ВЕТРОКОЛЕСО

Ветроколесо относится к области механики, в частности к элементам ветряного двигателя.
Интенсивное использование энергоресурсов, в частности тепловых, заставляют искать альтернативные источники электроэнергетики. Особенно в малонаселенных пунктах, которые отдалены от силовых линий электропередач (ЛЭП) и потребляют электроэнергию в сравнительно небольших объемах, нужны местные малозатратные энергоэлектрические установки, способные использовать природные факторы, это и водо- и ветроэнергетические установки.
Ветряной двигатель - это двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической и электрической энергии. В качестве рабочего органа, воспринимающего давление ветрового потока и преобразующего его в механическую энергию вращения вала, применяют различные устройства, в том числе и ветровое колесо. В зависимости от типа рабочего органа и относительно направления ветра наиболее эффективны ветряные двигатели крыльчатого типа разной конструкции. Крыльчатые ветродвигатели, у которых ось ветроколеса горизонтальна и параллельна направлению ветропотока, получили преимущественное распространение, т.к. у них наибольший по сравнению с другими конструкциями ветродвигателей (карусельного, роторного, барабанного типа) коэффициент использования энергии ветра -ξ, достигающий 0,48 и более надежны в эксплуатации. Т.к. лопасть наконечников крепления к ступице называется крылом, то и ветродвигатели такого типа называются крыльчатыми. Наиболее быстроходны крыльчатые ветродвигатели, имеющие малое число крыльев-лопастей. Ветроколесо с небольшим числом лопастей состоит из ступицы и лопастей, соединенных с нею жестко под некоторым углом.
В технике ветродвигателей самым важным узлом является конструкция ветроколеса, осуществляющая превращение энергии ветра в механическую энергию, например, известна конструкция решения «Ветроколесо Ювенала» п. РФ №1834416, дата публикации 20.11.95 г., МПК F03D 1/06, содержит две изогнутые и наклоненные к горизонтальной оси вращения лопасти, которые изогнуты по конической спирали, имеют округленные кромки и соединены между собой с образованием двухзаходного шнека. При набегании ветра на внутренние конические поверхности лопастей создается усилие в направлении вращения с образованием выходных реактивных струй, что повышает эффективность колеса.
Недостатками такой конструкции ветроколеса являются: большое лобовое сопротивление. При переменных направлениях ветрового потока в короткие промежутки времени, вращение ветроколеса неэффективно, т.к. требуется постоянная встреча лопастями лобового направления ветра. При малых размерах лопастей кпд низкий, при больших размерах - большая нагрузка на лопасти. Что может приводить к поломкам либо лопастей либо горизонтальной оси..
Известно другое техническое решение. Согласно п. РФ №2124649, дата публикации 10.01.1999 г., F03D 3/06 «Ветроколесо Денисова-Дубовского», содержащее трубчатый горизонтальный вал и жестко закрепленный на нем вращающий элемент, выполненный в виде двух соосно расположенных с возможностью синхронного вращения в противоположных друг относительно друга направлениях приводных дисков, ось вращения которых перпендикулярна горизонтальному валу, и кольцевого кожуха по окружностям дисков с зазорами к поверхностям дисков. Горизонтальный вал проходит между дисками и соединен с кольцевым кожухом. Положение оси вращения дисков, которое перпендикулярно горизонтальному валу, жестко зафиксировано на горизонтальному валу посредством редуктора привода и кольцевого кожуха. Соосное вращение дисков относительно друга направлениях осуществляется посредством вала привода, проходящего внутри трубчатого горизонтального вала и редуктора привода.
Работа ветроколеса данной конструкции осуществляется следующим образом. При размещении ветроколеса в потоке ветра осуществляется вращение дисков вместе с валом привода редуктора, приводящего во вращение вал привода, размещенный в неподвижном трубчатом горизонтальном валу.
Недостатками такой конструкции являются: неэффективность конструкции, т.к. в конечном итоге вращается вал привода за счет редуктора, непонятного какого, зубчатого червячного, расположенного внутри неподвижного трубчатого горизонтального вала, конструкция нетехнологичная большое усилие на редуктор. Диски вращения захватывают ветер малой площадью если торец дисков расположен в направлении ветра, и большое ветросопротивление если диски находятся перпендикулярно направлению ветра.
Техническим результатом предложенной конструкции ветроколеса является: повышение эффективности использования ветроколеса за счет эффективного захвата, наличием зазоров между крыльями лопастей, создающих дополнительную подъемную силу, а также повышение технологичности и экономичности конструкции.
Этот результат достигается тем, что в конструкцию ветроколеса, содержащего неподвижную горизонтальную ось с размещенными на ней вращающимися ветровоспринимающими элементами, введена Т-образной формы ступица, выполненная в виде центрального трубчатого наконечника и перпендикулярных к нему Т-образных трубчатых наконечников, с двух сторон на равных расстояниях от центрального наконечника ступицы на противоположных концах Т-образных наконечников ее прикреплены своими трубчатыми фланцами две втулки, установленные под углом к плоскости вращения, к которым прикреплены параллельно к их осям ветровоспринимающие элементы, выполненные в виде прикрепленной к втулке трубки с закрепленными на ней зазорами по обе ее стороны двумя вогнутами дугообразными крыльями, при этом в центральном наконечнике ступицы закреплена трубка, внутри которой размещена оправа с подшипниками, во внутренних кольцах которых расположена неподвижная горизонтальная ось, а втулки, установленные под углом к плоскости вращения, расположены под разными углами в противоположных направлениях к плоскости вращения, причем втулки, закрепленные на Т-образных наконечниках и расположенные под разными углами к плоскости вращения, установлены одна из них под углом 35-40°, а вторая - под углом 30°, каждая пара вогнутых крыльев ветровоспринимающих элементов закреплена на концах трубки посредством полухомутов-скоб, ступица с закрепленной на ней трубкой, втулки, прикрепленные к наконечникам Т-образной ступицы, трубки с закрепленными на них крыльями изготовлены из полимерного материала, предпочтительно из винипласта.
Сущность предложенного объекта-устройства как технического решения выражается в совокупности существенных признаков, достаточной для достижения обеспечиваемого решения технического результата.
Существенными признаками, совпадающими с признаками прототипа, являются: А - наличие неподвижной горизонтальной оси с размещенными на ней вращающимися ветровоспринимающими элементами.
Существенными отличительными признаками предложенного устройства являются: Б - в конструкцию ветроколеса введена Т-образной формы ступица, выполненная в виде центрального трубчатого наконечника и перпендикулярных к нему Т-образных трубчатых наконечников; В - с двух сторон на равных расстояниях от центрального наконечника ступицы на противоположных концах Т-образных наконечников ее прикреплены своими трубчатыми фланцами две втулки, установленные под углом к плоскости вращения, к которым прикреплены ветровоспринимающие элементы; Г - ветровоспринимающие элементы выполнены в виде прикрепленной к втулке трубки с закрепленными на ней с зазорами по обе стороны трубки двумя дугообразными вогнутыми крылами; Д - в центральном наконечнике ступицы закреплена трубка, внутри которой размещены оправа с подшипниками, во внутренних кольцах которых расположена неподвижная горизонтальная ось; Е - втулки установленные под углом к плоскости вращения, расположены под разными углами в противоположных направлениях к плоскости вращения.
Частные отличительные признаки: Ж - втулки, закрепленные на Т-образных наконечниках и расположенные под разными углами к плоскости вращения, установлены одна из них - под углом 35°-40°, а вторая - под углом 30°.; И - каждая пара вогнутых крыльев ветровоспринимающих элементов закреплена на концах трубки посредством полухомутов-скоб; К - ступица с закрепленной на ней трубкой, втулки, прикрепленные к наконечникам Т-образной ступицы, трубки с закрепленным на них крыльями изготовлены из полимерного материала, предпочтительно из винипласта.
Устройство «Ветроколесо» отражено на чертежах фиг.1 и 2. а также в Приложении на фотографии конструкции макета устройства.
На фиг.1 показан главный вид.
На фиг.2 показан вид сверху.
Ветроколесо содержит Т-образной формы ступицу 1 фиг.1, включающую центральный трубчатый наконечник 2 и перпендикулярно расположенные к последнему Т-образные трубчатые наконечники 3, 4 фиг.2, к которым прикреплены своими цилиндрическими фланцами втулки 5, 6, расположенные под углом к плоскости вращения PP. Параллельно втулкам установлены и закреплены на них трубки 7, 8, точнее их геометрические оси параллельны друг другу. На каждой из трубок 7, 8 на их концах жестко закреплены с зазорами 9, 10 ветровоспринимающие элементы, выполненные в виде двух вогнутых дугообразных крыльев-лопастей 11, 12, размещенных по обе стороны несущей лопасти трубки. На центральном трубчатом наконечнике 2 ступицы 1 прикреплена трубка 13 фиг.1, внутри которой размещена металлическая оправа 14 с подшипниками качения 15, 16. Во внутренних кольцах подшипников 15. 16 размещена горизонтальная неподвижная ось 17. Втулки 5, 6, закрепленные на противоположных концах Т-образных наконечников 3, 4, установлены под разными углами в противоположных направлениях к вертикальной (перпендикулярной к неподвижной горизонтальной оси) плоскости вращения РР ветроколеса, а, следовательно, и под углом к горизонтальной оси. Причем одна из них установлена под углом 35-40°, а вторая - под углом 30-35°. Каждая пара вогнутых крыльев 11, 12 ветровоспринимающих элементов закреплена на концах трубок 7, 8 посредством полухомутов - скоб 18, огибающих трубки, и своими отогнутыми частями скрепляют винтами с гайкой с разных сторон крылья 11. 12. Элементы ветроколеса: ступица 1, втулки 5, 6, трубки 7, 8, несущих крылья-лопасти, ветровоспринимающих элементов, крылья-лопасти 11, 12, трубка 13, в которой размещена в подшипниках горизонтальная ось 17, изготовлены из полимерного материала, предпочтительно из винипласта..
Работа ветроколеса заключается в следующем. Ветровой поток направлен на вогнутые дугообразные (в сечении) лопасти-крылья, которые установлены под углом к направлению ветра. Поток ветра идет по вогнутому желобу крыльев, частично проходит через зазоры между несущей крыльев трубки, огибает с противоположной (выпуклой) стороны крыло и создает еще дополнительную подъемную силу, повышая эффективность вращения и кпд ветроколеса. Причем улавливая меняющееся в коротком промежутке времени направления ветра и его порывы разного направления, т.к. направление ветра - это не есть постоянное его действие даже в коротком промежутке времени.
.Использование устройства «Ветроколесо» по сравнению с прототипом позволяет повысить эффективность эксплуатации ветроколеса, кпд устройства, широкий захват ветрового потока с компенсационным проходом потока через зазоры между лопастями-крыльями и несущей их трубкой, обтекании его по выпуклой части крыльев, создавая дополнительную подъемную силу крыла. Кроме того, конструкция экономичная и технологичная, может быть изготовлена на оборудовании малого предприятия, материал конструкции ветроколеса доступен и не требует сложных механических операций. Конструкция устройства ветроколеса прошла макетные испытания, показала легкий бесшумный ход и хорошую ветроустойчивость. Следовательно, устройство «Ветроколесо» предложенной конструкции промышленно применимо и может быть применено в различных регионах страны, в населенных пунктах с малым количеством населения и, конечно при наличии регулярного ветропотока.