ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F03D5/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно, к ветродвигателям, преобразующим энергию ветра во вращение вала.

Известен ветродвигатель (а.с. N 1225912, F 03 В 5/00, 1986), содержащий ротор в виде вала с закрепленными на нем винтовыми лопастями. Ротор установлен к горизонтальной плоскости под углом, равным углу наклона винтовой линии лопастей. Полагается, что при таком наклоне ротора винтовые лопасти воспринимают скоростной напор ветра своими частями, расположенными только с одной стороны вала, а с другой стороны вала части винтовых лопастей располагаются горизонтально, и ветер проходит между ними свободно, не оказывая воздействия.

Однако при угле наклона ротора к горизонтальной плоскости, равном углу подъема винтовой линии лопастей, обтекание частей лопастей, расположенных горизонтально, происходит под углом атаки между скоростями ветра в относительном и абсолютном движениях. Возникающая аэродинамическая сила создает момент, препятствующий вращению ротора, снижает КПД и соответственно мощность ветродвигателя.

Целью изобретения является повышение мощности (КПД) ветродвигателя.

Для этого угол наклона ротора к горизонтальной плоскости должен быть меньше угла наклона винтовой линии лопастей на угол, определяемый по формуле:

где
k коэффициент пропорциональности;
n частота вращения ротора;
H шаг винтовой линии лопастей;
v_вет скорость ветра.

На фиг.1 изображен общий вид ветродвигателя; на фиг.2 вид А на фиг.1; на фиг.3 полученный экспериментально график зависимости частоты вращения ротора с винтовыми лопастями от угла его наклона к горизонтальной плоскости.

Ветродвигатель содержит ротор, состоящий из вала 1 с винтовыми лопастями 2. Ротор установлен под углом ϕ к горизонтальной плоскости 3 в подшипниковых узлах на опоре и кинематически связан с генератором (не показано). Также на фиг. 1 изображено векторное разложение скоростей, образуемое при взаимодействии ветрового потока и частью винтовой лопасти, не оказывающей ему сопротивления.

Расположенный горизонтально вектор абсолютной скорости воздушного потока равен геометрической сумме векторов относительной скорости воздушного потока направленной вдоль поверхности лопасти и переносной скорости создаваемой из-за вращения винтовой лопасти и направленной перпендикулярно ей. В этом случае угол дополнительного наклона ротора к горизонтальной плоскости β определится из соотношения:

Переносная скорость v_пер связана со скоростью подъема винтовой линии лопастей v_винт соотношением:
v_пер = v_винт•sinα,
где α угол наклона винтовой линии лопастей к оси ротора.

При этом v_винт определяется по формуле:

где
n частота вращения ротора;
H шаг винтовой линии лопастей.

Тогда
При определении оптимального угла наклона ротора к горизонтальной плоскости некоторое влияние будут оказывать и остальные части лопастей (передние и задние кромки, части лопастей, воспринимающие скоростной напор ветра). Это влияние можно учесть коэффициентом k, куда войдут также постоянные величины в полученной формуле.

В этом случае:

Приведенные выше теоретические обоснования подтверждаются результатами продувок экспериментального образца винтового ротора диаметром 1 м с углом наклона винтовой линии лопастей к оси ротора 68^o воздушным потоком, имеющим скорость 11 м/с (фиг.3).

Использование: изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям, преобразующим энергию ветра во вращение вала. Сущность изобретения: ветродвигатель, представляющий собой ротор в виде вала 1 с закрепленными на нем винтовыми лопастями 2, установлен наклонно к горизонтальной плоскости. Наибольшую мощность ветродвигатель развивает в том случае, когда угол наклона ротора к горизонтальной плоскости меньше угла наклона винтовой линии лопастей к оси ротора на угол, определяемый по формуле: где n - частота вращения ротора, H - шаг винтовой линии лопастей, V_вет - скорость ветра, k - коэффициент пропорциональности, 3 ил.

Ветродвигатель, содержащий ротор в виде вала с закрепленными на нем винтовыми лопастями, отличающийся тем, что ротор установлен к горизонтальной плоскости под углом, меньшим угла наклона винтовой линии лопастей на угол, синус которого пропорционален отношению скорости подъема винтовой линии лопастей к скорости ветра и определяется по формуле

где n частота вращения ротора;
H шаг винтовой линии лопастей;
v_вет скорость ветра;
k коэффициент пропорциональности.