РОТОР-СПИРАЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F03D5/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для устойчивой работы ветродвигателей при низких и высоких скоростях ветровых потоков.

Известно устройство для использования энергии ветрового потока, содержащее шнековый ветроротор с наклонной осью вращения (см. RU 2101560 C1, 10.01.98).

В качестве прототипа (ближайшего аналога) выбрано устройство, в котором ветроротор имеет вал и закрепленные на нем конусообразные спирально-винтовые лопасти, спираль близка к спирали Архимеда. Спирально-винтовая лопасть растянута вдоль оси полого и регулировочного валов, причем первый виток спирально-винтовых лопастей жестко закреплен на полом валу, диаметр винтовой лопасти возрастает в сторону направления ветра, а последующие витки прикреплены к стержням, проходящим через продольные пазы, которые выполнены внутри полого вала, и жестко прикреплены к регулировочному валу, соосно находящемуся внутри полого вала, с возможностью перемещения регулировочного вала вдоль полого вала (см. RU 2148185 C1, кл. F 03 D 5/00, 27.04.2000).

Недостатки устройства следующие:
1. Ветроротор работает только при высоких скоростях ветра. Известно, что в большинстве регионах больший период времени года ветры дуют умеренной силы без резких порывов и с малой их амплитудой. Это приводит к бездействию указанного устройства значительное время.

2. Значительная часть энергии ветра расходуется на растяжку винтовой лопасти.

3. Низкий КПД за счет высокой турбулентности ветрового потока, создаваемой первым (меньшим) и последующими (увеличивающимися в диаметре) витками спирали.

4. В устройстве отсутствует регулировка угла наклона спирально-винтовой лопасти, имеется только растяжка последующих витков относительно наименьшего, первого, что недостаточно для изменения наклона лопасти и не создает оптимальный режим работы ветроротора.

5. Ширина витков, выкроенных из плоской круговой заготовки путем разрезания ее по кривой, близкой к спирали Архимеда, остается практически одного размера, что создает неравномерность момента вращения ротора.

6. Обработка круговой заготовки технически затруднена в случае, когда спирально-винтовой ветроротор будет больших размеров, например 10 м в диаметре.

7. Устройство имеет сложный вал, который усложняет монтажные и эксплуатационные работы.

8. Лопасти отклонены под тупым углом к направлению ветра, что позволяет ветру рикошетить и не отдавать части своей кинетической энергии ротору.

Технический результат, заключающийся в повышении эффективности использования ветрового потока при малых и больших его скоростях, обеспечивается за счет того, что в ветророторе, содержащем вал и закрепленную на нем конусообразную спирально-винтовую лопасть, согласно изобретению, наибольший первый виток спирали установлен навстречу ветровому потоку, последующие меньшие витки спирали растянуты вдоль оси вала и витки наклонены под острым углом относительно направления ветрового потока и оси вала, а также имеются подпружиненные ветроотбойники на внутренних частях спирально-винтовой лопасти для обеспечения максимального отбора кинетической энергии у ветрового потока.

На чертеже изображен общий вид предлагаемого ветроротора.

Ветроротор содержит конусообразную спирально-винтовую лопасть 1 с подпружиненными ветроотбойниками 2; вал 3, к которому прикреплен первый виток спирально-винтовой лопасти 1 с помощью обрамляющего колеса 4 со спицами (не показаны), к которому крепится передняя кромка первого витка, спицы которого неподвижно крепятся к валу 3; подвижное скользящее по валу 3 заднее колесо со спицами 5, к которому крепится последний, наименьший виток спирали; поддерживающую втулку 6, в горизонтальном круглом пазе (не показан) которой вращается вал 3 и которая удерживает вал 3 и ротор в целом в горизонтальном положении, а с помощью вертикального кругового паза, в который может быть вставлен вертикальный шест (не показан), позволяет ветроротору подвижно ориентироваться по максимальному направлению ветра; колесо 7, жестко закрепленное на валу 3 для механической передачи вращения ветроротора к потребителям механической энергии; ограничительные переднюю 8 и заднюю 9 втулки.

Устройство работает следующим образом.

Поток ветра ударяется в витки спирали 1 и ветроотбойники 2, передает им свою кинетическую энергию, заставляя вращаться спирально-винтовую лопасть 1 и вал 3, к которому лопасть 1 прикреплена с помощью обрамляющего колеса 4. При этом, образуется закрученный поток ветра внутри конуса ротора, что увеличивает кинетическую энергию ветра обратно пропорционально радиусу витка спирали (согласно закона неразрывности потока), в силу чего меньшие витки получают добавочную кинетическую энергию ветра, что и повышает мощность и КПД устройства.

Подпружинивание ветроотбойников 2 устанавливает заданную мощность ротора. При сильных порывах ветра ветроотбойники 2 отклоняются по ветру, отчего энергии отбирается меньше, тем самым обеспечивается равномерность мощности и вращения ротора.

При сильных порывах ветра спирально-винтовая лопасть 1 растягивается благодаря скольжению по валу 3 заднего колеса 5, при этом уменьшается угол лопасти 1 относительно горизонтали, увеличению щели между витками, что приводит к уменьшению давления ветра и отбирания его кинетической энергии. При ослаблении ветра угол плоскости увеличивается, что увеличивает отбор кинетической энергии ветра.

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для устойчивой работы ветродвигателей как при низких, так и при высоких скоростях ветровых потоков. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности использования ветрового потока при малых и больших его скоростях, обеспечивается за счет того, что в ветророторе, содержащем вал и закрепленную на нем конусообразную спирально-винтовую лопасть, согласно изобретению наибольший, первый, виток спирали установлен навстречу ветровому потоку, последующие меньшие витки спирали растянуты вдоль оси вала и витки наклонены под острым углом относительно направления ветрового потока и оси вала, а также имеются подпружиненные ветроотбойники на внутренних частях спирально-винтовой лопасти для обеспечения максимального отбора кинетической энергии у ветрового потока. 1 ил.

Ветроротор, содержащий вал и закрепленную на нем конусообразную спирально-винтовую лопасть, отличающийся тем, что наибольший первый виток спирали установлен навстречу ветровому потоку, последующие меньшие витки спирали растянуты вдоль оси вала и витки наклонены под острым углом относительно направления ветрового потока и оси вала, а также имеются подпружиненные ветроотбойники на внутренних частях спирально-винтовой лопасти для обеспечения максимального отбора кинетической энергии у ветрового потока.