част на входящия отвор на дифузьора (20) отстои на разстояние 1/3 R (mm) от централната ос (2).
4. 4. Турбина съгласно претенция 1, характеризираща се с това, че броят на турбинните крила (14) на всеки един от турбинните блокове е от 3 до 6.