Ветроколесо
WIND-WHEEL

Изобретение относится к области ветроэнергетики, и может быть использовано для разработки универсальных ветроколес для ветродвигателей с вертикальной осью вращения, осуществляющих преобразование кинетической энергии различных воздушных потоков в приземных слоях атмосферы и тепловых потоков, сбрасываемых в воздушную среду промышленными предприятиями и бытовыми объектами.
Известно ветроколесо, описанное в Патенте РФ №2052659, «ветроколесо ювенала», опубл. 20.01.1996 г., МПК F03D 3/06. Ветроколесо содержит расположенные в горизонтальной плоскости и укрепленные на ступице лопасти, выполненные в виде изогнутых треугольных каналов с объемным расширением к консолям.
Недостатком такого ветроколеса является недостаточно полное преобразование и использование кинетической энергии вихревого движения воздушных масс.
Известно ветроколесо, описанное в Патенте РФ на изобретение №2602661, опуб. 20.11.2016, МПК F03D 3/04, F03D 9/37), принятое за прототип. Ветроколесо выполнено коническим с криволинейными лопастями по конической спирали Архимеда с лемнискатным профилем сечений, направленными против часовой стрелки со стороны меньшего основания ветроколеса.
Однако формирование криволинейных рабочих каналов между лопастями такого ветроколеса достаточно трудоемко в изготовлении и контроле их профилей, а также не может создавать достаточных условий для эффективного вихреобразного развития воздушных потоков в рабочих полостях ветроустановки.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности использования кинетической энергии ветровых и тепловых потоков при условиях горизонтальных ветровых потоков, упрощение изготовления и контроля геометрических параметров основных элементов ветроколеса.
Поставленная задача решается за счет того, что ветроколесо, содержащее криволинейные лопасти, образующие спиралевидные конические винтовые диффузорные каналы, направленные против часовой стрелки со стороны нижнего основания, дополнительно содержит верхнее основание, причем верхнее и нижнее основания выполнены в виде торцевых фланцев, поверхность, образованная при вращении ветроколеса вокруг вертикальной оси, ометаемая криволинейными лопастями, образована в виде усеченного конуса, причем
D/(D-d)=l,06, где:
D - диаметр верхнего основания усеченного конуса,
1
d=d диаметр нижнего основания усеченного конуса, а
Н=0,287D, где:
Н - общая высота усеченного конуса ометаемой поверхности (воронки)
D - диаметр верхнего основания усеченного конуса
криволинейные лопасти выполнены из листового материала, каждая криволинейная лопасть крепится одновременно к верхнему и нижнему торцевым фланцам дифференциальной ступицы с центральной втулкой, причем
1
2
h=d+d<H, а
2
1
d/d=13/8 где:
h - высота ступицы с втулкой;
1
d - диаметр нижнего торцевого фланца;
2
d - диаметр верхнего торцевого фланца;
Н - общая высота усеченного конуса, а
точка крепления каждой криволинейной лопасти к верхнему торцевому фланцу дифференциальной ступицы смещена по часовой стрелке относительно крепления лопасти к нижнему торцевому фланцу на угол равный π/2.
при этом опорные диаметры поперечных сечений спиралевидных конических винтовых диффузорных каналов, по высоте ветроколеса установлены по числовой последовательности дробей ряда развития 5/3; 8/5; 13/8; 21/13; 34/21; 55/34; 89/55.
На фиг. 1 представлен общий вид ветроколеса.
На фиг. 2 представлен вид сверху.
Ветроколесо, содержит криволинейные лопасти 1, образующие спиралевидные конические винтовые диффузорные каналы 4, направленные против часовой стрелки со стороны нижнего основания 3, выполненного в виде торцевого фланца 6. Ветроколесо дополнительно содержит верхнее основание 2 в виде торцевого фланца 5. Поверхность, образованная при вращении ветроколеса вокруг вертикальной оси, ометаемая криволинейными лопастями 1, образована в виде усеченного конуса, причем
D/(D-d)=l,06, где:
D - диаметр верхнего основания усеченного конуса,
1
d=d диаметр нижнего основания усеченного конуса, а
Н=0,287D, где:
Н - общая высота усеченного конуса,
D - диаметр верхнего основания усеченного конуса
криволинейные лопасти 1 выполнены из листового материала, каждая криволинейная лопасть крепится одновременно к верхнему 2 и нижнему 3 основаниям дифференциальной ступицы 7 с центральной втулкой 8, причем
1
2
h=d+d<H, а
2
1
d/d=13/8 где:
h - высота ступицы с втулкой;
1
d - диаметр нижнего торцевого фланца;
2
d - диаметр верхнего торцевого фланца;
Н - общая высота усеченного конуса, а
точка крепления каждой криволинейной лопасти 1 к верхнему торцевому фланцу 5 дифференциальной ступицы 7 смещена по часовой стрелке относительно крепления криволинейной лопасти 1 к нижнему торцевому фланцу 6 на угол равный π/2, при этом, опорные диаметры поперечных сечений спиралевидных конических винтовых диффузорных каналов 4, по высоте ветроколеса установлены по числовой последовательности дробей ряда развития 5/3; 8/5; 13/8; 21/13; 34/21; 55/34; 89/55.
Работает ветроколесо следующим образом.
Разнонаправленные набегающие потоки ветровых и тепловых газообразных масс попадают на криволинейные лопасти 1, образующие спиралевидные конические винтовые диффузорные каналы 4, опирающиеся в осевой зоне на дифференциальную ступицу 7 с втулкой 8 и торцевые фланцы верхний 5 и нижний 6. В осевой зоне под воздействием тангенциальных и осевых составляющих набегающих потоков образуется и развивается общий восходящий циклонический вихрь, взаимодействующий с криволинейными лопастями 1, приводя во вращательное движение ветроколесо и связанные с ним механизмы полезной нагрузки.
Вихревое формирование, развитие и преобразование газовоздушных потоков подчиняется закономерностям развития дробной числовой последовательности: 1/1; 1/2; 2/3; 3/5; 5/8; 8/13; 13/21; 21/34; 34/55; 55/89…=0,618. Предел этой последовательности называется делением в среднем и крайнем отношении или золотым делением (золотым сечением). Золотое сечение показывает, что развитие такой последовательности находится в пределах границ площади вертикального прямоугольного треугольника с углами гипотенузы к вертикали при вершине в 58,282° и основанию 31,715°. При вращении такого прямоугольного треугольника вокруг вертикальной оси образуется ометаемая гипотенузой коническое пространство в объеме, которого находится наиболее эффективное развитие этой дробной числовой последовательности. Закрученная газовоздушная масса в таком пространстве обладает наибольшей энергетической эффективностью, когда она полностью вписывается в объем такого пространства.
Причем конструктивно усеченный конус выполнен с:
D/(D-d)=l,06;
2
1
d/d=13/8;
Н=0,287D
Изготавливается ветроколесо из любого прочного листового материала, позволяя разрабатывать простую технологию изготовления и контроля заготовок всех лопастей из целого плоского листа, с последующей гибкой каждой лопасти и креплению к верхнему фланцу 2 дифференциальной ступицы, при этом сразу образуется допускаемая точность спиралевидных конических винтовых диффузорных каналов и плоских отдельных заготовок лопастей с последующей их плоской сборкой и контролем сборки. Простые геометрические параметры плоской развертки заготовки ветроколеса или отдельных лопастей поддаются достаточно точному их контролю, простая гибка лопастей на дифференциальной ступице обеспечивает требуемую форму межлопаточных каналов. Упрощение изготовления из листового материала и простая геометрия элементов заготовки позволяет использовать прогрессивный технологический метод газоплазменной резки с допускаемой точностью с последующей гибкой и контролем на дифференциальной ступице.
Спиралевидные конические винтовые диффузорные каналы 2 повышают эффективность использования энергии набегающих ветровых и тепловых газовых потоков, за счет использования их тангенциальных и осевых составляющих общих скоростей, а использование прочных, жестких листовых материалов снижает удельную массу и момент страгивания ветроколеса в начале вращения, существенно расширяя диапазон его рабочих режимов.