ВЕТРОКОЛЕСО Российский патент 1996 года по МПК F03D1/06 

Изобретение относится к области ветродвигателей.

Известно устройство ветроколеса, которое представляет собой простой пропеллер [1] Недостатком его является то, что, если посмотреть на профильную проекцию лопасти и на обтекание ее ветром, на концах лопастей образуется конечный вихрь или вихревая дорожка, что ведет к нежелательным результатам: одна из них ведет к снижению коэффициента использования энергии ветра (фиг. 1).

Известно устройство ветроколеса [2] взятого в качестве прототипа, состоящее из ступицы (пилона), радиальных лопастей и открылков, консольно закрепленных на концах лопастей со стороны их спинок и установленных перпендикулярно радиусу ветроколеса для поднятия коэффициента энергии ветра. Недостатком этого устройства являются излишний вес дорогого материала, так как из рисунка видно, что "открылок" по своей длине занимает одну треть лопасти, а также снижение производительности труда. Кроме того, перпендикулярно установленный открылок, стоящий за лопастью, заставляет далеко за ней образовываться конечным вихрям, А. Рошко экспериментально доказал регулярность отрыва вихрей [3] а вихри служат "пограничным слоем" для изменения давления (фиг. 1), что уменьшает энергию ветра.

Целью изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветра, экономия материала.

Указанная цель достигается тем, что ветроколесо, состоящее из ступицы (пилона), с установленными на ней радиальными лопастями, отличается тем, что на передней обшивке вдоль лопасти установлены три аэродинамических гребня, выполненных в виде циклоиды, причем начало каждого из них расположено на одной третьей длины лопасти, но ближе к концу лопасти, а конец доходит до корня лопасти и занимает одну вторую его к направлению вращения ветроколеса, носик лопасти выполнен так, что он прикрывает аэродинамический гребень, а длина располагается на пол-лопасти, начиная от ее корня.

На фигуре 1 показаны недостатки известных устройств ветроколес, где 1 лопасть, 2 пилон. На фигуре 2 показан общий вид лопасти предлагаемого ветроколеса, где 3 аэродинамические гребни, 4 поднятый носик лопасти. На фигуре 3 показана зависимость высоты аэродинамического гребня от длины лопастей. На фигуре 4 представлено расположение аэродинамических гребней на лопасти ветроколеса, где b_к хорда корня, b_c хорда сечения. На фигуре 5 показана сравнительная характеристика предлагаемого изобретения и прототипа.

Концы аэродинамических гребней имеют высоту пять миллиметров, а начала имеют высоту X, причем X должен зависеть от длины лопастей и связан с ней соотношением
L 80 • X,
откуда
X L/80 (фиг. 3).

При работе ветроколеса с аэродинамическими гребнями число Струхаля [2] - периодичность отрыва вихрей

где f 1/T частота отрыва вихрей (Гц),
b ширина поперечного сечения теля (м),
v_o скорость течения воздуха (м/сек).

Итак, число Струхаля будет приблизительно Sh 0,16, потому что аэродинамические гребни отталкивают воздух вверх от лопасти и, если перейти к геометрическим параметрам вихревых дорожек, это шаг (l) и ширина (b), легко видно, что предлагаемое ветроколесо дает более широкий вихрь, и произведение шага на ширину будет удовлетворять неравенству
lh < l • h [4]
тогда циркуляция вихря

где x коэффициент части потока, попадающей в вихрь;
K v_s/v_o отношение скоростей в возмущенном и невозмущенном потоках;
f 1/T частота отрыва вихрей,
отсюда относительная скорость вихревой дорожки при скорости невозмущенного потока v_o

отсюда видно, что относительная скорость вихревой дорожки будет более высокой, чем у прототипа: Δu < Δu₁, а это значит, что при неразрывности потока, если скорость возрастает, то давление падает. Итак, коэффициент давления

где P_ст давление в невозмущенном потоке воздуха;
P₁ давление за спинками предлагаемого ветроколеса;
q скоростной напор в невозмущенном потоке воздуха.

За спинкой предлагаемой лопасти будет давление меньше, чем у прототипа. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в ветродвигателях. Сущность изобретения: увеличение отбора энергии ветра и экономия металла обеспечиваются тем, что вдоль каждой лопасти установлены три аэродинамических гребня 3, которые имеют форму циклоиды, причем начала гребней 3 располагаются на одной трети длины лопасти 1, но ближе к ее концу, а концы гребней 3 доходят до корня лопасти 1 и занимают половину ее корня к направлению вращения лопасти 1, а носик лопасти 1 выполнен так, чтобы он прикрывал аэродинамические гребни 3 и его длина располагалась на половине лопасти 1, начиная от ее корня. 5 ил.

Ветроколесо, состоящее из ступицы (пилона) с установленными на ней радиальными лопастями, отличающееся тем, что на передней обшивке вдоль каждой лопасти установлены три аэродинамических гребня, выполненных каждый в виде циклоиды, причем начало каждого из них расположено на одной трети длины лопасти, но ближе к ее концу, а конец каждого из них доходит до корня лопасти и занимает половину его к направлению вращения ветроколеса, при этом носик каждой лопасти выполнен так, что он прикрывает аэродинамический гребень, а его длина располагается на половину длины лопасти, начиная от ее корня.