ВЕТРОКОЛЕСО Российский патент 2001 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства в качестве рабочего органа ветродвигателя для преобразования кинетической энергии воздушного потока, например, в энергию вращения вала насоса водокачки, вала генератора постоянного тока при отсутствии строгих требований к его параметрам, а также в энергию вращения вала гребного винта судов и так далее.

Известно ветроколесо с вертикальным валом ротора, несущего лопасти в виде выгнутых пластин наподобие чашечек (у выпуклой поверхности меньше сопротивление воздушному потоку), как в ветродвигателе Савониуса (а. с. 1377448).

Недостатком данного ветроколеса является его незначительный коэффициент полезного действия.

Известен ветродвигатель с вертикальным валом ротора ветроколеса с кронштейнами, на концах которых установлены на вертикальных осях эксцентричные лопасти, имеющие возможность вращения вокруг этих осей. Вокруг вала ротора установлены плоские панели и вертикальные ограничительные стержни. В нижней части вал через систему передач соединен с обычной электротурбиной в здании. Под воздействием ветра лопасти прижимаются с одной стороны вала ротора к панелям, принимая ветровое давление, а с другой стороны становятся параллельно направлению воздушного потока, не оказывая ему сопротивления, и не тормозят ротор.

Недостатком ветроколеса данного ветродвигателя является значительное колебание расстояния от оси ротора до центра тяжести лопастей в процессе их вращения, что ограничивает допустимые размеры и вес лопастей, а также допустимую угловую скорость вращения ветроколеса ввиду больших переменных нагрузок на вал ротора и его подшипники, кроме того велик угол поворота лопастей, которые в процессе работы должны поворачиваться на угол, приблизительно равный 180^o, что снижает коэффициент полезного действия ветроколеса.

Задачей изобретения является уменьшение дисбаланса лопастей ветроколеса относительно оси ротора и уменьшение угла поворота лопастей в процессе работы ветроколеса с соответствующим увеличением коэффициента полезного действия и ресурса безотказной работы последнего.

Поставленная задача решается тем, что лопасти установлены в один или несколько рядов по вертикали с возможностью вращения относительно горизонтальной оси кронштейнов и оснащены противовесами, причем центр тяжести каждой лопасти с противовесом при ее положении, близком к вертикальному, расположен на уровне горизонтальной оси соответствующего кронштейна или несколько ниже, а при повороте лопастей под воздействием ветра вокруг оси вертикального вала ротора и относительно горизонтальной оси кронштейнов задней кромкой навстречу ветру вертикальная проекция равнодействующей от силы веса каждой лопасти с противовесом и от действующих на них аэродинамических сил направлена вниз, поворачивая лопасти до касания с упором в положении, близком к вертикальному, кроме того один из вариантов ветроколеса предусматривает для решения поставленной задачи выполнение лопастей в поперечном сечении в виде несимметричного аэродинамического профиля.

Сопоставительный анализ показал наличие следующих новых отличительных признаков, характеризующих уровень изобретения:
- лопасти установлены с возможностью вращения относительно горизонтальной оси кронштейнов, что намного уменьшает дисбаланс ветроколеса относительно вертикальной оси вала ротора, уменьшает потребную массу конструкции ветроколеса и повышает ресурс его безотказной работы;
- центр тяжести каждой лопасти с противовесом при ее положении, близком к вертикальному, расположен на уровне горизонтальной оси соответствующего кронштейна или несколько ниже, а при повороте лопастей под воздействием ветра вокруг оси вертикального вала ротора и относительно горизонтальной оси кронштейнов задней кромкой навстречу ветра вертикальная проекция равнодействующей от силы веса каждой лопасти с противовесом и от действующих на них аэродинамических сил направлена вниз, поворачивая лопасти до касания с упором в положении, близком к вертикальному, что позволяет обеспечить быстрый поворот лопастей из положения, близкого к горизонтальному, в положение, близкое вертикальному, и обратно, уменьшив угол и время поворота лопастей, и повысить коэффициент полезного действия ветроколеса;
- вариант конструкции предусматривает выполнение лопастей в поперечном сечении в виде несимметричного аэродинамического профиля, что позволяет при угле атаки лопастей, близком к нулю, приобретать последним в ветровом потоке аэродинамическую подъемную силу, компенсирующую действие вращающего момента от веса лопастей с противовесами и значительно уменьшить аэродинамическое сопротивление лопастей с одновременным повышением коэффициента полезного действия ветроколеса.

Указанные новые отличительные признаки и достигаемый при этом технический результат позволяют считать предложенное ветроколесо соответствующим изобретательскому уровню.

На фиг. 1 изображено ветроколесо, имеющее один ряд лопастей; на фиг. 2 показан вид сверху на это ветроколесо; на фиг. 3 изображено ветроколесо, имеющее два ряда лопастей по вертикали; на фиг. 4 показан вид сбоку на лопасть, выполненную в поперечном сечении в виде несимметричного аэродинамического профиля и оснащенную противовесом.

Ветроколесо содержит вертикальный вал 1 ротора с кронштейнами 2, на которых установлены подвижные лопасти 3 с противовесами 4, имеющие возможность касаться упоров 5 в положении, близком к вертикальному.

Ветроколесо работает следующим образом. Под воздействием ветра лопасти 3 прижимаются с одной стороны вертикального вала 1 ротора к упорам 5 в положении, близком к вертикальному, принимая ветровое давление, а с другой стороны поворачиваются относительно горизонтальной оси кронштейнов 2 на угол, при котором аэродинамическая подъемная сила, действующая на лопасти 3, уравновесит действие вращающего момента от их веса и противовесов 4, при этом резко уменьшится аэродинамическое сопротивление этих лопастей и они практически будут мало тормозить вал 1 ротора, в случае выполнения поперечного сечения лопастей 3 в виде несимметричного аэродинамического профиля последние под воздействием ветра будут так же прижиматься с одной стороны вертикального вала 1 ротора к упорам 5 в положении, близком к вертикальному, воспринимая ветровое давление, а с другой стороны будут поворачиваться относительно горизонтальной оси кронштейнов 2 до положения, близкого к горизонтальному, при этом аэродинамическая подъемная сила, действующая на лопасти 3, будет уравновешивать вращающий момент отвеса последних и противовесов 4, причем аэродинамическое сопротивление лопастей 3 уменьшится до минимума и они практически не будут тормозить вал 1 ротора. При повороте лопастей 3 под воздействием ветра вокруг оси вертикального вала 1 ротора и относительно горизонтальной оси кронштейнов 2 задней кромкой навстречу ветру лопасти 3 под воздействием последнего, а также вращающего момента от собственного веса и веса противовесов 4 поворачиваются в исходное положение, близкое к вертикальному, касаясь упоров 5, останавливающих лопасти 3 в этом положении.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Технический результат, заключающийся в уменьшении дисбаланса лопасти ветроколеса относительно оси ротора и уменьшении угла поворота лопастей в процессе работы ветроколеса, увеличении коэффициента полезного действия и ресурса безотказной работы, обеспечивается за счет того, что в ветроколесе, содержащем вертикальный вал ротора, подвижные лопасти, установленные на кронштейнах, а также упоры для лопастей, согласно изобретению лопасти установлены в один или несколько рядов по вертикали с возможностью вращения относительно горизонтальной оси кронштейнов и оснащены противовесами, причем центр тяжести каждой лопасти с противовесом при ее положении, близком к вертикальному, расположен на уровне горизонтальной оси соответствующего кронштейна или несколько ниже, а при повороте лопастей под воздействием ветра вокруг оси вертикального вала ротора и относительно горизонтальной оси кронштейнов задней кромкой навстречу ветру вертикальная проекция равнодействующей от силы веса каждой лопасти с противовесом и от действующих на них аэродинамических сил направлена вниз, поворачивая лопасти до касания с упорами в положении, близком к вертикальному. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Ветроколесо, содержащее вертикальный вал ротора, подвижные лопасти, установленные на кронштейнах, а также упоры для лопастей, отличающееся тем, что лопасти установлены в один или несколько рядов по вертикали с возможностью вращения относительно горизонтальной оси кронштейнов и оснащены противовесами, причем центр тяжести каждой лопасти с противовесом при ее положении, близком к вертикальному, расположен на уровне горизонтальной оси соответствующего кронштейна или несколько ниже, а при повороте лопастей под воздействием ветра вокруг оси вертикального вала ротора и относительно горизонтальной оси кронштейнов задней кромкой навстречу ветру вертикальная проекция равнодействующей от силы веса каждой лопасти с противовесом и от действующих на них аэродинамических сил направлена вниз, поворачивая лопасти до касания с упорами в положении, близком к вертикальному. 2. Ветроколесо по п.1, отличающееся тем, что лопасти в поперечном сечении выполнены в виде несимметричного аэродинамического профиля.