ВЕТРОКОЛЕСО Российский патент 1998 года по МПК F03D7/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к конструкции ветроколеса, и может быть использовано при разработке ветрогенераторов или ветродвигателей.

Известно ветроколесо [1], содержащее вертикальную стойку с траверсами, закрепленные на них вертикальные профилированные лопасти и фиксирующее устройство.

Недостатком этого ветроколеса является то, что его конструкция не позволяет изменять параметры колеса для увеличения КПД непрерывно в процессе его вращения, а также не дает возможности выбора и реализации оптимального режима энергоустановки в соответствии с непрерывно меняющимися внешними факторами (скорость ветра, его направление и др.).

Наиболее близкой к заявляемому ветроколесу является конструкция ветроколеса ВБЛ-3, содержащего три лопасти из листовой стали, укрепленные в ступице с помощью шариковых подшипников. Положение лопастей может регулироваться поворотом относительно продольной оси от 7 до 2^o. При регулировании лопасти жестко закрепляют в том или ином положении. Регулирование осуществляют с целью создания оптимальных условий работы ветроколеса, увеличения его КПД.

Недостатком такого технического решения является то, что регулирование осуществляют в узких пределах; оно соответствует какому-то одному режиму установки, определенному комплексу аэродинамических факторов. При изменении этих факторов параметры регулирования входят с ними в противоречие и не обеспечивают оптимальной работы энергоустановки.

Задачей технического решения является повышение КПД ветроколеса за счет наиболее полного использования энергии ветра, а также повышения эксплуатационных свойств ветроустановки и надежности ее работы.

Технический результат заключается в создании дополнительной степени свободы, за счет возможности поворота лопасти относительно собственной оси в процессе вращения колеса.

Этот технический результат достигается тем, что известное ветроколесо, включающее лопасти и неподвижную ось, дополнительно снабжено подвижными осями, закрепленными на неподвижной оси, и фиксаторами, жестко установленными на каждой лопасти и подвижной оси с возможностью поворота лопасти на угол (0-90)^o относительно этой оси, причем на диаметрально расположенных относительно неподвижной оси лопастях фиксаторы направлены в противоположные стороны.

За счет такого расположения фиксаторов поворот лопастей возможен в противоположных направлениях, на одной половине оси - по часовой стрелке, а на другой- против. Осей может быть две или более, что определяется, в частности, размером лопастей. При любом направлении ветра колесо вращается в одну и ту же сторону, определяемую направлением фиксаторов.

Такая конструкция позволяет повысить КПД, наиболее полно использовать энергию ветра, повысить безопасность и надежность ветроустановки.

Сущность установки поясняется чертежом, на котором схематически изображена ветроустановка, которая состоит из неподвижной оси 1, закрепленной у основания 2 с помощью тросов 3. У вершины неподвижной оси 1 закреплены с возможностью вращения вокруг нее подвижные оси 4, 5, на которых попарно размещены лопасти 6, 7, 8, 9 с жестко закрепленными фиксаторами 10, 11, 12, 13.

Лопасти 6, 7, 8, 9 закреплены таким образом, что могут поворачиваться вокруг своей оси на угол до 90^o.

Ветровое колесо работает следующим образом.

При направлении ветра по стрелке F (см. чертеж), он дует параллельно оси 5, и на лопасти 12, 13 не действуют силы, которые могли бы создать вращающий момент. Вращающий момент создают силы ветра, действующие на лопасти 6, 7, причем на лопасть 6 действует сила F, стремящаяся повернуть ось 4 по часовой стрелке, а на лопасть 7 будет действовать сила f (указана на чертеже стрелкой), стремящаяся повернуть ось 4 против часовой стрелки. Сопротивление ветру будет оказывать вся поверхность лопасти 6, т.к. она расположена перпендикулярно ветру и не может повернуться в сторону движения воздуха, т.к. удерживается от поворота в эту сторону фиксаторами 10, жестко закрепленными на подвижной оси 4.

Лопасть 7, первоначально также расположенная перпендикулярно ветру, повернется под его действием относительно собственной оси на угол 90^o, т.к. фиксаторы 11 направлены по направлению ветра и не оказывают сопротивления повороту лопасти. Поворот лопасти по направлению ветра уменьшит ее сопротивление движущемуся потоку воздуха. Лопасть 7 повернется на такой угол, чтобы вращающий момент, создаваемый ее весом, уравновешивался вращающим моментом, создаваемым движущимся потоком воздуха. Лопасти выполнены из легкого материала, например, парусины, фильтроткани и др.

Когда лопасть 7 отклоняется на угол, близкий к 90^o, то будет оказывать очень малое (при 90^o оно сойдет на ноль) сопротивление вращению оси 4. Вращающий момент, создаваемый лопастью 6, будет значительно превышать момент противодействия, создаваемого лопастью, что приведет к повороту всей системы на определенный угол, и когда вся система повернется на угол 90^o, то положение лопасти 6 займет лопасть 8, а положение лопасти 7 - лопасть 9. Далее лопасти 8 и 9 повторят действия лопастей 6, 7.

В случае, если ветер изменит направление на обратное (по отношению к рассмотренному выше примеру), то сопротивление ветру и, следовательно, вращающий момент будет создавать лопасть 7, фиксаторы 11 которой не дадут ей возможности повернуться против часовой стрелки. Лопасть 6 отклонится на какой-то угол и создаст незначительный противодействующий момент.

Система лопастей продолжит вращение подвижных осей 4, 5 в прежнем направлении (по часовой стрелке). Таким образом, с изменением направления ветра на обратное система будет продолжать вращаться без изменения направления.

Этот фактор сохранения направления вращения ветроколеса независимо от направления ветра является очень важным, т.к. создает условия для максимального отбора энергии ветра независимо от изменения его направления.

При вращении лопастей каждая из них поочередно (на промежутке 180^o) становится рабочей на всей площади лопасти, и каждая поочередно становится тормозной, но на незначительной части площади лопасти, за счет чего и создается вращающий момент.

Предложенная конструкция ветроколеса существенно отличается от известных ветроколес тем, что лопасти имеют дополнительную степень свободы, т.е. имеют возможность поворачиваться вокруг собственной оси в процессе вращения колеса.

Диапазон генерируемой мощности может быть очень широким в зависимости от площади лопастей и скорости ветра. Энергоустановка может быть рассчитана на различную заданную мощность.

Предложенная конструкция может найти применение как в стационарных установках, так и в передвижных и движущихся, например, в лодках с приводом от ветроколеса (вместо паруса).

Использование предложенной конструкции позволит по сравнению с прототипом повысить КПД ветроколеса, эксплуатационные свойства ветроустановки; безопасность и надежность ее работы.

Использование: как в стационарных, так и движущихся системах, использующих энергию ветра. Сущность изобретения: ветроколесо, включающее лопасти и неподвижную ось, дополнительно снабжено подвижными осями, закрепленными на неподвижной оси, и фиксаторами, жестко установленными на каждой лопасти и подвижной оси с возможностью поворота лопасти на угол (0-90)^o относительно этой оси, причем на диаметрально расположенных лопастях фиксаторы направлены в противоположные стороны. 1 ил.

Ветроколесо, включающее лопасти и неподвижную ось, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено подвижными осями, закрепленными на неподвижной оси, и фиксаторами, жестко установленными на каждой лопасти и подвижной оси с возможностью поворота лопасти на угол 0 90^o относительно этой оси, причем на диаметрально расположенных лопастях фиксаторы направлены в противоположные стороны.