ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С ЛОПАСТЯМИ "КОЛОКОЛ" ИЛИ "АЯКС" Российский патент 1999 года по МПК F03D3/04 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветродвигателям, и может быть использовано для получения механической и электрической энергии.

Известна лопасть ветроколеса, содержащая полое перо с боковыми поверхностями, входной и выходной кромками, где одна из боковых поверхностей имеет длину от входной кромки до зоны максимальной толщины пера, а ее конец соединен с другой боковой поверхностью перемычкой, установленной выпуклостью к входной кромке, при этом перемычка имеет радиус не меньше половины максимальной толщины пера.

Недостатком указанной лопасти является то, что она не способна эффективно использовать энергию воздушного потока, изменяющего свое направление движения по отношению к самой лопасти.

Известна лопасть ветроколеса, содержащая полое перо с боковыми поверхностями, входной и выходной кромками, где одна из боковых поверхностей имеет длину от входной кромки до зоны максимальной толщины пера.

Недостатком указанной лопасти является то, что она не может эффективно использовать энергию воздушного потока, изменяющего свое направление движения по отношению к самой лопасти.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа ветродвигатель, содержащий вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью, расположенную внутри системы ветронаправляющих экранов, где каждый свободноповорачивающийся вокруг вертикальной оси ветронаправляющий экран непосредственно ориентирован на лопасть ветротурбины, причем крайние положения экрана определяют размер лопасти ветротурбины, которая установлена продольной осью перпендикулярно к прямой, проходящей через ось вращения ветронаправляющего экрана и касающейся окружности, которая образована крайней наружной точкой лопасти ветротурбины.

Недостатком вышеописанного устройства является то, что лопасть ветротурбины недостаточно эффективно использует энергию воздушного потока.

Целью изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветра.

Указанная цель достигается тем, что каждая лопасть ветротурбины содержит наконечник, выполненный в виде входной части аэродинамического профиля с изогнутой осью симметрии по окружности вращения ее центра тяжести и свободноповорачивающуюся подвижную плоскость, при этом боковые поверхности наконечника имеют длину от крайней входной кромки до зоны максимальной толщины завершенного аэродинамического профиля, причем свободноповорачивающаяся подвижная плоскость шарнирно закреплена на вертикальной оси при помощи штанг, имеющих длину, соответствующую расстоянию от оси вращения подвижной плоскости до концов наконечника. Аэродинамический наконечник лопасти состоит из двух свободноповорачивающихся частей, соединенных между собой шарниром с вертикальной осью вращения, расположенным в крайней входной точке наконечника, где крайние положения сектора свободного поворота каждой из двух частей заданы осью симметрии наконечника и позицией частей, при которой образуется очертание входной части сформированного аэродинамического профиля. Одно из крайних положений сектора свободного поворота подвижной плоскости лопасти задано оптимальным углом атаки между центром подвижной плоскости лопасти и направлением движения воздушного потока, проходящего от оси вращения ветротурбины к оси вращения ветронаправляющего экрана, другое крайнее положение задано оптимальным углом атаки между центром подвижной плоскости лопасти и направлением движения воздушного потока, проходящего в обратном направлении. Каждый ветронаправляющий экран расположен в секторе свободного поворота, где крайние положения заданы прямой, проходящей через оси вращения ветротурбины и ветронаправляющего экрана, и касательной к окружности, образованной вращением крайней наружной точки подвижной плоскости лопасти, проходящей через ось вращения ветронаправляющего экрана.

На фиг. 1 представлена схема ветродвигателя с ветронаправляющими экранами и ветротурбиной с лопастями "Колокол", в которых аэродинамический наконечник выполнен цельным (без шарнира) в виде входной части аэродинамического профиля.

Пунктирной линией показано положение свободноповорачивающихся ветронаправляющих экранов и подвижных плоскостей лопасти ветротурбины при изменении направления движения воздушного потока на 90 градусов.

На фиг. 2 показана лопасть ветротурбины "Колокол" с цельным аэродинамическим наконечником и подвижной плоскостью лопасти, соединенной с собственной осью вращения при помощи штанг.

Пунктиром показано другое крайнее положение подвижной плоскости лопасти.

На фиг. 3 представлена схема ветродвигателя с ветронаправляющими экранами и ветротурбиной с лопастями "Аякс", в которых аэродинамический наконечник состоит из двух частей, соединенных шарниром с вертикальной осью вращения.

Пунктирной линией показаны положения свободноповорачивающихся частей наконечника, подвижной плоскости лопасти и ветронаправляющих экранов при изменении направления движения воздушного потока на 90 градусов.

На фиг. 4 дана лопасть ветротурбины "Аякс", которая содержит аэродинамический наконечник, состоящий из двух частей, которые могут свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси, и подвижную плоскость лопасти, также имеющую вертикальную ось вращения.

Пунктиром показаны другие крайние положения подвижной плоскости лопасти и свободноповорачивающихся частей наконечника.

Ветродвигатель с лопастями "Колокол" содержит: ветротурбину 1 с вертикальной осью вращения 2; лопасти 3, состоящие из аэродинамического наконечника 4 в виде входной части аэродинамического профиля с изогнутой осью симметрии 5 по окружности вращения ее центра тяжести и подвижной плоскости 6, соединенной с собственной осью вращения 7 при помощи штанг 8; систему свободноповорачивающихся вокруг вертикальных осей 9 ветронаправляющих экранов 10.

Ветродвигатель с лопастями "Аякс" содержит: ветротурбину 1 с вертикальной осью вращения 2; лопасти 3 с аэродинамическим наконечником 4, с изогнутой осью симметрии 5, состоящим из двух частей - внешней 11 и внутренней 12, которые могут свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси 13, расположенной в крайней входной точке наконечника, кроме того, лопасть содержит подвижную плоскость 6, соединенную с собственной осью вращения 7 при помощи штанг 8; систему свободноповорачивающихся вокруг вертикальных осей 9 ветронаправляющих экранов 10.

Ветродвигатель работает следующим образом. При появлении ветра воздушный поток 14 направляется к ветровой турбине 1 через ветронаправляющие экраны 10, которые с наветренной стороны занимают радиальное положение в зоне неблагоприятного воздействия ветра на лопасти 3 ветротурбины 1, параллельно движению воздушного потока 14, действующего с наветренной стороны в зоне благоприятного воздействия ветра на лопасти 3 в пределах ветровой турбины 1, и под углом к направлению движения воздушного потока 14 в зоне благоприятного воздействия ветра на лопасти 3, попадающего за пределы ветровой турбины 1. С подветренной стороны ветродвигателя ветронаправляющие экраны 10 занимают положение в пределах сектора свободного поворота, способствующее выходу воздушной массы из ветродвигателя. При этом в ветродвигателе с лопастями "Колокол" аэродинамический наконечник 4 с изогнутой осью симметрии 5 не изменяет своей формы и положения относительно оси вращения ветротурбины 2, а подвижная плоскость 6 с наветренной стороны ветродвигателя занимает положение, при котором подвижный ее конец располагается ближе к оси вращения ветротрубины 2, а с подветренной стороны этот же конец подвижной плоскости 6 находится на более удаленном расстоянии от оси вращения ветротурбины 2. Такое расположение подвижной плоскости 6 относительно направления движения воздушного потока 14 способствует получению дополнительного вращающего движения ветротрубины 1. В ветродвигателе с лопастями "Аякс" с наветренной стороны свободные концы обеих свободноповорачивающихся частей 11 и 12 аэродинамического наконечника 4 и подвижной плоскости 6 занимают крайнее положение, при котором они находятся ближе к оси вращения 2 ветротурбины 1. С подветренной стороны концы свободноповорачивающихся частей 11 и 12 наконечника 4 и подвижной плоскости 6 находятся в противоположном крайнем положении - наиболее удаленном от оси вращения ветротурбины 2. При движении лопасти типа "Аякс" по ветру обе свободноповорачивающиеся части 11 и 12 аэродинамического наконечника 4 раскрываются и захватывают воздушный поток 14, что способствует вращению ветротурбины 1, а при движении лопасти "Аякс" против ветра свободноповорачивающиеся части 11 и 12 аэродинамического наконечника 4 складываются, прижимаясь к оси 5, что снижает сопротивление лопасти вращению турбины.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветродвигателям. Технический результат, заключающийся в повышении коэффициента использования энергии ветра, достигается тем, что каждая лопасть ветротурбины содержит наконечник, выполненный в виде входной части аэродинамического профиля с изогнутой осью симметрии по окружности вращения ее центра тяжести и свободнороворачивающуюся подвижную плоскость, при этом боковые поверхности наконечника имеют длину от крайней входной кромки до зоны максимальной толщины завершенного аэродинамического профиля, причем свободноповорачивающаяся подвижная плоскость шарнирно закреплена на вертикальной оси при помощи штанг, имеющих длину, соответствующую расстоянию от оси вращения подвижной плоскости до концов наконечника. Аэродинамический наконечник лопасти состоит из двух свободноповорачивающихся частей, соединенных между собой шарниром с вертикальной осью вращения, расположенным в крайней входной точке наконечника, где крайние положения сектора свободного поворота каждой из двух частей заданы осью симметрии наконечника и позицией частей, при которой образуется очертание входной части сформированного аэродинамического профиля. Одно из крайних положений сектора свободного поворота подвижной плоскости лопасти задано оптимальным углом атаки между центром подвижной плоскости лопасти и направ- лением движения воздушного потока, проходящего от оси вращения ветротурбины к оси вращения ветронаправляющего экрана, другое крайнее положение задано оптимальным углом атаки между центром подвижной плоскости лопасти и направлением движения воздушного потока, проходящего в обратном направлении. Каждый ветронаправляющий экран расположен в секторе свободного поворота, где крайние положения заданы прямой, проходящей через оси вращения ветротурбины и ветронаправляющего экрана, и касательной к окружности, образованной вращением крайней наружной точки подвижной плоскости лопасти, проходящей через ось вращения ветронаправляющего экрана. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Ветродвигатель, содержащий ветротурбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри системы свободноповорачивающихся вокруг вертикальной оси ветронаправляющих экранов, отличающийся тем, что каждая лопасть ветротурбины содержит наконечник, выполненный в виде входной части аэродинамического профиля с изогнутой осью симметрии по окружности вращения ее центра тяжести, и свободноповорачивающуюся подвижную плоскость, при этом боковые поверхности наконечника имеют длину от крайней входной кромки до зоны максимальной толщины завершенного аэродинамического профиля, причем свободноповорачивающаяся подвижная плоскость шарнирно закреплена на вертикальной оси при помощи штанг, имеющих длину, соответствующую расстоянию от оси вращения подвижной плоскости до концов наконечника. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что аэродинамический наконечник лопасти состоит из двух свободноповорачавающихся частей, соединенных между собой шарниром с вертикальной осью вращения, расположенным в крайней входной точке наконечника, где крайние положения сектора свободного поворота каждой из двух частей заданы осью симметрии наконечника и позицией частей, при которой образуется очертание входной части сформированного аэродинамического профиля. 3. Ветродвигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что одно из крайних положений сектора свободного поворота подвижной плоскости лопасти задано оптимальным углом атаки между центром подвижной плоскости лопасти и направлением движения воздушного потока, проходящего от оси вращения ветротурбины к оси вращения ветронаправляющего экрана, другое крайнее положение задано оптимальным утлом атаки между центром подвижной плоскости лопасти и направлением движения воздушного потока, проходящего в обратном направлении. 4. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый ветронаправляющий экран расположен в секторе свободного поворота, где крайние положения заданы прямой, проходящей через оси вращения ветротурбины и ветронаправляющего экрана, и касательной к окружности, образованной вращением крайней наружной точки подвижной плоскости лопасти, проходящей через ось вращения ветронаправляющего экрана.