ВЕТРОКОЛЕСО

Полезная модель относится к ветроэнергетике и предназначена преимущественно к применению в местностях с невысокими скоростями ветра.
Из описания к патенту Российской Федерации на изобретение №2254495 МПК 7 F 03 D 7/06, публ. 2005 г., известна ветроустановка, которая состоит из мачты, основания, поворачивающегося под действием ветра относительно вертикальной оси мачты, паруса, воспринимающего поток ветра, и механизмов поворота паруса относительно горизонтальной и вертикальной его осей. Каждый из механизмов поворота паруса относительно горизонтальной и вертикальной осей кинематически посредством шарнирно соединенных с основанием и друг с другом рычагов и тяги связан с рабочим органом установки, например тросом. Недостаток ветроколеса этой ветроустановки - конструктивная сложность и невысокий коэффициент использования силы ветрового потока.
Патентом Российской Федерации на изобретение №2248466, МПК 7 F 03 D 7/06, публ. 2005 г., защищен ветродвигатель планетарного типа, который включает вращающуюся на основании раму с подвижными лопастями и поворотный вал, причем лопасти связаны с поворотным валом передаточным механизмом с постоянным отношением 1:2, при этом поворотный вал снабжен подвижно установленным флюгером и связан с ним управляющим устройством, состоящим из кривошипно-ползунного механизма, шатуна, регулирующей пластины и возвратной пружины, а в качестве передаточного механизма использована ременная зубчатая передача. Недостаток ветроколеса такого ветродвигателя - конструктивная сложность и невысокий коэффициент использования силы ветрового потока.
Из описания к патенту Российской Федерации на полезную модель №46817, МПК 7 F 03 D 5/02, публ. 2005 г., известен ветродвигатель, содержащий ветровоспринимающие рабочие органы, установленные на горизонтально расположенном валу и состоящие из симметрично расположенных идентичных лопастей, отличающийся тем, что идентичные лопасти выполнены из гибкого материала и шарнирно закреплены передней (входящей) кромкой на луче и упругом гибком элементе, причем задняя (выходная) кромка не закреплена и при взаимодействии с ветром образует реактивную щель, при этом количество идентичных лопастей не ограничено, а их геометрическая форма позволяет полностью перекрыть сметаемую площадь.
Наиболее близким заявляемому техническому решению, принятым в качестве прототипа, является ветроколесо, известное из патента Российской Федерации на полезную модель №8417, МПК 6 F 03 D 1/00, публ. 1998 г.и содержащее множество равномерно расположенных лучевых валов, жестко закрепленных на оси вращения ветроколеса, совпадающей с направлением ветра, на которых расположены мягкие крылья, обеспечивающие вращение колеса. Расходящиеся концы лучевых валов ветроколеса соединены упругим тросом по периметру и каждое мягкое крыло прикреплено одной кромкой к тросу, а другой - к лучевому валу последовательно от одного рабочего органа к другому.
Общими признаками прототипа с заявляемым техническим решением являются:
- наличие множества равномерно расположенных лучевых валов;
- закрепление лучевых валов на оси вращения ветроколеса;
- наличие мягких крыльев (парусов), каждое из которых закреплено передней кромкой на лучевом валу,
Недостаток прототипа - невысокий коэффициент использования силы ветрового потока, так как лопасти расположены в одной плоскости.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели - повышение коэффициента использования силы ветрового потока при малых скоростях ветра и повышение надежности работы ветроколеса при усилении ветрового потока.
Технический результат от использования полезной модели достигается тем, что в ветроколесе, содержащем множество равномерно расположенных лучевых валов, закрепленных на горизонтальной оси вращения, на которых закреплены паруса, каждый из которых прикреплен передней кромкой к соответствующему лучевому валу. Дополнительно на свободном конце каждого лучевого вала закреплен кронштейн в плоскости, перпендикулярной оси лучевого вала, и каждый парус верхней кромкой соединяет лучевой вал, со свободным концом кронштейна, закрепленного на соседнем лучевом валу, при этом такое соединение лучевого вала с кронштейном соседнего лучевого вала осуществлено последовательно по периметру. Длина кронштейна равна  где R - длина лучевого вала, N - количество лучевых валов. Свободный конец каждого лучевого вала соединен упругим соединением с свободным концом кронштейна, закрепленного на соседнем лучевом валу, при этом такое соединение осуществлено также последовательно по периметру. Каждый лучевой вал
закреплен на оси вращения ветроколеса шарнирным соединением с возможностью поворота в плоскости, проходящей через осевую линию лучевого вала и осевую линию оси вращения ветроколеса, а кронштейн закреплен на лучевом валу шарнирно с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной оси лучевого вала. Лучевые валы закреплены шарнирно на ступице, которая соединена с осью вращения ветроколеса жестко, а также - с помощью рычажного шарнира с ползуном, имеющего возможность продольного перемещения по оси, а ступица и ползун соединены друг с другом упругим соединением.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 схематично изображена конструкция заявленного ветроколеса, вид спереди со стороны надува ветра, на фиг.2 - вид по стрелкам А-А, на фиг.3 - показан вид крепления верхних кромок парусов и упругих соединений с помощью кронштейнов, на фиг.4 - показан вид сбоку при максимальном отклонении лучевых валов под действием сильного ветра, на фиг.5 показано крепление передней кромки мягкого крыла к лучевому валу при помощи кармана, формирующего аэродинамический профиль паруса, на фиг.6 схематично изображено отличие положения верхней кромки мягкого крыла в заявленном ветроколесе от прототипа, на фиг.7 показан вариант крепления кронштейна к лучевому валу, на фиг.8 приведен геометрический расчет величины верхней кромки паруса при различных углах его отклонения ψ от плоскости вращения ветроколеса.
На фиг.1...8 цифрами и буквами обозначены:
1 - ось вращения ветроколеса;
2 - парус;
3 - лучевой вал;
4 - верхняя кромка паруса;
5 - нижняя кромка паруса;
6 - элемент крепления нижней кромки паруса и шарнирного рычага к лучевому валу;
7 - задняя кромка паруса;
8 - ступица, жестко закрепленная на оси вращения ветроколеса;
9 - ползун, установленный на оси вращения ветроколеса;
10 - шарнирный рычаг;
11 - упругий элемент соединения ступицы и ползуна;
12 - кронштейн, закрепленный на свободном конце лучевого вала;
13 - упругое соединение лучевого вала с кронштейном;
14 - лучевой карман передней кромки паруса;
15 - элемент крепления кронштейна к лучевому валу;
16 - ось шарнирного соединения кронштейна с лучевым валом;
В - положение лучевых валов при малых скоростях ветра;
С - положение лучевых валов при сильном ветровом потоке;
L - длина кронштейна;
R - длина лучевого вала;
Р - расстояние между свободными концами лучевых валов;
D - длина верхней кромки паруса;
ψ - угол отклонения верхней кромки паруса от плоскости вращения ветроколеса.
Заявленное ветроколесо (фиг.1...8) содержит множество равномерно расположенных лучевых валов 3, закрепленных шарнирным соединением на ступице 8 с возможностью поворота в плоскости, проходящей через осевую линию лучевого вала 3 и осевую линию оси 1 и совпадающей с направлением ветра. На свободном конце каждого лучевого вала 3 закреплен кронштейн 12 в плоскости, перпендикулярной оси лучевого вала 3. На каждом лучевом валу 3 расположены паруса 2, каждый из которых прикреплен передней кромкой 14 к соответствующему лучевому валу 3, а верхней 4 и задней 7 кромками - к свободному концу кронштейна 12, закрепленного на соседнем лучевом валу 3, соединенного также упругим соединением 13 со свободным концом последующего лучевого вала. Нижняя 5 и задняя 7 кромки паруса 2 закреплены на элементах крепления 6 соседнего лучевого вала 3. Элементы крепления 6 каждого лучевого вала 3 соединены с помощью рычажного шарнира 10 с ползуном 9, соединенного со ступицей 8 упругим соединением 11. При этом такие соединения всех кромок парусов 2, лучевых валов 3, кронштейнов 12, упругих соединений 13, элементов крепления 6 и рычажного шарнира осуществляется последовательно по периметру. Благодаря наличию кронштейна 12 между задней кромкой паруса 2 образована реактивная щель, через которую происходит отекание ветрового потока с поверхности паруса. Длина кронштейна выбирается равной  где R - длина лучевого вала, N - количество лучевых валов. Парус 2 передней кромкой 14 (фиг.5), выполненной в виде кармана, надета на лучевой вал 3. Верхняя кромка 4 паруса 2 соединяет свободный конец лучевого вала 3 со свободным концом кронштейна 12 (фиг.6). Кронштейн 12 посажен на ось 16 элемента 15 лучевого вала 3 шарнирно с возможностью
разворота в плоскости, перпендикулярной оси лучевого вала 3. Пример такого соединения приведен на фиг.7. Упругие соединения 11 и 13 могут быть выполнены в виде пружин. Верхняя, задняя и нижняя кромки парусов усилены (армированы).
Ветродвигатель работает следующим образом.
При напоре воздушного потока на парусах образуется аэродинамическая сила, которая приводит во вращение ветроколесо. Каждый парус 2 за счет реактивной щели, образуемой за счет крепления верхней кромки 4 к кронштейну 12, увеличивает величину ламинарного потока на последующем парусе, увеличивая тем самым аэродинамическую силу этого паруса. Это особенно важно при малых скоростях ветра. Авторы экспериментально установили, что наибольшая эффективность ветроколеса достигается при угле ψ=10°÷30° между плоскостью паруса и плоскостью вращения ветроколеса. При достижении скорости ветра, при котором ветроколесо достигает требуемой скорости вращения, возрастает давление на паруса 2 и лучевые валы 3 и через рычажный шарнир 10 и ползун 9 на упругое соединение 11, которое начинает растягиваться и ползун 9 смещается по оси 1, в результате чего лучевые валы 3 изменяют свой угол к ветровому потоку в сторону увеличения, одновременно увеличивается угол установки парусов 2 к ветровому потоку, что приводит к снижению аэродинамической силы всего ветроколеса, а, следовательно, стабилизируется рост скорости вращения ветроколеса. Появившиеся в результате уменьшения диаметра ветроколеса ослабление натяжения верхней 4, задней 7 и нижней 5 кромок парусов 2 восстанавливаются за счет поворота кронштейнов 12 на оси 16, который обеспечивается наличием упругих соединений 13 (фиг.4). Таким образом удается удержать скорость ветроколеса в заданных пределах. При сильном ветре лучевые валы 3 изменяют свой угол к ветровому потоку в сторону увеличения до такой степени, что практически весь набегающий поток будет скользить по парусам, предотвращая неуправляемое увеличение аэродинамической силы и разрушение ветроколеса. При уменьшении скорости ветра уменьшается давление на паруса 2 и лучевые валы 3 при этом упругое соединение 11 через рычажный шарнир 10 возвращает ползун 9, лучевые валы 3 и паруса 2 в исходное положение.
Достоинствами данного ветроколеса являются:
- максимальное использование сметаемой площади, что особенно важно при низко потенциальном ветровом потоке,
- эффективное использование реактивной щели между парусами для увеличения КПД,
- решение вопроса неуправляемого увеличения аэродинамической силы, возникающей при увеличении скорости воздушного потока за счет изменения угла лучевых валов и парусов к набегающему потоку воздуха,
- повышение устойчивости к разрушению и надежности в работе. Ветроколесо по патенту на полезную модель №8471 имеет следующие недостатки:
- расположение всех идентичных парусов в одной плоскости, не позволяет иметь сметаемую площадь парусов ветра колеса более 50% полезной площади. Это связанно с тем, что за задней кромкой каждого паруса образуется вихревой поток, который, чем ближе к последующему парусу тем больше уменьшает аэродинамическую силу этого паруса за счет уменьшения ламинарного обтекания паруса, то есть КПД всего ветроколеса;
- реактивная щель реализуется за счет ослабления задней кромки каждого паруса, а это, как известно, приводит к "заполаскиванию" задних кромок парусов, что, естественно, ведет к ускорению износа парусов, а также к снижению эффективности реактивной щели;
- при увеличении скорости ветра аэродинамическая сила каждого паруса увеличивается, что приводит к увеличению скорости вращения ветроколеса и усилению напора на паруса из-за малой реактивной щели до тех пор пока не наступит разрушение ветроколеса.
Заявленное техническое решение лишено этих недостатков.