ОРТОГОНАЛЬНОГО ТИПА

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области нетрадиционной энергетики и может быть использовано в конструкциях ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения, предназначенных для обеспечения электроэнергией электросетей бытового и промыш- ленного назначения, потребляющих электроэнергию малой и сред- ней мощности.

Предшествующий уровень техники

Известен ветрогенератор с вертикальной осью вращения, вклю- чающей ротор, ветроколесо, статор, причем ось вращения ротора и ветроколеса совпадает с вертикальной осью вращения, а также ветроколесо содержит, по меньшей мере, три траверсы, каждая из которых прикреплена одним концом к ротору, на втором конце за- креплена одна вертикально установленная лопасть, имеющая вы- пукло-вогнутый аэродинамический профиль, обращенный своей вы- пуклой частью наружу (от оси вращения ветроколеса). Лопасти мо- гут быть выполнены из алюминия, стекловолокна, стеклотекстолита, текстолита, стеклопластика, эпоксидной смолы или комбинации, по меньшей мере, двух приведенных материалов [см. пат. Украины Ns 110606 по классам МПК ²⁰¹⁶ F03D 3/00, F03D 7/00, Н02К 21/00 опуб- ликованный 10.10.2016 г. в Бюл. Ns 19].

Основным недостатком данного технического решения является недостаточная эффективность использования энергии набегающего воздушного потока, что вызвано установкой лопастей выпуклой ча- стью наружу, а вогнутой - вовнутрь. При вхождении такой лопасти в рабочую зону, воздушный поток сначала попадает на ее вогнутую часть и вызывает торможение лопасти, поскольку выпуклая часть еще находится «в тени» тела лопасти. И только лишь когда лопасть при повороте центральной оси ветроколеса установится парал- лельно воздушному потоку, в ней появляется подъемная сила, вы- зывающая тягу и принудительное вращение всего ветроколеса. Противоположная же лопасть на данном этапе никакого участия в обеспечении вращения ветроколеса не принимает. Из сказанного следует, что только одна лопасть обеспечивает вращение ветроко- леса, то есть использование мощности ветрового потока оказывает- ся минимальным.

Этот недостаток устранен в ветроэнергетической установке с вертикальной осью вращения, включающая ротор, ветроколесо, статор, причем ось вращения ротора и ветроколеса совпадает с вертикальной осью вращения, а также ветроколесо содержит две траверсы, каждая из которых прикреплена одним концом к ротору, на втором конце закреплена одна вертикально установленная ло- пасть, имеющая двояковыпуклый аэродинамический профиль, об- ращенный своей большей выпуклостью вовнутрь (к оси вращения ветроколеса) [см. Международную заявку N° WO 2013/065927 по классу МПК ²⁰⁰⁶ F03D 11/00, F03D 3/06 опубликованную 10.05.2013 года].

Из-за двояковыпуклости лопасти, несмотря на несимметрич- ность выпуклостей, в ней практически отсутствует подъемная сила, «тянущая» лопасть вперед, вызывая вращающий момент, провора- чивающий ветроколесо относительно вертикальной оси его крепле- ния. В данной ветроэнергетической установке вращение ветроколе- ca обеспечивается за счет установки лопасти под углом (угол ата- ки), однако, скорость вращения лопастей в такой ветроэнергетиче- ской установки не превышает скорость набегающего ветрового по- тока, то есть, такие установки считаются тихоходными и использу- ются в качестве ветровых водоподъемников, а для выработки элек- троэнергии они не приспособлены (из-за тихоходности).

Наиболее близкой по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемой за прототип, является ветроэнергетическая установка ортогонального типа (с вертикальной осью вращения), включающая мачту с электрогенератором и ветроколесо, выполненное в виде радиально отходящих от мачты траверс в соединении вала генера- тора с вертикальными лопастями аэродинамического профиля, об- ращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса [см. офици- альный сайт МАП Энергия - ветрогенераторы: ЭНЕРГИЯ ВЕТРА 220. 3) Вертикальные ветрогенераторы с самолетным профилем крыла, пятилопастные [Название с экрана]. - Электронный ресурс. - Режим доступа: www.vetrogenerator.ru. - Вход в сайт 25.12.2018 г. 10 ч. 55 мин.].

Несмотря на то, что разворотом лопастей на 180° (выпуклостью вовнутрь) авторам удалось несколько увеличить активную зону (сек- тор, в котором в лопасти возникает подъемная сила, вызывающая момент вращения ветроколеса), все же, известная ветроэнергети- ческая установка недостаточно использует мощность набегающего ветрового потока. Это связано с тем, что в данной конструкции вы- пуклая часть лопасти «работает» не полностью: в задней части ло- пасти происходит срыв воздушного потока, создается вакуум, кото- рый тормозит лопасть (тянет назад), тем самым снижая крутящий момент. В результате этого аэродинамического явления, данная ветроэнергетическая установка недостаточно использует энергию набегающего ветрового потока, следовательно, для дальнейшего увеличения установочной мощности ветроэнергетической установки необходимо либо увеличивать диаметр ее ветроколеса, либо коли- чество лопастей. Однако, увеличенное ветроколесо также будет те- рять часть энергии ветрового потока по той же причине - несовер- шенства конструкции лопастей: ограниченности их аэродинамиче- ских свойств, а простое увеличение лопастей, не только усложняет конструкцию ветроустановки и балансировку лопастей, но и не мо- жет быть бесконечным, поскольку каждая лопасть будет создавать воздушную тень для последующей, тем самым, практически полно- стью «выключая» из работы «затененную» лопасть.

Вторым недостатком известной ветроэнергетической установки является то, что на каждой траверсе закреплено одинарная ло- пасть, размер (хорда) которой определяет размер активной зоны (сектор, в котором лопасть «работает») В известной установке этот сектор довольно узкий. Увеличить его невозможно, поскольку для этого необходимо увеличивать хорду лопасти, а она, в свою оче- редь, находится в функциональной зависимости с диаметром ветро- колеса: при малом диаметре ветроколеса задняя часть широкой ло- пасти будет тормозить, сводя на «нет» тянущие свойства передней части лопасти, поскольку задняя часть широкой лопасти не будет располагаться параллельно воздушному потоку.

Третьим недостатком известной ветроэнергетической установки является то, что ее лопасти не имеют возможность изменять угол атаки. Если возникнет необходимость, например, изменился про- филь или размер лопасти или имеется специфика ветрового потока, необходимость изменения мощности ветроэнергетической установ- ки, понятно, гораздо экономичнее изменить угол атаки лопасти, чем менять все ветроколесо. Но эта техническая возможность в извест- ном техническом решении упущена.

Решаемая задача

В основу изобретения поставлена задача дальнейшего увели- чения мощности ветроэнергетической установки с вертикальной остью вращения без увеличения ее габаритных размеров за счет увеличения крутящего момента путем изменения конструкции лопа- стей ветроколеса.

Сущность изобретения

Решение поставленной задачи достигается тем, что в ветро- энергетической установке ортогонального типа, включающей мачту с электрогенератором и ветроколесо в виде радиально отходящих от мачты траверс в соединении вала электрогенератора с верти- кальными лопастями аэродинамического профиля, обращенного выпуклостью к оси вращения ветроколеса, согласно предложению, каждая лопасть ветроколеса снабжена дополнительной лопастью с таким же аэродинамическим профилем и величиной хорды, при этом дополнительная лопасть имеет типовой для дозвуковых скоро- стей предкрылок и установлена относительно лопасти выпуклостью к оси вращения со смещением к оси вращения на 1/3 хорды и на 2/3 хорды в сторону вращения ветроколеса, а также каждая лопасть и дополнительная лопасть установлены на траверсе с возможностью изменения их угла атаки с фиксацией выбранного угла.

Благодаря тому, что дополнительная лопасть «прикрывает» и своей вогнутостью изменяет направление воздушного потока, про- исходит прижатие этого воздушного потока к выпуклой части лопа- сти, в результате чего рабочий угол атаки (угол атаки без срыва по- тока) лопасти становится в несколько раз больше, чем у одиночного крыла (прототипа). Благодаря тому, что предкрылок направляет набегающий воздушный поток на выпуклую часть дополнительной лопасти, эффективность работы последней также увеличивается по той же причине. Таким образом, дополнительная лопасть с пред- крылком, в совокупности с лопастью, увеличивают сектор активной работы лопасти без увеличения диаметра ветроколеса, обеспечи- вая увеличение крутящего момента, а значит - и установочную мощность предложенной ветроэнергетической установки. Смеще- ние дополнительной лопасти на 1/3 хорды к оси вращения и на 2/3 хорды лопасти в сторону вращения ветроколеса является опти- мальным и подобрано опытным путем. Любые другие уровни сме- щения, даже незначительные, заметно снижают скорость вращения ветроколеса, а значит, и крутящий момент. Установка лопастей с возможностью изменения угла атаки расширяет технико- функциональные возможности предложенной ветроэнергетической установки.

Перечень фигур иллюстративных материалов

Дальнейшая сущность изобретения поясняется совместно с ил- люстрационным материалом, на котором изображено следующее:

Фигура 1 - внешний вид предложенной ветроэнергетической установки ортогонального типа;

Фигура 2 - фрагмент ветроколеса, в частности, расположение в пространстве лопасти, дополнительной лопасти и предкрылка, вид сверху.

Описание предпочтительного варианта изобретения

Предложенная ветроэнергетическая установка ортогонального типа содержит ветроколесо с траверсами 1 , каждая из которых при- креплена одним концом к оси вращения 2. На втором (консольном) конце траверсы 1 закреплена вертикально установленная лопасть 3, имеющая выпукло-вогнутый аэродинамический профиль, обращен- ный своей выпуклой частью вовнутрь ветроколеса. Лопасть 3 ветро- колеса снаружи снабжена дополнительной лопастью 4 аэродинами- ческого профиля, смещенной вперед в сторону вращения ветроко- леса на 2/3 хорды и на 1/3 хорды к оси вращения 2. В свою очередь, дополнительная лопасть 4 снабжена предкрылком 5 (типичной формы и размеров для предкрылков), установленным на некотором расстоянии от носовой части этой дополнительной лопасти 4.

Ось вращения 2 одновременно является валом ротора электро- генератора 6. Статор электрогенератора 6 неподвижен и связан с мачтой 7 ветроэнергетической установки. Ротор электрогенератора 6 связан с ветроколесом через ось вращения 2 и вращается вместе с ним. При вращении ветроколеса, вращается ось 2, вместе с ней и ротор электрогенератора 6, вырабатывая электроэнергию.

Каждая лопасть 3 и дополнительная лопасть 4 установлены на траверсе 1 с возможностью изменения их угла атаки, для чего они могут поворачиваться относительно осей 8 по пазам 9 с фиксацией в выбранной положении.

Предложенная ветроэнергетическая установка ортогонального типа работает следующим образом.

Набегающий воздушный поток воздействует на лопасть 3 вет- роколеса. Благодаря ее аэродинамическому профилю, воздушный поток огибает выпуклую часть лопасти, вызывая появление подъ- емной силы, которая тянет лопасть вперед, обеспечивая вращение ветроколеса. В обычной лопасти, на нисходящей части ее выпукло- сти возникает разряжение (вакуум), из-за которого эта часть лопасти «не работает», поскольку в ней не возникает подъемная сила. Это негативное явление предупреждает дополнительная лопасть 4, ко- торая своей вогнутой частью направляет воздушный поток на хво- стовую часть лопасти 3, благодаря чему, в последней появляется подъемная сила по всей длине выпуклой части лопасти 3. Поскольку дополнительная лопасть выполнена также выпукло-вогнутой, на ее выпуклой части также возникает подъемная сила, обеспечивающая дополнительный вращающий момент ветроколесу. Таким образом, дополнительная лопасть 4 своей вогнутой частью обеспечивает увеличение подъемной силы в лопасти 3, а своей выпуклой частью создает дополнительную подъемную силу. Предкрылок 5 защищает дополнительную лопасть 4 от срыва воздушного потока, что обес- печивает работу ее выпуклой части. К тому же, предкрылок 5 направляет воздушный поток на выпуклую часть дополнительной лопасти 4, обеспечивая в ней возникновение дополнительной подъ- емной силы. Лопасть 3, дополнительная лопасть 4 и предкрылок 5, работая совместно, увеличивают активную (рабочую) зону (сектор) и суммарную аэродинамическую силу, поэтому общая мощность ветроэнергетической установки возрастает без увеличения диамет- ра ветроколеса и количества лопастей по его диаметру.

Опытный образец предложенной ветроэнергетической установ- ки был изготовлен и испытан. Ветроколесо с такими (спаренными) лопастями вращается в два раза быстрее, чем ветроколесо, взятое за прототип (размеры и площадь образцов одинаковы). Активный сектор работы лопастей в предложенной ветроэнергетической уста- новке стал шире примерно в два раза. Если лопасти и предкрылок сблизить или отдалить, сместить вперед или назад от найденных опытным путем размеров, аэродинамическая подъемная сила резко снижается, что заметно сказывается на скорости вращения ветро- колеса, следовательно, и на мощности ветроэнергетической уста- новки.

Существенное отличие заявленного технического решения, от ранее известных, заключается в том, что лопасть ветроколеса снабжена дополнительной лопастью, установленной от нее со сме- щением в двух направлениях, и дополнительная лопасть, в свою очередь, снабжена типовым предкрылком. Указанная система лопа- стей, в совокупности, дополняя друг друга, обеспечивают расшире- ние активной зоны работы лопастей за счет максимально возможно- го использования их аэродинамического профиля. В результате это- го, скорость вращения и мощность ветроэнергетической установки возрастает без увеличения размеров ветроколеса и количества ло- пастей. Ни одна из известных ветроэнергетических установок орто- гонального типа не могут обладать указанными свойствами, по- скольку не содержат в своем составе всей совокупности существен- ных признаков, присущих заявленному техническому решению.

Технические преимущества изобретения

К техническим преимуществам заявленного технического реше- ния, по сравнению с прототипом, можно отнести следующее:

- увеличение крутящего момента лопасти за счет отсутствия на гораздо больших углах атаки срыва воздушного потока;

- увеличение мощности ветроэнергетической установки за счет увеличения суммарной подъемной силы лопастей без увеличения размеров установки и количества лопастей;

- расширение технических возможностей за счет возможности регулировки угла атаки лопастей и дополнительных лопастей;

- снижение вибрации и аэродинамического шума за счет урав- новешенности системы лопастей. Экономический эффект от внедрения предложенного техниче- ского решения по сравнению с использованием прототипа, получа- ют за счет универсальности рабочих органов (все лопасти имеют одинаковый аэродинамический профиль), а также за счет того, что для получения большей электрической мощности, нет необходимо- сти увеличивать размеры ветроэнергетической установки или усложнять ее конструкцию.