Устройство ветродвигателя, содержащего лопастные винты разного диаметра, расположенные в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения от винта малого диаметра к следующему винту большего диаметра относительно предыдущего с зазором между ними Российский патент 2018 года по МПК F03D1/06 F03D1/02 

Область техники

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано в ветродвигателях различного назначения и мощности.

В настоящее время в области ветроэнергетики применяются ветроприемные устройства нескольких типов - многолопастные тихоходные и малолопастные быстроходные, в которых рабочим элементом являются лопасти или крылья.

Уровень техники

Каждый тип ветроколеса используется самостоятельно, так как имеет собственный вращающий момент, количество лопастей, быстроходность, оптимальный радиус (ометаемая поверхность), коэффициент использования энергии ветра и др. показатели. (Фиг. 2 - зависимость коэффициента использования энергии ветрового потока от быстроходности.) Каждый тип ветроколес имеет положительные и отрицательные энергетические характеристики. Так, например, многолопастное тихоходное ветроколесо имеет большой вращающий момент, равный 0,28, но малый оптимальный радиус вращения, что составляет небольшую ометаемую поверхность и быстроходность.

Малолопастное быстроходное ветроколесо наоборот имеет малый вращающий момент, равный 0,03, но зато большой оптимальный радиус вращения, что обеспечивает большую ометаемую поверхность. Кроме этого, малолопастные ветроагрегаты имеют высокий коэффициент использования энергии ветра и высокую быстроходность.

Общим недостатком известных типов ветроэнергетических установок является низкая эффективность преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращательного движения ветроколеса. Это обусловлено тем, что эффективность использования ветрового потока очень низкая из-за малого числа лопастей у быстроходного ветроколеса и сильной зависимостью мощности установки от диаметра винта.

Общим свойством всех типов ветроприемных устройств (Фиг. 1 - двухлопастные, трехлопастные, многолопастные) является то, что лопасти всех винтов постоянного диаметра вращаются в одной вертикальной плоскости. Однако в соответствии с теорией идеального ветряка (Фиг. 3), написанной в 1920 г. Н.Е. Жуковским, отмечается, что когда поток воздуха набегает на вращающееся ветряное колесо, то скорость потока уменьшается. Это уменьшение скорости потока на одну треть меньше, чем скорость ветра, следовательно, треть набегающего потока не может пройти сквозь ветроколесо, а огибает его внешние концы и уходит в окружающее пространство. Поэтому масса воздуха, прошедшая через ветроколесо, на одну треть меньше полной массы набегающего потока. Это уменьшает коэффициент использования энергии полного потока ветра на ометаемой площади ветроколеса.

Величина массы потока воздуха, огибающего внешний диск ветроколеса, зависит от соотношения площадей потока до винта и площади винта. Диаметр потока, огибающий диск винта, превышает диаметр условного контура канала ветротурбины.

Вместе с тем, известны системы винтов, размещенных на двух соосных осях, но равного диаметра и вращающихся в противоположные стороны в двух вертикальных плоскостях. Эти соосные винты в ветродвигателях предложены, но в них также не исключаются потери энергии воздушного потока за счет обтекания внешних концов лопастей равного диаметра.

С точки зрения теории и практики, ветродвигатели с горизонтальной осью вращения обладают лучшими характеристиками по сравнению с большинством устройств с вертикальной осью. Это происходит благодаря работе всех лопастей данного устройства в одинаковых условиях обтекания.

Принцип действия ветродвигателя с горизонтальной осью вращения базируется на создании вращающего момента за счет подъемной силы крыла. С энергетической точки зрения основными параметрами всех ветроприемников являются: аэродинамические свойства крыла, площадь ометаемой поверхности, быстроходность и коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ). Ометаемая поверхность ветродвигателя определяется его геометрией и размерами.

В аэродинамике основной задачей является вопрос определения подъемной силы и силы сопротивления, распределение давления и направления струи на поверхности твердого тела, находящегося в воздушном потоке.

Здесь разделяют понятия: аэродинамическая поверхность, аэродинамическая подъемная сила, аэродинамические коэффициенты, аэродинамический профиль, аэродинамическое качество - как отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, где отмечается, что аэродинамическое сопротивление - это аэродинамическая сила, тормозящая движение тела в воздухе или другом газе.

Поэтому понятие ометаемой поверхности очень важно, поскольку только та часть воздушного потока, которая протекает через эту поверхность, вступает во взаимодействие с ветроколесом. Таким образом, ометаемая поверхность - это параметр, который в значительной мере определяет количество механической энергии, вырабатываемой в ветродвигателе.

Аэродинамики и конструкторы самолетов стремятся, чтобы крыло самолета при малом лобовом сопротивлении имело большую подъемную силу. В этом случае для продвижения самолета требуется меньшая мощность двигателя. В идеале хотелось бы иметь только подъемную силу и никакого лобового сопротивления, но это невозможно. Поэтому всеми средствами стараются уменьшить лобовое сопротивление.

Многолопастной тихоходный ветродвигатель - это устройство с большим количеством изогнутых пластин, образующих крылообразные поверхности с большим геометрическим заполнением, в одной вертикальной плоскости постоянного диаметра.

Многолопастной тихоходный тип ветродвигателя имеет относительно небольшой диаметр и небольшую скорость вращения (низкая быстроходность), но создает большой крутящий момент.

К основным недостаткам малолопастных быстроходных ветродвигателей относится наличие небольшого крутящего момента из-за малой крыловой поверхности винтов. Использование самостоятельных двух-трех лопастных винтов большого диаметра имеет особенность в том, что винт работает в зонах воздушного потока с большим разбросом скоростей ветра. Внизу винта до оси скорость ветра меньше, а сверху оси - больше. В этом случае средняя скорость набегающего потока уменьшается, что снижает полезную мощность ветродвигателя.

Кроме этого, ветродвигатели с малой суммарной площадью лопастей поддерживают очень большой объемный расход воздуха. В результате этого падение давления у них сравнительно мало, что снижает коэффициент использования энергии ветра.

В технике известен спиральный винт, предложенный Леонардо да Винчи (1452-1519). Этот эскиз вертолета представлен в книге "Я познаю мир. Изобретения" Энциклопедия. АСТ. 2000 г.

На стр. 247 представлен рисунок Леонардо да Винчи, а внизу его модель (Приложение №1). Эскиз подписан автором, в котором он об этой конструкции пишет: "… что при вращении с известной скоростью такой винт опишет в воздухе спираль и поднимет вверх …". Это гениальное изобретение важно тем, что оно явилось основой изобретения современных воздушных и гребных винтов.

Однако в связи с отсутствием научной теории и необходимых экспериментальных данных спиральный винт Леонардо да Винчи имеет существенный недостаток. При вращении этого винта он создает большое аэродинамическое сопротивление из-за сплошной аэродинамической поверхности в поперечном и продольном сечениях. В целом такая сплошная поверхность винта создает большой момент сопротивления вращения (теория момента количества движения).

Сущность изобретения

Отмеченные недостатки существующих ветродвигателей постоянного диаметра и спирального винта Леонардо да Винчи предлагается устранить в техническом решении, выполненном в виде устройства ветродвигателя, содержащего лопастные винты разного диаметра, расположенные в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения от винта малого диаметра к следующему винту большого диаметра относительно предыдущего с зазором между ними. В одном устройстве решается техническая задача по объединению основных положительных энергетических характеристик, которыми обладают отдельные типы ветроколес: максимальный вращающий момент, увеличенная крылообразная поверхность, большая ометаемая поверхность, оптимальная быстроходность, которые можно применить в одном техническом решении ветродвигателя.

Предлагаемое устройство (Фиг. 4 - схема устройства ветродвигателя) спроектировано так, чтобы набегающий воздушный поток за счет применения нарастающего диаметра лопастных винтов на общей оси, вращающихся в параллельных вертикальных плоскостях с зазором между ними, направлял отклоняющий поток ветра с наружных концов винта малого диаметра на следующий винт большего диаметра и т.д. Такое устройство исключает потери энергии одной трети ветра на каждом винте разного диаметра. Кроме этого, в устройстве ветродвигателя лопастные винты развернуты по спирали Архимеда.

Предложенное устройство имеет переменную ометаемую поверхность воздушного потока в зависимости от переменных диаметров винтов. Система параллельных винтов на общей оси, расположенных с зазором, увеличивает подъемную силу, т.е. крутящий момент и позволяет получить общую оптимальную быстроходность винтов переменного диаметра, расположенных на общей оси вращения.

В устройстве использованы лопастные винты возрастающего диаметра, последовательно расположенные на вращающейся оси, что создает условия получения переменной густоты лопастей вдоль потока ветра. Густота лопастей определяется коэффициентом заполнения, которая различается в продольном сечении по зонам: осевая, центральная и концевая. Коэффициент заполнения будет наибольший в осевой зоне, где торможение потока максимальное. Наименьшее торможение потока будет в концевой зоне винтов, где коэффициент заполнения лопастями значительно меньше осевого.

В принципе, спиральный винт Леонардо да Винчи является аналогом пространственной спирали Архимеда. В целях уменьшения аэродинамического сопротивления вращения сплошного спирального винта Леонардо да Винчи предложено данное техническое решение. Это устройство заменяет сплошную поверхность винта на систему отдельных параллельных винтов возрастающего диаметра, закрепленных с зазором вдоль общей оси вращения. Этот прием уменьшает поперечную суммарную вращающуюся поверхность спирали Леонардо да Винчи.

Предложенное устройство ветродвигателя имеет общую схему спирального винта Леонардо да Винчи, что дает возможность самоустановки оси вращения устройства вдоль воздушного потока.

Основные теоретические свойства спирали даны в энциклопедии "Математика" (том 11) Аванта 2002 г. (Приложение №2), где на стр. 385-387 в статье Спираль, есть текст: "Одну из первых спиралей, описанную Архимедом, нам продемонстрирует светлячок. Отправим его в путешествие вдоль секундной стрелки часов, полагая, что он будет перемещаться с постоянной скоростью, не обращая внимание на равномерное движение стрелки часов по кругу. Если вообразить бесконечно длинную стрелку, то жучок высветит нам спираль Архимеда (Рис. 2)".

Расстояние r, пройденное светлячком по стрелке от точки старта, и угол ϕ, на который при этом сместится стрелка, пропорциональны времени, а значит, и друг другу: r=kϕ, где k - коэффициент пропорциональности. Следовательно, расстояние d между двумя соседними витками спирали постоянно: d=k(ϕ+2π)-kϕ=2kπ.

Другое свойство спирали Архимеда - пропорциональность приращений радиальных расстояний и углов. Выделенное свойство спирали Архимеда дает теоретическую основу его использования в предложенном техническом решении. В устройстве система винтов по диаметру возрастает от полюса спирали, лопасти которых развернуты по спирали. Рост диаметра винтов увеличивается пропорционально радиальным расстояниям, т.е. рост диаметра винтов увеличивается на коэффициент k - пропорциональности. В устройстве за коэффициент пропорциональности принят теоретический коэффициент торможения воздушного потока системы винтов, равный k=0,593.

Описание чертежей

На фиг. 1 изображены типы ветроколес: двухлопастное (а), трехлопастное (б), многолопастное (в) с осью вращения 1, направлением их вращения 2 ветроколеса 1-3 и направлением воздушного потока 4.

На фиг. 2 представлена зависимость коэффициента использования энергии ветрового потока ξ (ордината) от быстроходности (ось абсцисс)Z: 5 критерий Бетца, 59%; идеальное крыльчатое ветроколесо 6, многолопастное американское ветроколесо 7, четырехлопастное ветроколесо 8, ротор Дарриуса 9, быстроходное двухлопастное ветроколесо 10.

На фиг. 3 дана схема ветроколеса Н.Е. Жуковского, в которой отмечается, что одна треть набегающего потока 4 не попадает в ветроколесо 3, а огибает его по концам лопастей.

На фиг. 4 представлена схема устройства ветродвигателя, содержащего лопастные винты разного диаметра, расположенные в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения 1 от винта малого диаметра 10 к следующему винту большего диаметра 11 относительно предыдущего с зазором 13 между ними, в которой на позициях а и б цифрами обозначены:

а) ветровой поток 4 набегает на параллельные ветроколеса (10, 11, 12) последовательно, т.е. вначале на ветроколесо 10 малого диаметра, где одна треть потока его огибает, а основная часть набегает на ветроколесо 10, затем поток набегает таким же способом на ветроколесо 11 большего диаметра и затем на следующее ветроколесо 12 еще большего диаметра, относительно предыдущих, закрепленных на общей оси 1 с зазором 13;

б) ветроколеса (10, 11, 12) размещены на общей оси 1 с зазором 13 и развернуты вокруг оси на равный угол в сторону разворота 2 спирали, где последовательность разворота лопастей начинается от первого ветроколеса 10 малого диаметра, затем в сторону возрастающих диаметров ветроколес 11 и 12.

На фиг. 5 показано устройство ветродвигателя, содержащего лопастные винты разного диаметра, расположенные в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения от винта малого диаметра к следующему винту большего диаметра относительно предыдущего с зазором между ними, в котором даны два вида: А - вид вдоль оси, и вид Б - поперек оси.

На виде А - вдоль оси - цифрами обозначены: передний обтекатель 14 общей оси 1; ветроколеса в последовательности роста диаметров 15, 16, 17, 19 и 20, где зазор между параллельными винтами 13; центральный кожух 18 общей оси 1 и задний обтекатель 21 для опоры общей оси 1 на консоль 22. Консоль 22 опирается на площадку 23, через которую проходит ось поворота системы винтов 25, которая вращается в подшипниках 24, закрепленных на корпусе башни 26 с площадкой 27 на земле. Ось поворота системы винтов 25 соединена с центральным кожухом 18 общей оси 1 и служит для их самостоятельной ориентации на поток ветра 4.

На виде Б - поперек оси - обозначены: положение ветроколес 15, 16, 17, 19 и 20 относительно общей оси вращения 1, развернутые по спирали на равный угол в последовательности 2 возрастающих диаметров ветроколес.

Осуществление изобретения

В связи с тем, что принцип действия ветродвигателя основан на создании вращающего момента и тяги за счет подъемной силы лопастей, рассмотрим схему их образования.

Подъемная сила F_y, составляющая силы, действующей со стороны газообразной среды на движущееся в ней тело, перпендикулярная к направлению потока, а сила F_x, направленная параллельно потоку, называется силой лобового сопротивления.

Подъемная сила возникает вследствие несимметрии обтекания тела средой. Подъемная сила F_y равна

,

где ρ - плотность среды;

ν - скорость тела (среды);

F - характерная площадь тела;

с_у - безразмерный коэффициент подъемной силы, зависящий от формы тела, его ориентации по отношению к направлению движения.

Сила лобового сопротивления F_x определяется по формуле:

,

где с_х - коэффициент лобового сопротивления,

ρν² - скоростной напор, F - площадь поперечного сечения (мидель).

Коэффициент с_х не постоянная величина и зависит от многих факторов: от площади, формы тела, от ориентировки тела относительно потока, от состояния поверхности тела, от вязкости и других причин.

Поэтому с_х для различных тел с одинаковым сечением составляет: для круглой пластины - 1,06-1,28, конус - 0,34, полусфера - 0,33 (выпуклость вперед), а конус со сферическим основанием впереди составляет - 0,088.

Аэродинамики и конструкторы стремятся, чтобы крыло при малом лобовом сопротивлении имело большую подъемную силу. Поэтому всеми средствами стараются уменьшить лобовое сопротивление. Характеристикой качества профиля служит отношение подъемной силы F_y к силе лобового сопротивления F_x. Данное отношение получило название аэродинамического качества или просто качества крыла .

У лучших профилей оно более 20-25, в то время как у плоской пластины k=6.

Площадь сечения - один из основных показателей ветрового потока, т.е. мощность ветрового потока пропорциональна площади поперечного сечения, через которую он протекает. Мощность равна кинетической энергии потока, проходящего через поверхность в единицу времени. На практике стремятся увеличить диаметр ветроколеса, т.к. ометаемая площадь зависит от квадрата его радиуса F=πR², где R - радиус ветроколеса. Однако в этом случае необходимо строительство высокой башни, что удорожает себестоимость, да и скорость воздушного потока в плоскости вращения резко различается по диаметру колеса.

Аэродинамики теоретически доказали, что только около 60% кинетической энергии ветра можно перевести в механическую работу. Практика показала, что современные ветродвигатели превращают в механическую работу только 25-30% энергии ветра.

Теоретически вдоль оси винта ветровой поток должен давить на крыловую поверхность под углом, а поперек потока иметь минимальную поперечную поверхность. В связи с этим, предлагается устройство системы винтов разного диаметра, где реализуется одна из основных идей, чтобы в направлении вращения винтов не было больших поперечных сечений и чтобы подъемная сила развивалась при посредстве тонких крыльчатых поверхностей. Поэтому в устройстве предлагается использовать быстроходные 2-3-лопастные винты относительно небольшого диаметра.

Быстроходность ветродвигателя - параметр, дающий возможность классифицировать и сравнивать ветроприемники с точки зрения их функционирования.

Быстроходность ветродвигателя рассчитывается как отношение тангенциальной скорости, наиболее удаленной от оси вращения точки лопасти, к скорости ветра в соответствии с выражением:

где Z - быстроходность;

ω - угловая скорость;

n - частота вращения, об/с;

R - максимальный радиус, м;

ν - скорость ветра, м/с.

В аэродинамике такое соотношение получило название критерий Струхаля. Величина быстроходности современных вращающихся ветроприемников находится в пределах от 0 до 10. В зависимости от величины быстроходности все ветротурбины разделяются на две группы: тихоходные (Z<4) и быстроходные (4<Z<10).

Все современные лопастные винты имеют постоянный радиус вращения, поэтому их быстроходность в данный момент времени есть величина постоянная. В предложенном устройстве ветродвигателя вращается вал с лопастными винтами разного диаметра, поэтому их быстроходность - величина переменная. Это связано с тем, что тангенциальные скорости концов лопастей разные и возрастают с ростом их диаметра. В связи с тем, что быстроходность ветродвигателя есть отношение тангенциальной скорости, наиболее удаленной от оси вращения, к скорости ветра, то тангенциальные скорости системы винтов есть величины переменные. Однако частота вращения общего вала системы винтов единая. Это объясняется тем, что угловая скорость вала общая, а скорость ветра (в данный момент) постоянная, но рост диаметра винтов обеспечивает плавное увеличение их тангенциальных скоростей. В этом случае систему винтов можно рассматривать в обобщенном виде как единый винт переменного (возрастающего) диаметра. Поэтому итоговая быстроходность определяется диаметром винта наибольшего размера устройства.

Реальная частота вращения главного вала ветроколес в большинстве случаев невысока (от нескольких десятков до сотни оборотов в минуту). Частота вращения связана с диаметров колеса и, как правило, уменьшается с его увеличением.

Быстроходные ветродвигателя обладают более высоким коэффициентом использования энергии ветра и пониженным начальным вращающим моментом. Тихоходные ветродвигатели, наоборот, имеют более высокий начальный вращающий момент и скромный коэффициент использования энергии ветра.

Быстроходность является одним из важных параметров, зависящих от трех основных показателей: радиуса ометаемой ветроколесом окружности, его угловой скорости вращения и скорости ветра. Максимальный КИЭВ идеального ветроколеса равен 0,593. Однако практически установки реализуют не более 25-30% энергии потока. Значение КИЭВ и коэффициента нагрузки на ометаемую площадь зависят от коэффициента торможения потока.

В быстроходных 2-3-лопастных винтах используются лопасти большего диаметра и большего удлинения, что уменьшает их полезную площадь. Здесь геометрическое заполнение площади винта лопастями небольшое, поэтому коэффициент заполнения мал и торможение потока за винтом небольшое. Коэффициент заполнения ветроколеса определяется его проницаемостью. Проницаемость - величина сопротивления, зависит от быстроты преодолевания ометаемой площади винта. Чем больше площадь, тем больше величина торможения, т.е. так больше падение скорости прохода через винт. Однако отметим, что чем тоньше лопасть и меньше ее площадь, тем она быстроходнее и меньше ее аэродинамическое сопротивление, поэтому и три лопасти, если они широкие, будут иметь низкую быстроходность, а шесть или двенадцать тонких, узких лопастей будут иметь большую быстроходность. В результате анализа можно сделать вывод, что каждый тип ветродвигателя, который используется самостоятельно, имеет максимальный КПД при определенных предельных параметрах (количество лопастей, диаметр, шаг винта, ширина лопасти, ометаемая площадь, быстроходность и др.).

Коэффициент использования энергии ветра - это отношение механической энергии (Е₂), производимой турбиной за некоторый промежуток времени, к кинетической энергии воздушного потока (Е₁), протекающего за то же время через ометаемую поверхность:

где ρ - плотность воздуха в кг/м³;

S - ометаемая поверхность, м²;

ν - скорость ветра, м/с.

Величина КИЭВ никогда не превышает единицы в связи с наличием аэродинамических, механических и иных потерь, возникающих в процессе преобразования энергии воздушного потока.

В теории идеального ветряка предполагается, что проходящие через него линии тока не претерпевают разрыва, а само колесо заменяется таким проницаемым диском, при взаимодействии с которым воздушный поток отдает ему часть энергии, в силу чего давление в потоке и его импульс уменьшаются.

Теорию идеального ветряка впервые разработал В.П. Ветчинкин в 1914 г. Согласно теории идеального ветряка (Фиг. 3), написанной в 1920 г. Н.Е. Жуковским, отмечается, что когда поток воздуха набегает на вращающийся ветряк, то скорость потока уменьшается. Скорость потока в плоскости ветроколеса на треть меньше, чем скорость ветра, следовательно, треть набегающего потока не может пройти сквозь ветроколесо и огибает его снаружи. Поэтому масса воздуха, прошедшая через ветроколесо, на треть меньше полной массы набегающего воздуха.

Величина массы потока, огибающего диск ветроколеса, зависит от соотношения площадей потока, например, до винта F₀ и площади винта F₁. Поток воздуха, огибающий диск по диаметру, превышает диаметр условного контура канала ветротурбины.

В соответствии с уравнением неразрывности течения и уравнения Бернулли отношение ,

т.е. скорость течения обратно пропорциональна площади поперечного сечения потока в условном канале ветроколеса,

где ν₂ - скорость потока за ветроколесом;

ν₁ - скорость потока в плоскости колеса;

ν₀ - скорость потока перед колесом.

Произведение двух третей воздуха, прошедшего сквозь колесо, на КПД преобразования энергии, равный восьми девятым, и составляет максимальный КИЭВ η_max=0,593.

Чтобы уменьшить эти потери энергии потока и повысить коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), в изобретении предложена система винтов разного диаметра на общей оси для газообразных сред (Фиг. 4). Теоретической основой изобретения является рассмотрение схемы идеального винта как тела вращения в виде спирали Архимеда (пространственной), составленной из тонких радиальных лучей разного диаметра, вращающихся на общей оси с зазором. Здесь рассматривается спиральное тело вращения в виде винтовой крылообразной поверхности, начиная разворот от полюса спирали.

В изобретении предлагается устройство в виде лопастных винтов (10, 11, 12) разного диаметра, расположенных с зазором по винтовой линии и вращающихся на общей оси 1. Винты могут быть 2-, 3- и 4-лопастные, т.е. узкие крыловые поверхности, размещенные с зазором 13 относительно предыдущего. Зазоры необходимы для того, чтобы обеспечить оптимальное обтекание соседних лопастей, смещенных на равный угол в сторону разворота спирали. В этом случае проявляется эффект многощелевого обтекания лопастей, что увеличивает подъемную силу.

Теоретически это спираль Архимеда, в которой лопасти выступают по сторонам оси с плавным ростом диаметров и расположены с зазором по винтовой линии. Вращающаяся система лопастных винтов представляет собой спиральную крыловую поверхность. Однако эта поверхность спирали не сплошная, а состоит из отдельных винтов возрастающего диаметра, которые размещены с зазором на общей оси. В связи с тем, что винты смещены по кругу спирали на равный угол, поэтому лопасти вдоль оси не перекрываются.

В предложенном устройстве каждый винт на оси размещен с зазором, поэтому система винтов вращается с малым аэродинамическим сопротивлением из-за малого лобового сопротивления в вертикальной плоскости вращения.

Величина массы воздушного потока, не прошедшая через диск турбины, зависит от соотношения площадей F₁ и F₂, где F₁ - площадь потока ветра, а F₂ - площадь выхода ветра. Площадь потока - это площадь круга. Она определяется по формуле F=πR², где R - радиус потока. Отношение площадей потока ветра и выхода ветра в соответствии с законом постоянства расхода среды обратно пропорционально скоростям воздушного потока, т.е. , где ν₁ - скорость потока до ветроколеса, ν₂ - скорость потока за ветроколесом.

Предельный случай, когда через ометаемую поверхность идеального диска проходит весь поток без торможения, тогда отношение скоростей потока после диска ν₂ и до диска ν₁ равно 1, т.е. , где ν₁ - скорость потока до диска, ν₂ - скорость потока после диска. Однако в этом случае КПД равен нулю, т.к. энергия потока не использована.

Возьмем второй предельный случай, когда ветроколесо пропускает через ометаемую площадь такой поток, который обеспечивает получение максимального КПД (отношение Бетца = 0,593). В этом случае отношение площадей и скоростей потока равно . Тогда падение скорости потока после диска составит ν₂=0,593⋅ν₁.

В связи с этим перепишем отношение площадей потока ветра и выхода ветра в соответствии с законом постоянства расхода среды обратно пропорционально скоростям воздушного потока, т.е. . В связи с этим обобщим указанные отношения через:

,

где F₀ - площадь сечения до винта,

ν₀ - скорость потока до винта,

F₁ - площадь сечения винта,

ν₁ - скорость потока через винт,

F₂ - площадь сечения позади винта,

ν₂ - скорость потока за винтом.

Для удобства пользования представим площади в виде формулы F=πR², тогда отношение сечений запишем в виде: . После сокращения дроби на π получаем, что отношения: ,

где R₀ - радиус потока до винта;

R₁ - радиус винта;

R₂ - радиус потока за винтом.

В предложенном изобретении система винтов должна соответствовать закону спирали Архимеда. По определению спираль – кривая, описываемая точкой, которая удаляется от начала по прямой (по радиусу) и равномерно вращается по линейному закону вокруг оси, в итоге получается спираль Архимеда.

В спирали Архимеда отношения отрезков ,

где m - знаменатель прогрессии. В спирали Архимеда отношения выразим через радиусы. Запишем: . Левую и правую части равенства возведем в квадрат и получим: . Если сравнить формулу 1 и 3, то видим, что если равны левые части равенства, то равны и правые части, тогда запишем:

Отсюда найдем значение знаменателя прогрессии m:

m²=0,593, т.е.

Поэтому отношение радиусов в спирали Архимеда запишем: . Из данного отношения можно определять радиусы спирали Архимеды, т.е. R₁=0,77R2, a и т.д.

Вывод

В предложенном устройстве ветродвигателя, выполненном по схеме спирали Архимеда, лопасти винтов возрастают приблизительно на одну треть относительно предыдущего (наименьшего) радиуса ветроколеса.

В принципе крыльчатые лопастные ветроколеса по показателю быстроходности могут располагаться в последовательности: многолопастное, 4-лопастное, 3-лопастное и 2-лопастное.

Итак, предлагается устройство ветродвигателя, содержащее лопастные винты разного диаметра, расположенные в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения от винта малого диаметра к следующему винту большего диаметра относительно предыдущего с зазором между ними. Аэродинамически выгоднее использовать в предлагаемом устройстве тихоходные лопастные винты и быстроходные лопастные винты, которые расположены со смещением на равный угол с возможностью неперекрывания лопастей винтов вдоль общей оси вращения, и при этом ветродвигатель имеет возможность самоустановки по потоку ветра при набегании потока ветра под углом к общей оси вращения.

Известно, что быстроходность при максимальном коэффициенте использования энергии ветра (КИЭВ) для ветроколес следующая:

1. Многолопастное Z=1,0.

2. 4-лопастное Z=2,0.

3. 3-лопастное Z=4,5.

4. 2-лопастное Z=7,5.

Учитывая этот показатель оценочно (расчетно), определим оптимальный радиус вращения нескольких типов ветроколес на основе формулы быстроходности:

,

где n - частота вращения колеса (об/с);

ν - скорость ветра (м/с).

Для расчета примем n=30 об/мин = 0,5 об/с и ν=10 м/с.

Тогда получим величину радиусов ветроколес:

1. Многолопастное R₁=3,18 м.

2. 4-лопастное R₂=6,4 м.

3. 3-лопастное R₃=14,3 м.

4. 2-лопастное R₄=23,9 м.

Расчет показывает, что радиус вращения многолопастного винта минимальный, а затем радиусы возрастают в последовательности: 4-лопастное, 3-лопастное и 2-лопастное ветроколесо. Теперь определим угловые скорости для каждого типа ветроколеса по формуле:

,

где Z - быстроходность;

R - радиус ветроколеса;

ν_B - скорость ветра.

Подставим в формулу угловой скорости расчетные оптимальные радиусы вращения и их быстроходности при максимальном коэффициенте использования энергии ветра и получим величины угловых скоростей соответственно:

ω₁=3,14 (для многолопастного), ω₂=3,125 (для 4-лопастных), ω₃=3,14 (для 3-лопастного) ω₄=3,138 (для 2-лопастных).

В итоге получаем, что практически ветроколеса всех типов оптимально могут вращаться на общей оси с единой угловой скоростью.

В соответствии с предложенной теорией (Фиг. 4) рассмотрения идеального винта в виде системы винтов разного диаметра с зазором на общей оси вращения 1 по схеме спирали Архимеда необходимо выполнить условие закона спирали: . Для этого определим радиус второго ветроколеса спирали Архимеда по формуле: . Для этого примем оптимальный радиус R₁ за радиус первого ветроколеса (наименьшего), равный 3,18 м, и после его деления на 0,77 получим, что радиус второго ветроколеса спирали Архимеда, равный ≈4,13 м. Разделив радиус второго ветроколеса спирали Архимеда на 0,77, получим радиус третьего ветроколеса, равный 5,36 м. Разделив радиус третьего ветроколеса на 0,77, получим радиус четвертого ветроколеса, который будет равен 6,96 м.

На основе приведенного примера можно сделать вывод, что схема спирали Архимеда реализуется в системе винтов возрастающих диаметров и зависит от диаметра первого (наименьшего) и общего их количества.

Работа ветродвигателя

Предложенное устройство ветродвигателя (Фиг. 5) содержит лопастные винты разного диаметра (15, 16, 17, 19, 20), расположенные на общей оси вращения 1, в последовательности: от винта малого диаметра 15 к следующему винту большего диаметра 16 и т.д., с зазором 13 между всеми винтами.

В начале на общей оси 1 закреплены тихоходные лопастные винты малого диаметра, а затем быстроходные лопастные винты возрастающего диаметра. Лопастные винты расположены на общей оси со смещением по спирали разворота 2 на равный угол и с возможностью неперекрывания лопастей винтов вдоль общей оси вращения. Зазор обеспечивает оптимальные условия обтекания в межлопастном канале соседних винтов. В связи с тем, что ветродвигатель выполнен по схеме спирали и лопастные винты возрастают в диаметре от полюса спирали, устройство обладает возможностью самоустановки по потоку ветра при его набегании под углом к общей оси вращения. Это связано с тем, что система винтов разного диаметра описывает расширяющуюся винтовую поверхность.

Общая ось устройства 1 опирается впереди на обтекаемую опору 14, а позади на обтекаемую опору 21, а общая ось 1 имеет центральный кожух 18, к которому закреплена ось поворота системы винтов 25. Передний обтекатель 14 и задний обтекатель 21 опираются на консоль 22. Консоль 22 опирается на площадку 23, через которую проходит ось поворота системы винтов 25, которая вращается в подшипниках 24, закрепленных на корпусе башни 26 с площадкой 27 на земле.

Предложенное устройство в виде системы лопастных винтов возрастающего диаметра воспринимает давление потока ветра 4 вдоль оси вращения не одновременно, а последовательно.

Вначале поток ветра 4 набегает на тихоходные лопастные винты, а затем на быстроходные лопастные винты. В связи с тем, что вдоль общей оси вращения 1 диаметры лопастных колес возрастают, взаимодействие винтов с потоком ветра имеет ряд особенностей. Во-первых, схема обтекания системы винтов потоком ветра 4 отличается от обтекания одиночного типового винта. Это отличие заключается в том, что обычный современный винт ветродвигателя вращается в одной вертикальной плоскости и имеет постоянный диаметр. В связи с этим, по теории идеального винта Н.Е. Жуковского, когда поток воздуха набегает на вращающееся ветряное колесо, то скорость потока уменьшается (тормозится). Это уменьшение скорости потока на одну треть меньше, чем скорость ветра, следовательно, треть набегающего потока не может пройти сквозь ветроколесо, а огибает его внешние концы и уходит в окружающую среду. Это уменьшает коэффициент использования энергии полного потока ветра на ометаемой площади ветроколеса.

В предложенном устройстве ветродвигателя первый винт наименьшего диаметра воспринимает давление потока ветра 4, а одна треть этого потока, огибающая концы винта, натекает вместе с основным потоком на второй (последующей за первым) большего диаметра и т.д. вдоль общей оси вращения всех лопастных винтов до последнего.

Предложенное устройство ветродвигателя обеспечивает получение повышенного крутящего момента за счет оптимального сочетания тихоходных и быстроходных лопастных ветроколес возрастающего диаметра, расположенных в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения.

Кроме этого, ветроколеса последовательно расположены на общей оси вращения от винта малого диаметра к следующему винту большего диаметра относительно предыдущего с зазором между ними. Эта особенность дает рост подъемной силы (рост площади винтов), рост ометаемой поверхности за счет роста диаметров винтов и уменьшение аэродинамического сопротивления вращения системы винтов, относительно сплошной поверхности спирального винта Леонардо да Винчи.

Последовательное расположение лопастных винтов возрастающего диаметра вдоль общей оси вращения имеет следующую особенность.

Она заключается в том, что система винтов воспринимает давление потока ветра по поперечному сечению не одновременно всей ометаемой поверхностью, а последовательно, т.е. с ростом миделевого сечения. Система винтов вдоль общей оси вращения создает различные степени пропускной способности потока ветра из-за густоты их расположения или коэффициента заполнения. Здесь можно выделить три зоны: центральная (осевая), средняя и концевая.

Первая зона - центральная вдоль общей оси, в которой находится общее количество ветроколес, что дает максимальное заполнение лопастными параллельными винтами. В центральной зоне осуществляется наибольшее торможение потока ветра, которое воспринимает осевое лобовое давление винтовой поверхностью спирали и совместно с подъемной силой лопастей создает общий крутящий момент. Осевое лобовое давление можно сравнить с катящимся шариком вниз вдоль вертикально поставленных винтов, образующих некую спиральную поверхность лопастями винтов, развернутых в сторону спирали. Здесь реактивный импульс создает падающий шарик по винтовой спиральной линии, образованной лопастями отдельных винтов. В этой зоне винты вращаются с низкой быстроходностью (ближе к оси вращения, т.е. с наименьшим радиусом).

Вторая зона - средняя вдоль общей оси, которая образована выше по диаметру центральной зоны, где заполнение лопастными параллельными винтами меньше центральной зоны, т.к. геометрическое заполнение в ней определяется уже винтами несколько большего диаметра, чем в центральной зоне. В этой зоне подъемная сила является определяющей, т.к. обтекание лопастей осуществляется в значительной степени встречным невозмущенным потоком. Вращение винтов здесь реализуется с большей быстроходностью, чем в центральной зоне (диаметр элементов лопастных винтов больше, т.е. окружная скорость больше). В этом случае проницаемость для потока больше, чем в центральной зоне, а поэтому и торможение здесь будет меньше.

Третья зона - концевая вдоль общей оси, она образована выше второй зоны по диаметру, где геометрическое заполнение в ней определяется верхними частями быстроходных винтов, в которой геометрическое заполнение минимальное, но окружная скорость возрастающая из-за роста диаметров винтов. Здесь создается максимальная подъемная сила для образования общего вращающего момента системы винтов, но торможение потока минимальное.

Источники информации

1. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1957 г., 539 л.

2. Н.Е. Жуковский. Теория идеального ветряка. 1920 г.

3. П.Ю. Беляков. Ветроэнергетика: теоретические основы и технические решения. Воронеж. 2007. Международный институт компьютерных технологий.

4. Теплотехника. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Москва. 2004 г.

5. Энциклопедия. Математика. Аванта. 1998 г., стр. 385-388.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Устройство ветродвигателя, содержащего лопастные винты разного диаметра, расположенные в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения от винта малого диаметра к следующему винту большего диаметра относительно предыдущего с зазором между ними, в котором винты представляют собой тихоходные лопастные винты и быстроходные лопастные винты и расположены со смещением на равный угол с возможностью не перекрывания лопастей винтов вдоль общей оси вращения, при этом ветродвигатель выполнен с возможностью самоустановки по потоку ветра при набегании потока ветра под углом к общей оси вращения. Изобретение направлено на увеличение ометаемой поверхности и подъемной силы, т.е. крутящего момента. 5 ил.

Устройство ветродвигателя, содержащего лопастные винты разного диаметра, расположенные в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения от винта малого диаметра к следующему винту большего диаметра относительно предыдущего с зазором между ними, отличающееся тем, что винты представляют собой тихоходные лопастные винты и быстроходные лопастные винты и расположены со смещением на равный угол с возможностью не перекрывания лопастей винтов вдоль общей оси вращения, при этом ветродвигатель выполнен с возможностью самоустановки по потоку ветра при набегании потока ветра под углом к общей оси вращения.