ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F03D1/02 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках с горизонтальной осью вращения. Известен ветродвигатель, содержащий горизонтально расположенный вал и установленные на нем два ветроколеса с лопастями. (а.с. N 1286804, кл. F 03 D 7/02, 1985г.)
Недостатком данного ветродвигателя является то, что в нем первое по направлению ветра ветроколесо относительно второго ветроколеса устанавливается произвольно.

Лопасти второго ветроколеса могут находиться в аэродинамической тени от лопастей первого ветроколеса, отчего сечение двух ветроколес используется неоптимальным образом, что снижает эффективность использования такого известного технического решения и соответственно снижает его мощность.

Так, суммарная мощность, развиваемая таким сдвоенным ветроколесом меньше, чем мощность, развиваемая двумя отдельно установленными ветроколесами.

Цель изобретения состоит в повышении мощности ветродвигателя и коэффициента использования энергии ветра при одновременном уменьшении поперечных габаритов ветроколеса и расширении диапазона рабочих скоростей ветровых потоков.

Поставленная цель достигается за счет того, ветроколеса 1 и 2 закреплены на валу 5 жестко, при этом лопасти первого по направлению ветра ветроколеса 1 смещены относительно лопастей второго ветроколеса 2 в окружном направлении в сторону вращения ветроколес на угол α, определяемый из соотношения

где b_max-хорда лопасти ветроколеса в максимальном его сечении,
R-максимальный радиус ветроколеса,
а расстояние вежду ветроколесами 1 и 2 выполнено составляющим (0,6.1,8) b_max.

Лопасти первого ветроколеса 1 выполнены с углами заклинивания, превышающими соответствующие углы заклинивания лопастей второго ветроколеса 2 на 2.10^o.

На фиг. 1 схематически представлен общий вид заявленного ветроколеса, на фиг. 2 сечение Б-Б, на фиг. 3 сечение В-В и схема обтекания лопастей ветроколеса воздушным потоком при рабочем режиме вращения ветродвигателя.

Ветродвигатель содержит ветроколеса 1 и 2 с лопастями 3 и 4, вал 5, поворотную гондолу 6 и башню 7.

Ветродвигатель содержит горизонтальный вал 5 с установленными на нем на расстоянии одно от другого двумя ветроколесами 1 и 2, снабженными лопастями. Ветроколеса 1 и 2 закреплены на валу 5 жестко, при этом лопасти первого по направлению ветра ветроколеса 1 смещены относительно лопастей второго ветроколеса 2 в окружном направлении в сторону вращения ветроколес на угол α, определяемый из соотношения

где b_max-хорда лопасти ветроколеса в максимальном его сечении,
R-максимальный радиус ветроколеса,
а расстояние между ветроколесами 1 и 2 выполнено составляющим (0,6.1,8) b_max.

Лопасти первого ветроколеса 1 выполнены с углами заклинивания, превышающими соответствующие углы заклинивания лопастей второго ветроколеса 2 на 2.10^o.

Ветродвигатель работает следующим образом. Ветер, воздействуя на лопасти 3 и 4 ветроколес, вызывая вращение вала 5. В результате воздействия ветра на лопасть 3 первого ветроколеса 1 и вращения лопасти за ней образуются зоны возмущенного потока, который воздействуя на лопасти 4 второго ветроколеса, создает на нем вращающий момент. Положение лопасти 4 ветроколеса 2 выбрано так, чтобы она попадала в зону возмущенного потока с увеличенной скоростью и турбулизованного от лопастей 3 первого ветроколеса 1. При этом зона, в которой наблюдается "дефицит" скорости потока зона аэродинамической тени от лопастей первого ветроколеса смещена относительно положения лопастей второго ветроколеса (см. фиг. 3) и не оказывает негативного воздействия. Второе ветроколесо обтекается слабовозмущенным и частично турбулизованным потоком, что повышает мощность, развиваемую вторым ветроколесом.

Для увеличения мощности, развиваемой вторым ветроколесом углы установки сечений его лопастей относительно плоскости вращения выбираются меньшими углов установки сечений лопастей 3 первого ветроколеса 1, что соответствует оптимальным условиям обтекания лопастей второго ветроколеса 2 потоком, который после взаимодействия с лопастями, первого ветроколеса получает дополнительный разворот (см. фиг.3).

В результате исследований установлено, что для достижения оптимальных режимов обтекания лопастей 4 второго ветроколеса в диапазоне скоростей ветра 2,5.25 м/с лопасти первого ветроколеса 1 должны быть выполнены с углами заклинивания, превышающими соответствующие углы заклинивания лопастей второго ветроколеса 2 на 2.10^o
В периферийных зонах лопастей ветроколеса из-за возрастания окружной скорости при увеличении радиуса сечения лопасти изменяется величина и направление суммарного вектора
V=V + V_окр (3)
где: V-скорость невозмущенного потока, V_окр=WR;
R-радиус ветроколеса;
W-угловая скорость вращения ветроколеса.

Зона 1 зона "дефицита" скорости аэродинамической тени смещается, как показано на фиг. 3, вправо против вращение ветроколеса. Зона 11, в которой необходимо расположить лопасти второго ветроколеса, также смещается вправо.

Величина линейного смещения сечения лопасти второго ветроколеса в тангенциальном направлении при увеличении радиуса сечения должна возрастать, что достигается заданием разворота лопастей второго ветроколеса относительно первого на угол, определяемый соотношением (I): при большой величине радиуса сечения оно получает большее смещение.

Заявляемое решение расширяет диапазон рабочих скоростей ветра и предназначено преимущественно для использования выработки электрической энергии в низкоскоростных потоках воздуха 2,5.6,0 м/с при сохранении в то же время эффективности при высокоскоростных ветропотоках и обеспечивает получение необходимых характеристик прочности при штормовых режимах нагружения.

Заявляемое решение обладает уменьшенным диаметром ветроколеса при равной мощности, что благоприятно сказывается на размерах конструкции ветроустановки и действующих на нее нагрузок и позволяет снизить нагрузки на башню.

При скоростях ветра более расчетных для достижения номинальной мощности для ограничения мощности, отбираемой ветроколесом от потока, лопасти обоих ветроколес синхронно поворачивают, выдерживая указанное соотношение для углов заклинивания первого и второго ветроколес, например, 5 градусов.

В случае отсутствия необходимости ограничения мощности углы заклинивания новки сечений задают из оптимальности режимов обтекания, пользуясь для этого известными приемами с соблюдением заданных выше различий в величинах углов установки сечений первого и второго ветроколес.

Таким образом, поставленная цель изобретения достигается.

Применение заявляемого устройства ориентировано прежде всего для центрально-материковых районов России и других стран, в которых среднегодовые скорости ветра лежат в диапазоне 3,0.4,6 м/с и увеличения при этом выработки электроэнергии.

Использование: ветродвигатели относятся в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветродвигатель содержит горизонтальный вал 5 с установленными на нем на расстоянии одно от другого двумя ветроколесами 1, 2, снабженными лопастями. Ветроколеса 1, 2 закреплены на валу 5 жестко, при этом лопасти 1 по направлению ветра ветроколеса 1 смещены относительно лопасти ветроколеса 2 в окружном направлении в сторону вращения ветроколес на угол α, определяемый из соотношения где b_max - хорда лопасти ветроколеса в максимальном его сечении, R-максимальный радиус ветроколеса, а расстояние между ветроколесами 1 и 2 выполнено соответствующим (0,6...1,8) b_max. Лопасти первого ветроколеса 1 выполнены с углами заклинивания, превышающими соответствующие углы заклинивания лопастей второго ветроколеса 2. на 2...10 градусов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Ветродвигатель, содержащий горизонтальный вал с установленными на нем на расстоянии одно от другого двумя ветроколесами, снабженными лопастями, отличающийся тем, что ветроколеса закреплены на валу жестко, при этом лопасти первого по направлению ветра ветроколеса смещены относительно лопастей второго ветроколеса в окружном направлении в сторону вращения ветроколес на угол

где b_m a x хорда лопасти ветроколеса в максимальном его сечении;
R максимальный радиус ветроколеса,
а расстояние между ветроколесами составляет (0,6 - 1,8)b_m a x. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что лопасти первого ветроколеса выполнены с углами заклинивания, превышающими соответствующие углы заклинивания лопастей второго ветроколеса на 2 10^o.