РОТОР ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ В РОТОРЕ Российский патент 2025 года по МПК F03D3/06 

Область техники, к которой относиться группа изобретений

Группа изобретений относиться к области ветроэнергетике, к ветродвигателям с осью вращения перпендикулярной воздушному потоку и предназначено для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения вала.

Уровень техники

Уровень техники в отношении изобретения - способ соединения лопастей в роторе способом скрепления вертикального края проема одной лопасти с выпуклой частью соседней лопасти и такой же последовательности скрепления со следующими лопастями в необходимом количестве замыкая окружность из лопастей с образованием колеса из лопастей, составной части ротора.

Существует множество вариантов соединения лопастей в роторе, объединения их с осью.

Известен ветродвигатель (патент RU 2263815 С1) в котором рабочими органами являются лопасти выполненные в виде части полой сферы или части полого цилиндра, закрепленные на вертикальном валу на концах которого установлены подшибники, ротор снабжен опорной фермой состоящей из трех опор, соединенных между собой в один жесткий конструктивный узел.

Недостатком соединения лопастей в опорной ферме является то, что лопасти не соединены непосредственно между собой для предотвращения проникновения ветра между лопастями и предотвращения турбулентности между лопастями и внутри ротора.

Известен ротор мобильного ветродвигателя(патент RU 2263815 С1, F03D 3/00 публикация 27.03.2013) состоящий из четырех идентичных монолитных лопастей, равноудаленных от вертикальной оси вращения и точечно скрепленных с ней при помощи нижней и верхней крестовин.

Недостатком соединения лопастей является то, что лопасти объединены только с помощью нижней и верхней крестовин.

Известен ветродвигатель(патент RU 129164 U1, F03D 3/06 публикация 2013.06.20) содержащий ротор с лопастями, выполненными в виде части полого цилиндра, закрепленными на вертикальном валу посредством коромысел со стяжками. Вертикальный вал размещен в опорной ферме, а стяжки крепятся к лопастям в точках выше и ниже крепления к ним коромысла

Недостатком соединения лопастей вышеуказанным образом является то, что лопасти между собой не только не соединены, но и расположены на определенном расстоянии одна от другой, что позволяет ветровому потоку незначительно задерживаться в лопастях, при этом проходить к оси и создавать турбулентность внутри ротора между лопастями, что препятствует оптимальному вращению ротора.

В качестве аналога близкого к прототипу может служить объединение лопастей согласно патента (RU 192838 U1, F03D 3/06 опубликовано 2019.10.02) в котором «...лопасти закреплены между верхним и нижним торцевыми дисками...» расположенные между собой по типу ротора Савониуса.

Недостатком, тем же что и в предыдущем примере такого закрепления лопастей является промежуток между лопастями, который позволяет ветровому потоку проникать в середину ротора, к оси, минуя в большой степени создание необходимого давления и передачу энергии ветра на саму лопасть. При этом внутри ротора возникают турбулентные потоки, тормозящие вращение ротора. Задачей изобретения - способа соединения между собой объемных лопастей в виде усеченного по оси цилиндра с ограничением оснований плоскостями является создание из лопастей в одной плоскости жесткой неразъемной конструкции в виде диска, колеса с вертикально расположенными лопастями, при котором наиболее эффективно захватывается ветровой поток и используется энергия ветра, которая позволяет уменьшить потери ветровой энергии. При этом увеличивается пусковой момент ветродвигателя.

Уровень техники в отношении изобретения - ротор ветродвигателя - устройство, образованное соединением лопастей в виде части эллиптического цилиндра ограниченного в основаниях плоскостями в конструкцию в виде колеса объединенного с осью ротора, также ротор, ограниченный в основаниях дисками.

Ротор ветродвигателя с осью вращения перпендикулярной ветровому потоку, образованный соединением цилиндрическими сторонами лопастей в виде части эллиптического цилиндра, ограниченного в основаниях плоскостями, равноудаленно от оси, в необходимом количестве, в одной плоскости в неразъемную конструкцию в виде колеса составную часть ветродвигателя, также объединенного с осью ротора рычагами непосредственно, либо через вращающее основание.

Аналогами многолопастного ротора, существенные признаки которого в большей степени совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения, являются:

- Известен ветродвигатель (патент RU 2 168 059 С2, F03D 3/04 опубликовано 2001.05.27) содержащий ветровую турбину с вертикальной осью вращения, отличающийся тем, что турбина образована из N профилированных осеметрических лопастей, соединенных верхней и нижней крышками и расположена внутри направляющей системы, образованной из неподвижных осеметичных направляющих створок, причем каждая из лопастей представляет собой часть боковой поверхности цилиндра с образующей, параллельной оси вращения турбины.

Недостатком указанного аналога является то, что лопасти в роторе не соединены в единый диск, между лопастями имеются промежутки, через которые проходит воздух, образуется турбулентность внутри ротора, в хаотичном движении воздуха теряется ветровая энергия.

Также установка вокруг самого ротора с лопастями дополнительной системы в виде жестко закрепленных створок, направляющих ветер к лопастям, создает излишние препятствия для ветрового потока, которые в большой степени сначала тормозят ветровой поток, который не способен сразу всем объемом зайти к лопастям между створок, и ветер вынужденно сбоку обходит саму конструкцию ветродвигателя и только часть ветрового потока попадает к лопастям минуя створки.

Таким образом, теряется значительная часть кинетической энергии ветра. Более близка к заявленному изобретению «Парнолопастная турбина»(патент RU 2521902 С1, F03D 3/00 опубликовано 2014.07.10) которая содержит вытянутые лопасти, продольные оси которых параллельны друг другу. Лопасти расположены равномерно по окружности равноудалено от вала турбины.

Недостатком является то, что лопасти расположены на основании фактически хаотично, ветер способен пройти через весь ротор между плоскими лопастями, отдавая минимум энергии для вращения ротора, при этом в силу такого расположения лопастей между собой ветер одновременно будет задерживаться между лопастями, создавая турбулентные потоки, которые будут препятствовать вращению ротора.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения - способа соединения между собой объемных лопастей в виде усеченного по оси эллиптического цилиндра с ограничением оснований плоскостями является создание из лопастей в одной плоскости жесткой неразъемной конструкции в виде диска, колеса с вертикально расположенными лопастями, при котором наиболее эффективно захватывается ветровой поток и используется энергия ветра, которая позволяет уменьшить потери ветровой энергии. При этом увеличивается пусковой момент ветродвигателя. Техническим результатом является

1.Обеспечение более полного отбора кинетической энергии у ветрового потока за счет того, что лопасти, объединенные способом плотного соединения, сочленения боковых сторон каждой лопасти с выпуклой частью соседней лопасти не имеют промежутков между собой, ветровой поток практически не проникает к оси ротора и не создает турбулентных потоков, препятствующих вращению ротора.

2. Также при соединении лопастей, когда один край каждой лопасти примыкает к выпуклой части следующей лопасти, эта следующая лопасть своей выпуклой частью является дефлектором, отражающим ветровой поток, перенаправляя его в открытую часть смежной, примыкающей лопасти. При этом, что особенно важно, происходит соединение с потоком воздуха напрямую идущим в открытую часть лопасти, и, как следствие, повышается плотность, давление и также скорость совместного ветрового потока заходящего в открытую часть лопасти и такой эффект происходит в отношении каждой пары соединенных лопастей на которые направлен ветер.

3. При таком способе соединения каждая лопасть, так как она развернута открытой частью в сторону внешнего диаметра, направленную от оси ротора, открытая ее часть гораздо более доступна для поступающего ветрового потока. При этом направление входа в лопасть от оси не изменяется при любом количестве лопастей в роторе. Все лопасти в роторе открытой частью, входом в лопасть направлены к внешнему диаметру колеса из лопастей, доступ при большем количестве лопастей становиться лучше.

4. Также при таком соединении лопастей пусковой момент ветродвигателя возникает существенно раньше других ВЭУ, так как значительно уменьшены потери ветрового потока при плотном соединении лопастей и отсутствии промежутков между ними в колесе из лопастей.

5. Также при традиционном способе соединения - когда один край лопасти присоединен непосредственно к оси, либо через рычаги, уже при трех, четырех лопастях в роторе каждая лопасть ее объемной формой становиться препятствием для доступа ветрового потока в ближайшую, следующую лопасть, она становиться преградой для доступа в открытую для ветра лопасть! При пяти и более лопастей в роторе такой конструкции доступ к входу в лопасть становиться проблематичным, сокращается более чем наполовину в лучшем случае, а то и становиться вообще недоступным!

Задачей изобретения - ротора ветродвигателя с необходимым количеством объемных лопастей, соединенных боковыми сторонами с выпуклой частью соседней лопасти в жесткую конструкцию в виде колеса и через рычаги с осью ротора является создание ветродвигателя, который максимально захватывает ветровой поток в лопасти ротора и использует кинетическую энергию ветра, превосходя по эффективности другие аналоги.

Дополнительным преимуществом заявленного изобретения - ротора в варианте -является закрепление в основаниях ротора дисков необходимого размера, которые дополнительно задерживают ветровой поток в объемных лопастях при этом ветер, концентрируясь и создавая повышенное давление в лопастях, не имеет возможности уходить вверх и вниз между лопастями.

Техническим результатом изобретения является обеспечение более полного отбора кинетической энергии у ветрового потока за счет объемных лопастей, за счет того, что лопасти, объединенные плотным соединением боковыми сторонами в колесо, соединенные с вертикальной осью с помощью рычагов, не имеют промежутков между собой и ветер не имеет возможности проникать внутрь ротора с образованием турбулентных потоков, препятствующих вращению ротора. Также более полный отбор энергии у ветрового потока достигается за счет ограничения ротора снизу и сверху дисками, дополнительно задерживающими и концентрирующими ветровой поток и отнимая еще больше энергии у ветра. Благодаря соединению лопастей в плотное неразъемное объединение поверхность внешнего диаметра колеса состоит из обтекаемых округлых частей лопастей, которые минимально тормозятся ветровым потоком, что существенно снижает энергетические потери трением о воздух и повышает эффективность всего ветродвигателя.

При этом, что также важно, существенно увеличивается способность такого ротора к запуску, то есть трогание из положения покоя, так как лопастями, соединенными в единое целое, максимально захватывается энергия ветрового потока.

Изобретения поясняются с помощью схем и чертежей.

На Фиг. 1 изображен прямой эллиптический цилиндра - вид под углом сверху. Секущая плоскость в виде прямоугольника обозначена на углах буквами - «А», «В», «С», «D».

На Фиг. 2 изображена заявленная лопасть в виде трехмерной объемной геометрической фигуры, образованной усечением секущей плоскостью по линии малой оси прямого кругового полого эллиптического цилиндра с ограничением оснований плоскостями - вид под углом сверху.

На Фиг. 3 - изображен способ соединения лопастей, вид сверху. Лопасть «В» в направлении присоединения к лопасти «А». Также присоединяется и лопасть «С».

На Фиг. 4 - колесо из объединенных лопастей. Крестиком обозначены места соединения.

На Фиг. 5 и Фиг. 6 – схема присоединения лопастей к ротору и ротор, вид сверху

На Фиг. 7 – ротор, вид сверху.

Фиг. 8 - Ротор на координатной оси, вид сверху

Фиг. 9 - Ротор

Фиг. 10 - Ротор с дисками

Механизм воздействия ветра на лопасти отражен в разделе - осуществление изобретения.

Осуществление изобретения - в группе изобретений. Заявленная группа изобретений функционирует следующим образом. Ротор ветродвигателя с осью вращения перпендикулярной ветровому потоку, образованный соединением лопастей в виде усеченного по линии большой оси прямого эллиптического цилиндра ограниченного в основаниях плоскостями, равноудаленно от оси, в одной плоскости, в необходимом количестве в неразъемную жесткую конструкцию в виде колеса, также объединенного с осью ветродвигателя, работает следующим образом: старт, трогание с места и вращение ротора осуществляется за счет того, что ветровой поток, приблизившись к лопастям, воздействует на открытые части лопастей и на внешние цилиндрические части, присоединенных лопастей.

На Фиг. 7 отображено, как ветер заходит внутрь открытой части лопасти «А», создавая повышенное давление внутри объемной лопасти. Одновременно ветровой поток сталкивается с цилиндрической частью примыкающей к лопасти «А» лопасти «С», расположенной под углом к ветру, при этом вынужденно отклоняется и концентрируется с потоком, который входит напрямую в открытую лопасть. При этом осуществляется эффект дефлектора(с лат.- «изменяю, отклоняю»). Ветровые потоки совмещаются. В итоге ветер с большей площади ветрового потока входит в открытую лопасть «А» с меньшей площадью вхождения. При этом существенно увеличивается давление и плотность двух совмещенных ветровых потоков, зашедших в саму лопасть, не имеющих возможность на тот момент выйти из лопасти. В итоге повышенное давление воздуха толкает лопасть и одновременно сам ротор. Кинетическая энергия ветрового потока переходит в механическую энергию вращения ротора. Ротор ветродвигателя вращается, лопасти смещаются двигаясь. Под давлением ветрового потока оказываются другие лопасти и части лопастей, которые также принимают ветровой поток, отбирая кинетическую энергию у ветра.

При этом важным и существенным является ограничение ротора в основаниях дисками в варианте ротора на фиг. 6, так как диски способствуют тому, что ветер не имеет возможности выйти из лопасти через промежуток между лопастями и давление ветра в лопасти за счет этого повышается и энергии у ветра отбирается больше, чем без дисков.

Также существенным преимуществом перед другими ветродвигателями с вертикальной осью является то, что у заявленной конструкции существенно меньшее, фактически незначительное сопротивление воздушному потоку обратной стороны лопастей в роторе в силу их идеальной обтекаемости в виде цилиндрической поверхности.

Достоинством перед другими ВЭУ с вертикальной осью является также то, что эффективность ветродвигателя может быть увеличена гораздо проще и быстрее, чем у всех остальных ВЭУ. Для этого достаточно:

1. Демонтировать имеющееся колесо с лопастями ротора. Поставив вместо них колесо с лопастями большего размера и объема, с увеличением диаметра ротора и захвата большей площади ветрового потока. Основа ветродвигателя - ось с другими конструкционными механизмами остаются прежними.

2. Также можно сменив имеющееся колесо с лопастями и закрепить на этой же вертикальной оси колесо с другим, большим количеством лопастей и большим диаметром колеса, что также существенно увеличит мощность ветродвигателя.

У других вертикальных ВЭУ для увеличения мощности реально, фактически нужно изготавливать другой ротор ветродвигателя, большего размера, что значительно, гораздо затратнее. Лопасти можно изготовить из металла, пластмасс.

Соединяются лопасти и другие компоненты ротора либо сваркой, либо склеиванием, либо механическим скреплением саморезами, болтами.

Заявленная группа изобретений относится к области ветроэнергетики, к ветродвигателям с осью вращения, перпендикулярной воздушному потоку. Лопасти выполнены в виде трехмерной объемной геометрической фигуры, образованной усечением секущей плоскостью по линии малой оси прямого эллиптического полого цилиндра, с ограничением оснований плоскостями. Вертикальный край открытой части лопасти соединяют с цилиндрической поверхностью аналогичной лопасти, которую также вертикальным краем соединяют с цилиндрической поверхностью следующей по окружности лопасти. Лопасти присоединяют в необходимом количестве равноудаленно от оси в одной плоскости, замыкая окружность из лопастей, с образованием конструкции в виде колеса из лопастей составной части ротора ветродвигателя. Техническим результатом является повышение эффективности отбора кинетической энергии у ветрового потока. 3 н.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ соединения лопастей в роторе ветродвигателя с осью вращения, перпендикулярной направлению ветра,

отличающийся тем, что лопасти в виде трехмерной объемной геометрической фигуры, образованной усечением секущей плоскостью по линии малой оси прямого эллиптического полого цилиндра, с ограничением оснований плоскостями соединяют способом, при котором вертикальный край открытой части лопасти соединяют с цилиндрической поверхностью аналогичной лопасти, которую также вертикальным краем соединяют с цилиндрической поверхностью следующей по окружности лопасти, и в такой же последовательности присоединяют другие лопасти в необходимом количестве равноудаленно от оси в одной плоскости, замыкая окружность из лопастей, с образованием конструкции в виде колеса из лопастей составной части ротора ветродвигателя.

2. Ротор ветродвигателя с осью вращения, перпендикулярной воздушному потоку, содержащий лопасти цилиндрической формы,

отличающийся тем, что образован соединением цилиндрических поверхностей лопастей в виде трехмерной объемной геометрической фигуры, образованной усечением секущей плоскостью по линии малой оси прямого эллиптического полого цилиндра, ограниченного в основаниях плоскостями способом, при котором вертикальный край открытой части лопасти соединяют с цилиндрической поверхностью аналогичной лопасти, которую также вертикальным краем соединяют с цилиндрической поверхностью следующей по окружности лопасти, и в такой же последовательности присоединяют другие лопасти в необходимом количестве равноудаленно от оси в одной плоскости, замыкая окружность из лопастей, с образованием конструкции в виде колеса из лопастей, объединенного скрепляющими элементами в одно устройство с осью ветродвигателя.

3. Ротор ветродвигателя с осью вращения, перпендикулярной воздушному потоку, содержащий лопасти цилиндрической формы,

отличающийся тем, что образован соединением цилиндрических поверхностей лопастей в виде трехмерной объемной геометрической фигуры, образованной усечением секущей плоскостью по линии малой оси прямого эллиптического полого цилиндра, ограниченного в основаниях плоскостями способом, при котором вертикальный край открытой части лопасти скрепляют с цилиндрической поверхностью аналогичной лопасти, которую в свою очередь также вертикальным краем скрепляют с цилиндрической поверхностью следующей по окружности лопасти, и в такой же последовательности присоединяют другие лопасти в необходимом количестве равноудаленно от оси в одной плоскости, замыкая окружность из лопастей, с образованием конструкции в виде колеса из лопастей, объединенного скрепляющими элементами в одно устройство с осью ветродвигателя, при этом в нижнем и верхнем основаниях ротора закреплены диски.