ВЕТРОКОЛЕСО Российский патент 1999 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроустановках, предназначенных для преобразования энергии ветра в механическую энергию.

Одной из основных технических проблем, решению которой посвящены разработки в области ветроэнергетики, является повышение устойчивости самозапуска ветроколеса при малых скоростях ветра и ограничение величины оборотов до допустимой величины при больших скоростях ветра.

Известно ветроколесо [Патент РФ 2024782, МКИ F 03 D 3/06, опубл. 15.12.94] , включающее вал с закрепленными на нем радиальными траверсами с упорами, а также подпружиненные лопасти, имеющие аэродинамический монолитный профиль. Специальные средства, которыми снабжено ветроколесо, обеспечивают поворот лопастей во время запуска, за счет чего происходит самораскрутка ветродвигателя под действием аэродинамических сил. Однако сложная система подвески лопастей, наличие шарнирных соединений и пружинящих элементов делает указанное ветроколесо ненадежным в эксплуатации.

Известно ветроколесо [АС СССР 1236149, МКИ F 03 D 3/06, опубл. 07.06.86] , в котором проблема регулирования скорости вращения, в частности торможения до допустимых скоростей, решается конструкцией самой лопасти. Лопасть имеет переднюю кромку в виде ломаной линии и снабжена поперечными сквозными каналами, сообщенными с воздуховодами и закрытыми подпружиненными пластинами. При больших скоростях вращения ветроколеса под действием центробежных сил пластины открываются наружу и выполняют роль аэродинамического тормоза. Открытые воздуховоды также привносят дополнительный тормозящий эффект. Как и описанный выше аналог, указанное ветроколесо обладает низкой надежностью, особенно в зимнее время при обледенении.

Известно ветроколесо [АС СССР 1455036, МКИ F 03 D 3/06, опубл. 30.09.89] с вертикальным валом, в лопастях которого выполнены продольные полости. Однако указанные полости не обеспечивают повышение аэродинамических свойств ветроколеса. Они служат для размещения страховочных тросов, предотвращающих выпадение лопасти при поломке и тем самым служат для повышения безопасности работы ветроколеса.

Все указанные выше аналоги имели симметрично спрофилированные лопасти.

Известна ветроустановка [Заявка ФРГ 4402378, МКИ F 03 D 3/06, опубл. 23.03.95] с ротором, лопасти которого имеют асимметрично изогнутый профиль. Лопасти установлены таким образом, что профиль имеет кривизну, противоположную кривизне периферийного контура. Повышенное аэродинамическое качество ветроустановки в рабочем режиме определяется отношением подъемной силы к силе лобового сопротивления. Однако такая конструкция не обеспечивает стабильный запуск при небольших скоростям ветра.

Таким образом, существует техническое противоречие. Средства, используемые в ветроколесах, обеспечивающие надежный запуск и торможение ветроколеса, снижают его надежность, а повышенная надежность конструкции (обеспечиваемая отсутствием подвижных частей на лопастях и ее жесткое крепление на траверсе) не позволяет осуществлять надежный запуск при слабом ветре и самоторможение при высоких окружных скоростях.

Решение указанного противоречия частично осуществляется в конструкции ветроколеса-прототипа [АС СССР 1765493, МКИ F 03 D 3/06, опубл. 30.09.92]. Ветроколесо включает вал с вертикальной осью вращения, на радиальных кронштейнах которого неподвижно закреплены полые лопасти. Лопасти имеют аэродинамический симметричный или несимметричный незамкнутый профиль и установлены на кронштейнах открытой полостью наружу так, что передние кромки удалены от оси вращения ветроколеса больше, чем задние. Незамкнутость профиля лопасти имеет как положительные, так и отрицательные свойства. С одной стороны, при работе прототипа попутный ветровой поток, входя в незамкнутую полость лопасти, обеспечивает самозапуск и выход на рабочий режим. С другой стороны, наличие обрыва на незамкнутом контуре отрицательно сказывается на общей аэродимамике вследствие возникновения турбулентных потоков.

В основу изобретения поставлена задача создания надежного ветроколеса с высокими эксплуатационными характеристиками, а именно ветроколесо должно осуществлять самозапуск при небольших скоростях ветра и обладать саморегулирующей способностью.

Поставленная задача решается тем, что в ветроколесе, включающем вал с вертикальной осью вращения, снабженном кронштейнами, на которых параллельно оси вала закреплены полые лопасти, имеющие аэродинамический профиль, согласно изобретению каждая лопасть имеет замкнутый профиль лишь в серединной по высоте лопасти части, а ее развертка в вертикальной плоскости имеет вид осесимметричной фигуры, одна из сторон которой, ориентируемая вдоль оси вала, является ее основанием и превышает высоту фигуры, при этом фигура имеет форму, сужающуюся по мере удаления от основания.

Наилучший результат достигается при конструкции лопасти, когда ее развертка имеет форму осесимметричного пятиугольника, основание которого в 1,5-2 раза превышает его высоту.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлено:
фиг. 1 - ветроколесо, вид сбоку, при выполнении крыла из развертки, имеющей форму пятиугольника;
фиг. 2 - то же, вид сверху;
фиг. 3, 4, 5 - варианты развертки лопасти ветроколеса.

Ветроколесо включает вал 1 с вертикальной осью вращения. На валу 1 неподвижно закреплены кронштейны 2, на концах которых установлены лопасти 3-6, ориентированные вдоль оси вращения вала. Каждая лопасть имеет аэродинамический профиль. Ее развертка может быть выполнена в виде различных осесимметричных фигур, часть из которых представлена на фиг. 3-5. Во всех случаях фигура развертки имеет основание 7, которое в 1,5 - 2 раза больше высоты, совпадающей с осью симметрии, при этом фигура имеет форму, сужающуюся по мере удаления от основания, а ее стороны могут быть образованы прямыми линиями или быть слегка выпуклыми (вогнутыми).

Профиль лопасти образован сворачиванием развертки до соединения двух точек 8, образованных пересечением периметра развертки с осью симметрии фигуры.

Поскольку развертка лопасти имеет сужающуюся симметричную форму (ось симметрии ее делит на равные части), то при ориентации основания 7 вдоль оси вала оказывается, что лопасть имеет замкнутый профиль лишь на определенном участке, приближенном к середине лопасти по ее высоте, в случае, когда развертка имеет вершину на оси симметрии (см. фиг. 3), профиль замыкается практически в одной точке непосредственно на середине лопасти. В случае, когда в развертке напротив основания расположена сторона фигуры (см. фиг. 4, 5), профиль замыкается на участке основания, расположенном вблизи середины лопасти (по высоте). Таким образом, во всех случаях лопасть имеет замкнутый профиль по форме крыла лишь в серединной по высоте части, а в остальных частях лопасть имеет незамкнутый аэродинамический профиль.

Устройство работает следующим образом Начальное движение ветроколеса осуществляется за счет воздействия воздушного потока на внутреннюю поверхность лопасти 3. При этом лопасть 5, находящаяся под воздействием слабой подъемной силы, не оказывает существенного лобового сопротивления, в отличие от прототипа, поскольку она имеет частично замкнутую поверхность, которая организует воздушный поток, минимизируя его турбулентность. Таким образом, выход на рабочий режим осуществляется с минимальными потерями энергии. В рабочем режиме заявляемое ветроколесо осуществляет движение под воздействием подъемной силы принципиально так же, как ветроколеса с полностью замкнутой боковой поверхностью лопастей. При этом установлено, что при сильном увеличении скорости воздушного потока предлагаемая конструкция обладает свойствами саморегулирования угловой скорости вращения ввиду возникновения турбулентного режима во внутренних полостях лопастей.

Таким образом, жесткое соединение лопасти с кронштейном, отсутствие подвижных частей делает конструкцию надежной в эксплуатации и простой в изготовлении, а аэродинамические свойства лопастей позволяют использовать энергию ветрового потока с минимальными потерями.

Изобретение найдет применение в бытовых условиях при организации автономного энергообеспечения.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроустановках, предназначенных для преобразования энергии ветра в механическую энергию. Технический результат, заключающийся в создании ветроколеса с высокими эксплуатационными характеристиками, обеспечивается тем, что ветроколесо, включающее вал с вертикальной осью вращения, снабженный кронштейнами, на которых параллельно оси вала закреплены полые лопасти, имеющие аэродинамический профиль, согласно изобретению каждая лопасть имеет замкнутый профиль лишь в серединной по высоте лопасти части, а ее развертка в вертикальной плоскости имеет вид осесимметричной фигуры, одна из сторон которой, ориентируемая вдоль оси вала, является основанием и превышает высоту фигуры, при этом фигура имеет форму, сужающуюся по мере удаления от основания, причем упомянутая развертка лопасти имеет форму осесимметричного пятиугольника, основание которого в 1,5-2 раза превышает его высоту. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Ветроколесо, включающее вал с вертикальной осью вращения, снабженный кронштейнами, на которых параллельно оси вала закреплены полые лопасти, имеющие аэродинамический профиль, отличающееся тем, что каждая лопасть имеет замкнутый профиль лишь в серединной по высоте лопасти части, а ее развертка в вертикальной плоскости имеет вид осесимметричной фигуры, одна из сторон которой, ориентируемая вдоль оси вала является ее основанием и превышает высоту фигуры, при этом фигура имеет форму, сужающуюся по мере удаления от основания. 2. Ветроколесо по п.1, отличающееся тем, что упомянутая развертка лопасти имеет форму осесимметричного пятиугольника, основание которого в 1,5 - 2 раза превышает его высоту.