WIND TURBINE BASED ON SAVONIUS ROTOR (OPTIONS)
Ветротурбина на основе ротора Савониуса (варианты)

Группа изобретений относится к ветроэнергетике, в частности к ветротурбинам с вертикальной осью вращения на основе ротора Савониуса, и предназначена для применения в ветроэнергетической установке совместно с электрическим генератором для независимого от централизованных энергосистем локального производства электрической энергии от возобновляемого источника.
Широколопастные или многолопастные вертикальные турбины для крепления лопастей и предотвращения их деформации, особенно во время динамических нагрузок, а также для эффективной передачи вращательного момента на вал, обязаны иметь еще и дополнительные конструктивные элементы, служащие основанием для фиксации и удержания лопастей турбины, а также крепления их к валу.
Так, известен роторный ветродвигатель, содержащий каркас, закрепленный на нем с помощью подшипников вал и рабочие лопасти, соединенные с валом с возможностью вращения с ним. Рабочие лопасти ротора выполнены в виде пластин с переменной толщиной и шириной, которые в вертикальной плоскости изогнуты по спирали, а в горизонтальной - изогнуты по дуге. (Патент РФ 2210000, опубл. 10.08.2003). В известном решении лопасти крепятся к вертикальному валу посредством стяжек и коромысел. Конструктивная прочность которых и будет ограничивать уровень отбираемой мощности и способность противостоять динамическим нагрузкам при таком способе крепления лопастей. В этом случае ветровое усилие не распределяется равномерно, и сильный порыв ветра способен деформировать или даже надломить стяжку или коромысло в месте крепления к валу.
Известна также ветряная турбина Савониуса с лопастями, закрытыми сверху круглым диском и открытыми внизу, где турбина направляется в решетчатую клетку или Н-образную раму и вращается на 90, 120 или 180 градусов (Патент Германии DE102008052182, опубл. 22.04.2010). Решение является конструктивно сложным и представляется практически труднореализуемым на этапе монтажа.
Известен ротор ветродвигателя, содержащий по крайней мере две лопасти С-образного профиля, закрепленные на вертикальном валу с возможностью поворота на параллельных траверсах, которые жестко связаны с вертикальным валом, причем точка закрепления лопастей находится на оси симметрии лопасти за ее центром тяжести в направлении от вершины С-образного профиля лопасти, которая по крайней мере одной шарнирной тягой связана в одноименных точках с другой лопастью, а каждая из лопастей при помощи кронштейна, жестко связанного с ней, соединена при помощи упругого элемента и натяжной тяги по крайней мере с одной из траверс. (Патент РФ 2135824, опубл. 27.09.1999). Известное решение характеризуется высокой степенью сложности конструкции крепления лопастей между собой и с вертикальным валом.
Известен выбранный в качестве прототипа ротор ветрогенератора, содержащий лопасти, соединенные с валом с возможностью вращения с ним, выполненные из листового металла в виде двух половинок трубы, имеющих срез под углом к оси вращения, располагающийся на внешней кромке лопасти, срезы на следующих друг за другом лопастях выполнены в шахматном порядке, при этом лопасти зафиксированы друг относительно друга с помощью стяжек (Патент РФ 196875, опубл. 18.03.2020). Известное решение не решает проблемы равномерного распределения ветровой нагрузки на все лопасти турбины, при этом стяжки, фиксирующие лопасти относительно друг друга, могут быть подвержены деформации на излом при сильных порывах ветра.
Задача изобретений заключается в создании ветротурбины на основе ротора Савониуса, характеризующейся прочностью и надежностью конструкции, в том числе, при эксплуатации в условиях сильных порывов ветра, несложной и недорогой в производстве.
Технический результат, достигаемый заявляемыми изобретениями, заключается в обеспечении равномерного распределения ветровой нагрузки на все лопасти турбины, снятия части усилий с наиболее уязвимых мест крепления лопастей к валу, а также в существенном снижении скручивающих деформаций лопасти.
Для достижения технического результата ветротурбина на основе ротора Савониуса содержит по меньшей мере три лопасти, закрепленные на вертикальном валу с возможностью вращения с ним, имеющие срез под углом к оси вращения. При этом ветротурбина содержит каркас, состоящий из уложенных в горизонтальной плоскости обвязывающих реек, в количестве, равном числу лопастей, каждая из которых соединяет попарно лопасти в точках крепления, наиболее удаленных от оси вращения, при этом каждая обвязывающая рейка дополнительно скреплена с соединяемой посредством указанной рейки лопастью в месте сквозного горизонтального прохода через данную лопасть; каркас также содержит радиальные рейки, соединяющие обвязывающие рейки с вертикальным валом.
Также заявлена ветротурбина на основе ротора Савониуса, содержащая по меньшей мере три лопасти, закрепленные на вертикальном валу с возможностью вращения с ним. При этом ветротурбина содержит каркас, состоящий из по меньшей мере одного уровня уложенных в горизонтальной плоскости обвязывающих реек в количестве, равном числу лопастей, каждая из которых соединяет попарно лопасти в точках крепления, наиболее удаленных от оси вращения, при этом каждая обвязывающая рейка дополнительно скреплена с соединяемой посредством указанной рейки лопастью в месте сквозного горизонтального прохода через данную лопасть; каркас также содержит радиальные рейки, соединяющие обвязывающие рейки с вертикальным валом.
Заявленные изобретения иллюстрируются фиг.1, на которой представлен вид сверху ветротурбины, а также фиг.2 и фиг.3 – на которых представлены виды сбоку, при этом:
1 – лопасть;
2 – вертикальный вал;
3 – обвязывающая рейка;
4 – точка крепления лопастей, наиболее удаленная от оси вращения;
5 – крепление в месте сквозного горизонтального прохода;
6 – радиальная рейка.
Ветротурбина на основе ротора Савониуса содержит лопасти 1, закрепленные на вертикальном валу 2, имеющие срез под углом к оси вращения, а также каркас, состоящий из обвязывающих реек 3, уложенных горизонтально и соединяющих лопасти 1 попарно в точках крепления лопастей 4, наиболее удаленных от оси вращения вертикального вала 2. Обвязывающая рейка 3 имеет с лопастью 1 дополнительное крепление в месте сквозного горизонтального прохода 5 указанной рейки 3 в лопасти 1. Обязывающие рейки 3 соединены с валом 2 посредством радиальных реек 6.
Ветротурбина на основе ротора Савониуса содержит лопасти 1, закрепленные на вертикальном валу 2, а также каркас, состоящий из по меньшей мере одного уровня обвязывающих реек 3, уложенных горизонтально и соединяющих лопасти 1 попарно в точках крепления лопастей 4, наиболее удаленных от оси вращения вертикального вала 2. Обвязывающая рейка 3 имеет с лопастью 1 дополнительное крепление в месте сквозного горизонтального прохода 5 указанной рейки 3 в лопасти 1.  Обязывающие рейки 3 соединены с валом 2 посредством радиальных реек 6.
Количество лопастей заявленной турбины составляет не менее трех, что определяется конструкцией каркаса: так, попарное соединение наиболее удаленных от вала точек 4 лопастей посредством горизонтальных обвязывающих реек 3 с одновременным проходом сквозь тело лопасти 1 становится возможным только при количестве лопастей большем трех. Благодаря описанной выше конструкции каркаса обеспечивается равномерное распределение ветровой нагрузки на все лопасти ветротурбины и на все точки крепления лопастей к валу, поскольку фиксируется как положение всех лопастей по отношению к друг другу и к валу, так и форма изгиба каждой лопасти.
Следует отметить, что при количестве и форме лопастей, при которых угол между касательной в точках 4 и продольной линией обвязывающей рейки 3, проходящей через сквозное отверстие в лопасти 1, становится менее 20°, эффект от использования каркаса будет снижаться и иметь ограничения либо по ширине рейки, либо по расположению сквозного отверстия. Максимальный положительный эффект наблюдается у ветротурбин с количество лопастей от 3 до 9.
Конструкция каркаса позволяет снять нагрузку с наиболее уязвимых мест соединения лопастей к валу 2 или втулкам, закрепленных на валу 2, и перенести большую часть вращательного усилия через используемые радиальные рейки 6 непосредственно на вал 2. При этом за счет сквозного отверстия в лопасти, подобранного по форме и размеру проходящей сквозь лопасть 1 обвязывающей рейки 3, существенно снижаются скручивающие деформации лопасти 1, вызванные порывами ветра с завихрениями или дующего не строго перпендикулярно оси ветротурбины. Кроме того, в месте сквозного прохода через лопасть 1 обвязывающая рейка 3 имеет дополнительное крепление 5. Таким образом достигается удержание формы лопасти ветротурбины. Отметим, что в заявленных изобретениях важна и геометрия соединительных элементов каркаса: выполнение их в виде реек (плоских полос), имеющих наименьшее сопротивление воздуху, положительно сказывается на аэродинамических качествах ветротурбины.
В варианте изобретения, включающем один и более горизонтальный уровень обвязывающих и радиальных реек, количество уровней каркаса зависит от формы и механической прочности материала лопастей, а также высоты ветротурбины и условий ее использования. Так, при цилиндрической форме ветротурбины, помимо верхнего и нижнего уровня реек представляется целесообразным устанавливать промежуточный горизонтальный уровень через расстояние, находящее в диапазоне 0,7 ÷ 1,2 радиуса вращения ветротурбины. Детальный конструктивный расчет должен принимать во внимание как материал лопастей и реек, так и условия эксплуатации.
Пример 1.
Ветротурбина высотой 1,2 метра и шириной 1,5 метра состоит из четырех лопастей 1, имеющие срез под углом к оси вращения, закрепленных на вертикальном валу 2, как представлено на фиг.2. Узкая часть лопастей находится вверху, широкая, наоборот, внизу. Лопасти 1 закреплены, например, посредством болтов с втулками, жестко сидящих на валу 2, каждая из которых имеет по четыре продольно расположенные пластины для крепления лопастей 1. В лопастях 1 заранее вырезаны отверстия для сквозного горизонтального прохода  обвязывающих реек 3, а также отверстия для крепления в точках, наиболее удаленных от оси вращения 4. Каркас ветротурбины включает четыре обвязывающие рейки 3, в каждой их которых выполнены ответные отверстия для соединения с лопастями 1. Для соединения используют, например, крепежные уголки и болты. Каждая обвязывающая рейка 3 проходит через горизонтальный сквозной проход в лопасти 1 таким образом, что соединяет по прямой точки крепления лопастей 4. В месте прохода обвязывающая рейка 3 дополнительно скрепляется с лопастью 1 посредством крепления 5, например, уголка и болта. Также каркас включает четыре радиальные рейки 6, которые соединяют обвязывающие рейки 3 с валом 2 посредством, например, уголков и болтов.Возможен вариант перевернутого расположения лопастей, когда широкая часть лопасть находится вверху, а также с чередованием, когда одна лопасть имеет широкую часть внизу, а последующая – вверху.
Пример 2.
Ветротурбина высотой 2,2 метра и шириной 1,5 метра состоит из четырех лопастей 1 и имеет цилиндрическую форму, как представлено на фиг.3. Лопасти 1 закреплены на валу 2 аналогичным образом, что и в примере 1. Уровни каркаса расположены, например, через каждые 100 см по вертикали. В каждой лопасти 1 предусмотрены отверстия для каркаса из трех горизонтальных уровней обвязывающих и радиальных реек, включая отверстие для сквозного горизонтального прохода, в месте которого обвязывающая рейка 3 имеет дополнительное крепление 5 к лопасти 1, а также отверстие для точек крепления лопастей 4, к которым крепятся обвязывающие рейки 3, содержащие ответные отверстия. Каждая обвязывающая рейка 3 соединена с валом 2 посредством радиальной рейки 6. При этом допустимо использовать меньшее количество радиальных реек 6, соединяя, например, каждую вторую лопасть 1 с валом 2 – в случае применения ветротурбины небольших габаритов. Лопасти и каркас ветротурбины могут быть выполнены, например, из алюминиевых сплавов.
Заявленные ветротурбины на основе ротора Савониуса применяют в ветроэнергетической установке совместно с электрическим генератором.
Воздушные потоки воздействуют на лопасти, жестко связанные посредством каркаса друг с другом, и поворачивают их, что приводит во вращение вертикальный вал. При этом ветровая нагрузка равномерно передается на все лопасти, на все точки крепления лопастей к валу и сам вал через радиальные рейки, что существенно снижает риск деформации лопастей и мест их крепления к валу, особенно при сильных порывах ветра.
Таким образом, заявленные ветротурбины на основе ротора Савониуса обеспечивают равномерное распределение ветровой нагрузки на все лопасти турбины, способствуют снятию части усилий с уязвимых мест крепления лопастей к валу, а также предотвращают деформацию лопастей, в т.ч. скручивающего типа.