ЛОПАСТЬ-ПАРУС ВЕТРЯНОГО АГРЕГАТА (ВАЮ) Российский патент 1999 года по МПК F03D1/06 

Изобретение относится к нетрадиционной энергетике, конкретнее к использованию энергии ветра для получения электрической или механической энергии различного назначения.

Лопасть является одним из основных узлов ветрового колеса в ветряном агрегате. В ней происходит преобразование кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая передается на ветровое колесо и приводит его во вращение. Известны различные конструкции лопастей ветродвигателей, в зависимости от исполнения ветряного колеса ветродвигателя с горизонтальной или вертикальной осью [1-6].

Лопасти - похожие на винт вертолета - используются в крыльчатых малолопастных (обычно 2-3 лопасти) ветродвигателях с горизонтальной осью вращения ветрового колеса. Их называют быстроходными.

Профиль лопасти имеет сложную форму, выполняемую с авиационной точностью. Недостатком данной конструкции является малая поверхность лопасти, а как следствием этого - начальный крутящий момент близок к нулю и поэтому запуск таких ветродвигателей затруднен. Крупные установки вообще приходится раскручивать от постороннего источника. Скорость концов лопастей при сильном ветре может приближаться к скорости звука, создавая шум как у винтомоторного самолета. При повороте ветродвигателя с изменением направления ветра на лопасти действует гироскопический момент, стремящийся дважды при каждом обороте изогнуть лопасть (вперед и назад), а это может вызывать большие напряжения, приводящие иной раз и к отрыву лопастей. Чтобы этого избежать, лопасти максимально облегчают и применяют специальные устройства - виндрозы, осуществляющие очень медленный поворот ветродвигателя. Система виндроз и другие дополнительные устройства значительно усложняют конструкцию ветродвигателя.

Лопасти крыльчатых многолопастных (18-24 шт.) ветродвигателей тихоходных представляют собой тонкий, слегка выгнутый лист и монтируются они на ветровом колесе с горизонтальной осью вращения.

Достоинство данной конструкции: большой начальный момент; запуск без посторонней помощи; начинают работать при скорости ветра 2-3 м/с, не шумят.

Недостатки: КПД ниже, чем у малолопастных ветродвигателей; повышенная металлоемкость; есть гироскопический момент. При больших диаметрах ветроколеса также применяют виндрозы.

Финский инженер Савониус [6] предложил конструкцию карусельного ветродвигателя, у которого нет кожуха, но две вращающиеся лопасти, выполненные в виде двух полуцилиндров В такой конструкции лопастей сила давления ветра с разных сторон лопастей различна. Однако все равно лопасть, идущая против ветра, дает торможение и КПД ветродвигателя оказывается низким (до 18%).

Низкий КПД карусельных ветродвигателей заставил отказаться от их применения, несмотря на то, что они имеют ряд неоспоримых преимуществ перед крыльчатыми:
- эффективно работают при постоянной скорости вращения, что является необходимым и основным условием для сочленения ветродвигателя с синхронным генератором, работающим на энергосистему;
- отсутствует гироскопический момент;
- легко запускаются;
- обеспечивают бесшумную работу и не представляют опасности для птиц из-за низкой скорости вращения.

В работе [6] , предложена плоская вертикальная лопасть - парус с поворотом ее вокруг своей оси для уменьшения парусности и вредного влияния лопасти, двигающейся против ветра в карусельном ветродвигателе. Такая конструкция лопасти повысила КПД ветродвигателя до 33%.

Однако указанная лопасть отличается значительной металлоемкостью и сложностью механизма ее поворота в нужное положение во время работы, что ведет к снижению надежности.

Известна конструкция лопасти в виде паруса для карусельного ветродвигателя с вертикальной осью вращения ветрового колеса, выбранного в качестве прототипа, которая установлена вертикально на удалении от оси ветроколеса по радиусу и вращается вместе с ним в горизонтальной плоскости как в карусели [1]. Каждая лопасть с помощью штанг крепится к валу ветрового колеса.

Недостатком известной конструкции является сопротивление лопасти идущей на встречу ветру, которое возникает во вращающемся ветровом колесе. При этом лопасти идущие на встречу ветру, необходимо сворачивать или прикрывать кожухом, иначе ветроколесо вращаться не сможет. Прикрытые или свернутые лопасти не используются и этим снижается КПД ветродвигателя.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования энергии ветра за счет увеличения площади парусной лопасти, улучшения ее аэродинамического профиля и повышения коэффициента аэродинамической силы тяги, снижения начальной и рабочей скорости ветра ветродвигателя, его металлоемкости и стоимости, а также повышения надежности его работы.

Указанная задача достигается тем, что в ветровом колесе ветроагрегата ВАЮ (ветряной агрегат Юшко)с горизонтальной осью вращения для преобразования кинетической энергии ветра в механическую, устанавливаются радиально к валу лопасти - паруса с необходимым рангоутом, бегущим такелажем и крепежными узлами, которые учитывают последние мировые достижения по усовершенствованию аэродинамического профиля паруса на основании экспериментальных продувок в аэродинамических трубах, выполненных в различных государствах, что соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия".

Из теории плавания под парусами [7] и личного 40-летнего опыта гонок на парусных судах различного класса, автору данной заявки известно, что парус преобразует энергию ветра и на нем возникают аэродинамические силы, в том числе и сила тяги, движущая яхту вперед по нужному курсу.

Главная задача как гонщиков на парусных судах, так и данной разработки заключается в получении от парусного вооружения максимальной силы тяги, действующей вдоль курса яхты или в направлении вращения ветрового колеса при минимальном значении вредной силы лобового сопротивления, действующей перпендикулярно к курсу яхты и мачте.

Для определения результата действия аэродинамической силы надо знать три основные характеристики, а именно: величину, направление действия, точку приложения, т.е. точку на парусе, через которую проходит линия ее действия. Эта точка называется центром парусности (ц.п.).

Из общей теории аэродинамики крыла и паруса известно, что характеристика аэродинамической силы зависит от следующих факторов:
а) динамического давления вымпельного ветра

б) площади паруса, s, м²;
в) угла установки паруса относительно направления вымпельного ветра, α;
г) формы паруса, его профиля, полноты пуза паруса (f/L) - определяемого отношением величины стрелки прогиба f к длине хорды профиля паруса L, удлинением паруса (H²/S) - определяемого отношением высоты паруса H на его среднюю ширину (S/H);
д) свойства парусной ткани, т. е. ее гладкости, жесткости тягучести, плотности;
е) угла наклона парусного вооружения Θ.

Аэродинамическая сила, возникающая на парусе, определяется по формуле

где V_в - скорость вымпельного ветра, м/с,
g - ускорение силы тяжести, 9,81 м²/с;
ρ - плотность воздуха, кг/м³;
с - коэффициент аэродинамической силы, учитывающий влияние факторов, указанных выше в пунктах в, г, д, е.

С целью повышения ходовых качеств яхт значение коэффициента С определялось экспериментально в аэродинамических трубах как на натуральных образцах в Англии Ричардом Фейри, так и на моделях парусов, оборудованных силовыми устройствами, применяемыми в авиационных экспериментах.

Результаты экспериментальных продувок моделей парусов с полнотой 1/7 и 1/20 на полных курсах от галфвинда (90^o) до фордевинда (180^o) представлены на фиг. 1 [7]. Из полученных данных видно, что максимального значения коэффициент подъемной силы (тяги) Су = 1,70 достигает на курсе галфвинд при β = 90^°, с углом атаки паруса относительно вымпельного ветра α = 20^° и полноте паруса 1/7. Коэффициент сопротивления С_x при этом составляет 0,32.

При отклонении от этого курса значение коэффициента Су начинает быстро уменьшаться.

Испытания на модели паруса яхты класса "Финн", проводившиеся в Геттингенском институте [7] с плоским парусом и с полнотой 1/10, сделанными из жести (фиг. 2), а также с дакроновым парусом (фиг.3), показали, что равнодействующая аэродинамическая сила F_I, возникающая на пузатом парусе с полнотой 1/10 при угле атаки равной 15^o, оказывается примерно в два раза больше силы F_II, возникающей на плоском парусе (фиг.2).

Сравнение аэродинамических характеристик дакронового паруса (фиг.3) с жестким парусом (фиг. 2, кривая 1) показывает, что наибольшая аэродинамическая сила на дакроновом парусе образуется при угле атаки α = 150^°. При этом максимально достигаемый коэффициент подъемной силы С_y для мягкого паруса составляет 1,3 м с С_x=0,45, а для жесткого паруса с полнотой 1/10 С_y=1,5 с С_x-0,25.

Для мягкого паруса С_y на 15% меньше, чем для жесткого паруса. Эта разница зависит от диаметра мачты, способа крепления паруса на мачте, удлинения паруса и его скручивания в верхней части.

Влияние полноты или "пузатости" жесткого паруса без мачты с пузом 1/7, 1/10 и 1/20 и с одинаковым удлинением λ = 5 представлено на фиг.4, по результатам аэродинамических продувок [7]. Из этих данных видно, что у паруса с пузом 1/7 коэффициент подъемной силы достигает максимума С_y=1,7 при угле атаки α = 20^° и коэффициенте лобового сопротивления С_x=0,32.

Экспериментальные исследования на моделях парусов по влиянию положения максимальной полноты (пуза) паруса от передней шкаторины показали [7], что на полных курсах от галфвинда до бакштага более пригоден парус с размещением пуза на 2/3 от передней кромки. Аэродинамическая сила при этом на 4% больше, чем у паруса с пузом на 1/3 от передней кромки паруса.

Результаты исследования с различным удлинением моделей парусов без мачт λ = 6,3,1 и 1/3, с одинаковой величиной пуза 1/13,5 (или 7,4%), представленные на фиг.5, показали большое влияние формы поверхности паруса и его удлинения на характеристики аэродинамических сил. Эти результаты были затем подтверждены аэродинамическими испытаниями моделей жестких парусов с мачтами, проведенными в Саутгемтонском университете (Англия), и обобщены на фиг.6 в зависимости от величины коэффициентов силы тяги К_x для парусов различного удлинения от курса (угол β), которым идет яхта относительно ветра [7].

Эти результаты исследований показали, что паруса с большим удлинением от 3 до 6 сохраняют свои преимущества на курсах от острого до полного бейдевинда, т. е. до момента, когда курсовой угол β не превышает примерно 70^o. Если угол β больше 70^o, то предпочтительнее иметь паруса с меньшим удлинением около 1. Максимальное значение силы тяги достигается при β = 90^° и угле атаки 35^o (фиг.6).

Отличительными особенностями предлагаемого устройства лопасти - паруса ВАЮ от существующих являются его конструкции, профиль и аэродинамические условия работы относительно направления ветра, а также изменение удлинения паруса в зависимости от положения лопасти во вращающемся ветровом колесе.

Для повышения эффективности работы лопасти за счет увеличения ее площади парусности конструкция паруса принята треугольной (бермудской). Она позволяет рационально использовать площадь между лопастями ветрового колеса с горизонтальной осью вращения, которая увеличивается от оси к периферийным концам лопастей.

Для обеспечения максимального коэффициента силы тяги лопасти паруса, на основании представленных выше экспериментальных данных по аэродинамическим продувкам различных парусов, выявлены и предлагаются следующие профиль паруса и его удлинение. Полнота паруса - лопасти, т.е. отношение стрелки прогиба паруса f к длине хорды L (фиг.7), должна быть 1/7 или 14%.

Учитывая специфику работы лопасти-паруса в ветровом колесе относительно направления ветра, которое должно соответствовать полному курсу галфинд с углом β = 90^° и углом атаки паруса к ветру в диапазоне α = 20-38^° (фиг. 1 и 6) в зависимости от вертикального или горизонтального полежания паруса-лопасти в ветровом колесе и мягкого или жесткого материала паруса. Максимальная полнота паруса должна быть расположена на расстоянии 2/3 от передней кромки паруса. При этом удлинение паруса (λ), т.е. отношение высоты паруса к его средней ширине, должно изменяться от единицы в горизонтальных положениях паруса на оси ветрового колеса до трех в вертикальном положении.

Таким образом, предлагаемое устройство лопасти - паруса ВАЮ увеличивает коэффициент использования энергии ветра в два и более раза как за счет улучшения аэродинамических характеристик по силе тяги паруса, так и за счет увеличения рабочей площади лопасти - паруса.

На фиг.7 представлена предлагаемая лопасть - парус ветрового колеса. Для несения паруса 1 и обеспечения необходимых его аэродинамических характеристик по профилю и углам установки относительно ветра в лопасти - парусе предусмотрен рангоут в виде мачты 2 и гика 3.

Парус 1 - это главная часть вооружения лопасти, ее движитель. Он может быть жестким или мягким. Жесткий парус может изготавливаться из легких металлов и сплавов типа титана и дюралюминия, а также из стеклопластика и других аналогичных материалов.

Мягкие паруса на легкий и слабый ветер 1-3 м/с шьют из легкой ткани типа Перкаль А, артикул 4224, имеющей вес 135 грамм на погонный метр при ширине ткани 135 см. На свежий и сильный ветер более 5 м/с мягкий парус шьют из тяжелой ткани типа каландрованного лавсана или дакрона, артикулы 4246, 565 и др., имеющих вес 214-290 граммов на погонный метр при ширине ткани 50-90 см.

Парус имеет переднюю, заднюю и нижнюю шкаторины. Для повышения прочности и уменьшения растягивания мягкого паруса его передняя и нижняя шкаторины обшиваются ликтросом. При оснащении рангоута лопасти парусом его нижняя шкаторина ликтросом заводится в лик-паз гика, а ликтрос передней шкаторины заводится в лик-паз мачты и фалом, закрепленным за верхний (фаловый) угол паруса, поднимается до верхней отметки. У паруса различают фаловый, шкотовый и галсовый углы. Передний нижний угол называется галсовый, задний-шкотовый. Углы паруса, подвергающиеся большим нагрузкам, усиливают боутами - накладками из парусины соответствующей формы. По углам паруса предусмотрены люверсы, отверстия, укрепленные (обделанные) медью, для растягивания и крепления паруса на рангоуте. Галсовым углом парус крепится к гику за оковку пятки гика, с помощью такелажной скобы (мочки) и болта. Нижняя шкаторина паруса растягивается вдоль гика грото-шкотом.

Задняя шкаторина паруса обычно имеет выгиб (серп) наружу. Поэтому для поддержания задней шкаторины на мягком парусе предусматриваются латы. Латы делают из упругого, но нехрупкого дерева (ясень, сосна, орех и др.) или из слоистых пластиков типа текстолита. Латы делают тоньше у внутреннего и толще у наружного конца. Самое тонкое место у лат, примерно на одной трети длины от внутреннего конца. Такой профиль лат необходим для обеспечения соответствующего профиля паруса. Латы должны входить в карман плотно, но без лишнего усилия. Карман делают длиннее латы на 2-4 см. Чтобы латы не упирались во внутренний торец кармана и надежно поддерживали заднюю шкаторину, внутрь кармана обычно вшивают резиновую полоску, которая оттягивает лату наружу. Для предохранения задней шкаторины от растяжения внутрь ее кромки пропускают тонкую крепкую снасть-булинь, который можно подтянуть или ослабить, в зависимости от условий работы паруса. Булинь одним концом заделывается около фалового угла, а другой конец его выходит около шкотового угла.

Мачта и гик могут быть изготовлены как сплошные, так и пустотелые из древесины - сосны, стеклопластика, дюралюминия или титана. Их производство освоено на спортивных судоверфях и других заводах для яхт различного класса. Для обеспечения необходимого растягивания паруса по передней и нижним обликованным шкаторинами, а также надежного крепления паруса на мачте и гике предусматриваются лик-пазы, бегучий такелаж, состоящий из фала, шкотов, блочков, оттяжек, тали или лебедки, стопоров.

Главной частью рангоута является мачта. Она принимает силу действия ветра на парус и передает его на ось ветродвигателя. Пустотелая мачта при равной прочности значительно легче сплошной и поэтому предпочтительнее. Для обеспечения прочности и расчетных аэродинамических характеристик (фиг.7) диаметр мачты составляет 2,8% от средней ширины паруса. Верхний конец мачты называется топом, нижний - шпором. На топе предусмотрена окова особой формы, охватывающая мачту и закрепленная на ней болтами или шурупами. Через эту оковку осуществляется крепление мачты в ступице, на оси ветрового колеса. В топовой окове предусмотрен также блочек для фала, через который осуществляется подъем мягкого паруса на мачту. На шпоре предусмотрена оковка для крепления мачты в наружном ободе ветроколеса и крепления - ванты, поддерживающие мачту от изгиба под действием на парус силы лобового сопротивления ветра. В зоне крепления гика на мачте, по окончанию лик-паза, устанавливается погон-направляющая окова для передвижного вертлюга гика, а также необходимые блочки и стопора для крепления фала и вертлюга в рабочем положении с необходимым натяжением передней шкаторины паруса.

Гик, к которому крепится нижняя шкаторина паруса, на конце, упирающемся в мачту (пятке), имеет оковку. Она входит в вертлюг, позволяющий гику поворачиваться в стороны и вверх относительно мачты. Для осуществления регулировки площади парусности, в зависимости от скорости ветра, предусматривается накручивание мягкого паруса на гик с помощью машинки патент-рифа, которая монтируется с оковкой пятки. На дальнем от мачты конце гика (ноке) штоковый угол паруса крепится к ползунку, передвигающемуся по направляющей оковке (погону). Ползун имеет шкив для грото-шкота, которым растягивается нижняя шкаторина гика. Грото-шкот крепится на утку или стопор на гике. Ноковая оковка гика с патент-рифом предусмотрена вращающейся вокруг оси гика. К этой оковке подвешивают блоки гика-шкотов. Гик под патент-риф предусматривается круглым и равного диаметра по всей длине. Конструкция патент-рифа позволяет осуществлять вращение гика вокруг его продольной оси. При этом парус наворачивается на гик и происходит уменьшение площади паруса или его рифление. Обратному разматыванию паруса препятствует собачка, задерживающая храповик.

Предлагаемая лопасть-парус работает следующим образом.

Лопасть-парус, закреплена мачтой (2) в ступице и ободе ветрового колеса радиально к горизонтальной оси вращения (не показаны). За счет этого обеспечивается необходимый угол движения лопасти по курсу β = 90^° относительно ветра. Ветер дует на ветровое колесо вдоль его оси. Парус 1 устанавливается под необходимым углом атаки к ветру с помощью гика 3. Для обеспечения максимального расчетного значения силы тяги на парусе его необходимо устанавливать следующим образом:
- у жесткого паруса без мачты в вертикальном положении лопасти угол атаки к ветру α₁= 20^°, а в горизонтальном положении лопасти α₂= 38^°; у жесткого паруса с мачтой к ветру α₁= 25^°, α₂= 38^°; y мягкого паруса с мачтой - α₁= 27^°, α₂= 38^°. В промежуточных положениях лопасти от вертикального до горизонтального и обратно угол атаки паруса к ветру должен постепенно изменяться в указанных диапазонах.

Под действием ветрового динамического напора на лопасти-парусе возникает аэродинамическая сила тяги, которая пропорциональна скорости ветра во второй степени, площади парусности лопасти и коэффициенту силы тяги. Она приложена в центре парусности лопасти, передается через мачту на ось вала ветроколеса и приводит его во вращательное движение
На лопасть паруса действует и сила лобового сопротивления, которая в вертикальном положении лопасти почти в 3 раза меньше, чем в горизонтальном положении лопасти (фиг.7).

Таким образом, предлагаемое устройство лопасти-паруса для ветряного агрегата ВАЮ с горизонтальной осью вращения и с указанными конструктивными и аэродинамическими характеристиками разработано благодаря выявленным и оптимизированным автором к рассматриваемым условиям опубликованных экспериментальных зависимостей, которые позволяют повысить эффективное значение коэффициента силы тяги лопасти-паруса в два раза относительно существующих лопастей с авиационным профилем; снизить начальные и номинальные скорости ветра до 1-3 м/с и 3-8 м/с соответственно, облегчая условия запуска; осуществить производство ВЭУ, с числом таких лопастей от 2 до 10 штук, в широком диапазоне мощностных групп при приемлемых на сегодня диаметрах ветровых колес и пониженной высоте башни, на которой они устанавливаются; увеличить число часов работы ВЭУ в году; расширить региональные зоны применения ВЭУ; повысить экономическую эффективность и надежность энергообеспечения потребителей ВЭУ; снизить финансовые затраты на производство ВЭУ с такими лопастями за счет уменьшения диаметра ветроколеса, высоты башни и общей массы ветроагрегата относительно существующих ВЭУ одинаковой мощности. Это достигается благодаря отличительным конструктивным и аэродинамическим характеристикам предлагаемой лопасти - паруса от существующих на сегодня лопастей ВЭУ.

Источники информации:
1. Шефтер Я. И., Рожденственский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветрооустановках. М.: Мин.сельского хозяйства СССР, 1957, с.16 - 17, рис.11.

2. SU, 14341A, 31.03.30.

3. SU, 47621A, 30.06.36.

4. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. - М.: Энергоатомиздат, 1987. 200 с.

5. Шефтер Я.И., Рожденственский И.В. Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты. М.: Колос, 1967, 376 с.

6. Благовещенский К. "Карусели" для взрослых. Энергия экономика, техника, экология. N 3, 1991, с.38 - 40.

7. Махрай Чеслав. Теория плавания под парусами. М.: Физкультура и спорт, 1970, 407 с.

Изобретение относится к нетрадиционной энергетике, а именно к использованию энергии ветра для получения электрической или механической энергии. Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии ветра за счет увеличения площади лопасти, улучшения ее аэродинамического профиля и повышения коэффициента аэродинамической силы тяги, снижения начальной и рабочей скорости ветра ветродвигателя, его металлоемкости и стоимости, а также повышения надежности его работы. Это достигается тем, что парус выполнен жестким или мягким, полнота паруса составляет 14%, максимальное пузо расположено на расстоянии 2/3 от передней шкаторины паруса, удлинение паруса составляет от 3 в вертикальном до 1 в горизонтальном положении, с обеспечением возможности установки рабочего направления движения лопасти по курсу относительно ветра с углом β = 90^°, рабочих углов атаки паруса к ветру от 20 до 38^o и изменения площади мягкого паруса. 7 ил.

Лопасть-парус ветряного агрегата с треугольным вооружением, отличающаяся тем, что парус выполнен жестким или мягким, полнота паруса составляет 14%, максимальное пузо расположено на расстоянии 2/3 от передней шкаторины паруса, удлинение паруса составляет от 3 в вертикальном до 1 в горизонтальном положении, с обеспечением возможности установки рабочего направления движения лопасти по курсу относительно ветра с углом β = 90^°, рабочих углов атаки паруса к ветру от 20 до 38^oи изменения площади мягкого паруса.