ВЕТРОКОЛЕСО ДЕНИСОВА-ДУБОВСКОГО Российский патент 1999 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра.

Известны ветроколеса с лопастями крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения и ветроколеса с выгнутыми лопастями ⊘ - образной формы с вертикальной осью вращения (роток Дарье), использующие подъемную силу для преобразования энергии ветра /1,2/.

Недостатками известных конструкций являются недостаточно высокий КПД и большие габариты.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является ветроколесо, содержащее лопасти, имеющие профиль крыла, и горизонтальный вал вращения. Одним из основных параметров, по которым оценивается степень совершенства крыла является его аэродинамическое качество, показывающее во сколько раз при данном угле атаки подъемная сила крыла больше силы его бокового сопротивления. Величина аэродинамического качества во многом зависит от геометрических характеристик крыла. Так подъемная сила крыла при данной скорости воздушного потока увеличивается при увеличении циркуляции вдоль профиля крыла, что может быть достигнуто при увеличении кривизны профиля. Однако с увеличением кривизны профиля крыла его аэродинамическое качество уменьшается, так как коэффициент лобового сопротивления растет быстрее коэффициента подъемной силы /3/.

Подъемная сила такой конструкции крыла может быть увеличена лишь при увеличении размаха крыла.

Недостатками ветроколеса, имеющего лопасти крыльчатого типа является большой диаметр, требующий высоких опорных конструкций, недостаточно высокий КПД, большой коэффициент лобового сопротивления.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение КПД и уменьшение габаритов и коэффициента лобового сопротивления ветроколеса.

Поставленная задача решается тем, что в ветроколесе, содержащем горизонтальный вал и закрепленный на нем вращающийся элемент, согласно изобретению вращающийся элемент выполнен в виде двух соосно расположенных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях приводных дисков, ось вращения которых перпендикулярна горизонтальному валу, и кольцевого кожуха по окружностям дисков с зазорами к поверхностям дисков. Горизонтальный вал проходит в пространстве между дисками по диаметральной оси и соединен с жестко фиксированным в плоскости соосного вращения приводных дисков кольцевым кожухом.

В таком ветроколесе при приведении во вращение приводных дисков и размещении его в потоке ветра создается подъемная сила за счет разности давлений около внешних поверхностей соосно вращающихся в противоположных друг относительно друга направлениях приводных дисков, причем наличие кольцевого кожуха исключает проникновение ветрового потока в пространство между дисками, что создало бы препятствие возникновению подъемной силы.

Над двумя половинами внешних поверхностей дисков, которые вращаются навстречу потоку ветра, будут образовываться области пониженного давления P₁, а над двумя другими половинами внешних поверхностей дисков, которые вращаются по направлению потока ветра будут образовываться области повышенного давления P₂ (фиг. 2). Вследствие разности давления на двух относительно диаметральной оси поверхностях вращающегося элемента ветроколеса возникают подъемные силы F, направленные в противоположные стороны (фиг. 2), что приводит к вращению горизонтального вала, с которого отводится выходная мощность.

Подъемную силу можно определить, используя уравнение Бернулли, устанавливающее связь между скоростью и давлением в потоке воздуха и складывая силы, действующие на внешние и внутренние поверхности соосно вращающихся дисков.

1) Для половины внешней поверхности диска, направление вращения которой противоположно направлению потока ветра

2) Для половины внутренней поверхности диска, направление вращения которой противоположно направлению потока ветра

3) Для половины внутренней поверхности диска, направление вращения которой совпадает с направлением потока ветра

4) Для половины внешней поверхности диска, направление вращения которой совпадает с направлением потока ветра

где
P - статическое атмосферное давление;
ρ - плотность воздуха;
ϑ - скорость потока ветра;
v - усредненная продольная (по направлению потока ветра) составляющая скорости соосного вращения дисков (фиг. 5).

где
R - радиус дисков;
V_вр - линейная скорость вращения дисков;
n - число оборотов соосного вращения дисков в сек.

В результате на каждый квадратный метр поверхности вращающегося элемента ветроколеса действует подъемная сила:

В остальном подъемная сила вращающегося элемента ветроколеса зависит от радиуса и скорости соосного вращения приводных дисков.

Сравнение с прототипом показывает, что подъемная сила лопастей ветроколеса крыльчатого типа рассчитывается по формуле:

где
C_y - коэффициент подъемной силы;
ρ - плотность воздуха;
ϑ - скорость потока воздуха;
S - площадь лопасти.

Коэффициент C_y можно принять равным единице (практически его минимальное значение), тогда на каждый квадратный метр поверхности лопасти ветроколеса действует подъемная сила
Сравнивая подъемную силу заявляемого ветроколеса 2ρ•ϑ•v = 4•ρ•R•n•ϑ и подъемную силу прототипа нетрудно видеть, что первая величина больше
Например, при ϑ=6 м/сек, R = 2 м, n = 1 сек^-1,
При увеличении R и n различие в подъемных силах возрастает многократно, соответственно возрастают коэффициент использования энергии ветра, выходная мощность на горизонтальном валу, а в целом, КПД ветроколеса.

При этом, мощность, необходимая для вращения приводных дисков заявляемого ветроколеса, по меньшей мере на порядок меньше выходной мощности.

Нетрудно оценить, что диаметр заявляемого ветроколеса при одинаковых значениях выходной мощности будет существенно меньше диаметра ветроколеса прототипа. Например, известная система Mod - OA (США) на 200 Квт имеет лопасти диаметром 38 м /2/, тогда как диаметр приводных дисков заявляемого ветроколеса на такую же выходную мощность равен 8 - 19 м. В связи с уменьшением габаритов заявляемого ветроколеса уменьшается и коэффициент лобового сопротивления, особенно по отношению к многолопастным ветроколесам.

Сопоставительный анализ заявляемого ветроколеса с прототипом показывает, что заявляемое ветроколеса отличается от известного тем, что его вращающийся элемент выполнен в виде двух соосно расположенных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях приводных дисков, ось вращения которых перпендикулярна горизонтальному валу, и кольцевого кожуха по окружности дисков с зазорами к поверхностям дисков. Горизонтальный вал проходит в пространстве между дисками по диаметральной оси и соединен с жестко фиксированным в плоскости соосного вращения приводных дисков кольцевым кожухом.

Таким образом, заявляемое ветроколесо соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области позволило сделать вывод, что оно явным образом не следует из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию "изобретательский уровень".

Возможность широкого использования заявляемого ветроколеса в ветроэнергетике обеспечивает ему критерий "промышленная применимость".

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где
на фиг. 1, показан вид ветроколеса слева;
на фиг. 2 показан вид ветроколеса спереди;
на фиг. 3 показан вид ветроколеса справа;
на фиг. 4 показан схематичный вид сечения А-А ветроколеса по диаметральной оси перпендикулярно плоскости дисков с фиг. 1;
на фиг. 5 показана усредненная продольная относительно направленная потока ветра составляющая скорости вращения дисков.

Ветроколесо включает горизонтальный вал 1 трубчатого типа и жестко закрепленный на нем вращающийся элемент, выполненный в виде двух соосно расположенных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях приводных дисков 2 и 3, положение оси вращения которых жестко зафиксировано на горизонтальном валу 1 посредством редуктора привода 6, и кольцевого кожуха 4 по окружностям дисков с зазорами 5 к поверхностям дисков. Горизонтальный вал 1 проходит в пространстве между дисками 2 и 3 по диаметральной оси и соединен с кольцевым кожухом 4, расположенным в плоскости соосного вращения приводных дисков 2 и 3. Соосное вращение дисков 2 и 3 в противоположных друг относительно друга направлениях осуществляется посредством вала привода 7, проходящего внутри трубчатого горизонтального вала 1, и редуктора привода 6.

При приведении во вращение дисков 2 и 3 и размещении ветроколеса в потоке ветра, имеющего скорость ϑ, происходит обтекание внешней поверхности дисков 2 и 3 потоком воздуха. При этом кольцевой кожух 4 не допускает проникновения потока воздуха в пространство между дисками. При таких условиях обтекания потоком воздуха на каждой половине (относительно диаметральной оси) поверхности дисков создается подъемная сила F, равная 4•ρ•R•n•ϑ на каждый квадратный метр этой поверхности, где ρ - плотность воздуха, R - радиус дисков, n - число оборотов диска, ϑ - скорость потока ветра. Вследствие противоположности направлений подъемной силы на каждой половине (относительно диаметральной оси) поверхности дисков, осуществляется вращение ветроколеса на горизонтальном валу 1, с которого снимается выходная мощность.

Источники информации
1. Я.И. Шефтер. Использование энергии ветра. М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 71 - 72, с. 68.

2. Ветроэнергетика. Под. ред. Д. де Рензо. М.: Энергоатомиздат, 1982, с. 26 - 29, с. 87 - 88.

3. Л.Х. Кокунина. Основы аэродинамики. М.: Транспорт, 1982, с. 54.

Область использования: в ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования энергии ветра. Сущность изобретения ветроколесо содержит горизонтальный вал трубчатого типа и жестко закрепленной на нем вращающийся элемент, выполненный в виде двух соосно расположенных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях приводных дисков, положение оси вращения которых жестко зафиксировано на горизонтальном валу посредством редуктора привода, и кольцевого кожуха по окружностям дисков с зазором к поверхностям дисков. Горизонтальный вал проходит в пространстве между дисками по диаметральной оси и соединен с кольцевым кожухом, расположенным в плоскости соосного вращения приводных дисков. Соосное вращение дисков в противоположных друг относительно друга направлениях осуществляется посредством вала привода, проходящего внутри трубчатого горизонтального вала, и редуктора привода. Технический результат заключается в увеличении КПД и уменьшении габаритов ветроколеса. 1 с.п.ф-лы, 5 ил.

Ветроколесо, содержащее горизонтальный вал и жестко закрепленный на нем вращающийся элемент, отличающееся тем, что вращающийся элемент выполнен в виде двух соосно расположенных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях приводных дисков, ось вращения которых перпендикулярна горизонтальному валу, и кольцевого кожуха по окружностям дисков с зазорами к поверхностям дисков, причем горизонтальный вал проходит в пространстве между дисками по диаметральной оси и соединен с жестко фиксированным в плоскости соосного вращения приводных дисков кольцевым кожухом.