Ветроротор Ф-Дарье
F-DARIER WIND ROTOR

Уровень техники
Из уровня техники известен Патент US 1835018, 08.12.1931 г., автор Дарриус Жорж Жан Мари, «Турбина с вращающимся валом, поперечным потоку ветра», принятый заявителем в качестве наиболее близкого аналога. Турбина сконструирована так, чтобы лопастью с аэродинамическим профилем достигалась скорость, которая намного превышает скорость потока, и в этом случае энергия подъемной силы очень велика и находится под углом между относительной скоростью и круговой, который ни в коем случае не будет превышать предельный угол атаки, при этом будет происходить разделение линий тока вдоль профиля без колебаний лопастей. Лопасти могут быть прикреплены к их поддерживающему диску любым подходящим способом, таким как сварной шов или тому подобное.
Лопасти могут быть прямолинейными и параллельными валу, чтобы образовывать, когда они собраны, цилиндрический барабан или беличью цапфу
При наличии безусловных преимуществ, таких как отсутствие наведения на ветер, высокий кпд - данная турбина имеет ряд недостатков: значительные нагрузки на вращающуюся мачту, связанные с эффектом Магнуса и низкой механической надежности В случае турбины с изогнутыми лопастями, крепление их в одной точке в верхней и нижней части требует принятия чрезвычайных мер по усилению как лопастей, так и мест крепления лопастей с узлом генератора, и мачты, что приводит к утяжелению конструкции и снижению ее надежности. При использовании турбины с прямыми лопастями, упрощаются лопасти, но резко удлиняются и утяжеляются поперечные траверсы, что также требует мер по балансировке всей турбины и усилению как траверз, так и мест крепления траверзы с узлом генератора, и мачты, дополнительно поперечные траверзы могут вносить до 50% потерь в эффективность турбины (Горелов Д.Н., Энергетические характеристики ротора Дарье, 2010).
SU 1373860 А1, 15.02.1988 г, Ю.В. Шевченко, «Ротор ветродвигателя». Изобретение позволяет увеличить прочность ротора и технологичность. Каждая лопасть имеет по длине винтовую закрутку, а ее ось выполнена прямолинейной. Такое выполнение уменьшает изгибающий момент, действующий на лопасти, и упрощает процесс изготовления ротора. Лопасти м.б. выполнены как монококовыми, так и лонжеронными. В последнем случае винтовая закрутка лопастей производится относительно лонжеронов, что обеспечивает равномерность вращающего момента ротора и препятствует возникновению вибраций и крутильных колебаний ротора.
Из уровня техники известен мобильный ветроэнергетический комплекс. (RU 119821 119821 U1, F03D 7/06, 27.08.2012). Мобильный ветроэнергетический комплекс с вертикальной осью вращения, содержащий ротор из двух лопастей, находящихся на траверсах, расположенных на подвижной ступице, установленный на подшипнике на мачте, закрепленной на мобильном транспортном средстве, отличающийся тем, что ротор выполнен типа Ф-Дарье, а него введена дополнительно третья лопасть, при этом лопасти имеют дугообразную, выгнутую наружу форму аэродинамичного профиля, оси лопастей разнесены под углом 120°, в средней части ступицы закреплен синхронизатор вращения лопастей в виде трех коротких поперечных штанг-перекладин с грузиками на их концах, прикрепленных к середине каждой из лопастей с помощью шарниров и траверс, а оба конца каждой из лопастей прикреплены с помощью поворотных пружинных шарниров к траверсам, расположенным на концах подвижной ступицы, при этом на мобильном транспортном средстве расположены в термоизолированном кожухе аккумуляторная батарея и блок управления.
Это патент на полезную модель относится только к способу регулирования угла атаки лопастей и размещении агрегата на специальных санях для обеспечения мобильности. Эта полезная модель не рассматривает ни форму лопасти, ни ее профиль, ни другие геометрические параметры.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является создание ветроротора с осью, перпендикулярной ветровому потоку, который при минимальном весе и габаритах имеет близкие к теоретически достижимой эффективности преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения электрогенератора и максимальную механическую прочность.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения электрогенератора и достижение максимальной механической прочности.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что ротор Ф-Дарье содержит неподвижный вертикальный вал, расположенные на валу обтекаемые нижний и верхний кронштейны со ступицей, три изогнутые наружу лопасти, неподвижно прикрепленные обеими концами к верхнему и нижнему кронштейнам, электрогенератор, расположенный в обтекаемой ступице на верхнем кронштейне, причем лопасти выполнены  аэродинамической формой, описываемой формулой цепной линии равного сопротивления:
где
ρ - объемная плотность;
g - уск. св. падения;
А - площадь поперечного сечения;
0
Т - сила натяжения;
а - коэффициент;
m - масса лопасти;
V- скорость вращения:
r - радиус ротора;
x - значение по оси абсцисс;
у - значение по оси ординат.
В частном случае реализации заявленного технического решения лопасти выполнены в виде монолитных, тонкостенных композитных конструкций с внутренними элементами жесткости и разнесены между собой на 120°.
В частном случае реализации заявленного технического решения лопасти выполнены с коэффициентом удлинения λ=8, осесимметричном профилем с толщиной 21% и угле атаки 15°.
За счет выбранной формы лопастей, описываемой формулой параболического косинуса минимизируется напряжения, возникающие при вращении лопастей за счет центробежной силы, также это позволяет при прочих равных условиях укоротить поперечные верхний и нижний кронштейны, уменьшив на них нагрузку, а сферическая форма ветроротора Ф-Дарье имеет максимальную ометаемую площадь при минимальных размерах. Примененное техническое решение позволило также применить неподвижную ось и полностью решить проблему с повышенной ветровой нагрузкой, вызванной эффектом Магнуса. За счет оптимизированных углов атаки лопастей удалось стабилизировать скорость вращения ветроротора при сильных ветрах вплоть до 60 м/с.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - внешний вид ветроротора Ф-Дарье;
Фиг. 2 - форма лопасти и аэродинамический профиль;
Фиг. 3 - вид сверху,
Фиг. 4 - ветроротор Ф-Дарье в разрезе;
Фиг 5 - обтекание лопасти при низких (а) и высоких (б) скоростях воздушного потока.
На фигурах обозначены следующие позиции: 1 - лопасти; 2 - аэродинамические кронштейны; 3 - электрогенератор; 4 - неподвижный вертикальный вал.
Раскрытие изобретения
Ветро ротор Ф-Дарье с вертикальным валом (Фиг. 1) содержит три изогнутые лопасти (1), выполненные в виде монолитных, тонкостенных композитных конструкций с внутренними элементами жесткости и аэродинамическим профилем, неподвижный вертикальный вал (4), в верхней части которого закреплен статор электрогенератора (3), аэродинамические нижний и верхний кронштейн (2) с обтекаемой ступицей, для размещения ротора электрогенератора. К верхнему и нижнему кронштейнам (2) неподвижно прикреплены обеими концами три лопасти (1). Лопасти (1) выполнены в форме, описываемой формулой цепной линии равного сопротивления, выгнутыми наружу, и разнесены между собой на 120°.
Изобретение позволяет повысить эффективность и надежность работы ветрогенераторов
- За счет выбранной формы лопастей (Фиг. 2), описываемой формулой цепной линии равного сопротивления (параболического косинуса):
где
0
2
Т=mν/r,
ρ - объемная плотность;
g - ускорение свободного падения;
А - площадь поперечного сечения;
0
T - сила натяжения;
а - коэффициент:
m - масса лопасти;
V - скорость вращения;
r - радиус ротора;
х - значение по оси абсцисс;
y - значение по оси ординат.
Оптимальная форма лопасти достигается при следующих значениях по оси абсцисс и по оси ординат для конкретных скоростей ветра и композитных материалов;
Заявленная форма лопастей минимизирует неравномерность и силу напряжений вдоль образующей лопасти, возникающих при вращении лопастей (1) за счет центробежной силы;
- за счет укорочения поперечных верхнего и нижнего кронштейнов, повышается их прочность при меньшем весе и сводится к минимуму аэродинамическое сопротивление. Так коэффициент укорочения поперечных кронштейнов составляет 40% по сравнению с прямыми лопастями при сопоставимой ометаемой площади;
- за счет аэродинамической формы поперечных верхнего и нижнего кронштейнов и наличию обтекателя генератора существенно снижаются аэродинамические потери конструкции;
- за счет сферичности ветроротора, позволяющей иметь максимальную ометаемую площадь при минимальных размерах;
- за счет верхнего расположения генератора (3) и применения неподвижной оси устранить в ней напряжения и вибрации, вызванные повышенной ветровой нагрузкой из-за эффекта Магнуса (Фиг. 4)
- за счет оптимизации аэродинамического профиля (Фиг. 2), угла атаки лопасти (1) и коэффициента удлинения (λ=L/b, где L - длина лопасти, b - длина хорды), достигается высокая эффективность при малых скоростях набегающего ветрового потока и, одновременно расширяется диапазон ветров при которых происходит эффективное преобразование кинетической энергии ветра в электрическую за счет снижения крутящего момента при сильных ветрах из-за срыва ветрового потока.
При этом моделирование показало, что оптимальные характеристики ветроротора достигаются при: коэффициенте удлинения λ=8, осесимметричном профиле с толщиной 21% и угле атаки 15°. При этом было получено значение коэффициента использования ветрового потока 0,7. Что очень близко к теоретическому значению 0,72 для ротора Дарье с прямыми лопастями (Горелов Д.Н. Энергетические характеристики ротора Дарье, 2010) и значительно выше теоретического значения коэффициента использования ветрового потока 0,593 для ветророторов пропеллерного типа.
Работа устройства
В момент запуска ветроротор Ф-Дарье ведет себя подобно ротору Савониуса, т.е. за счет разницы давлений ветрового потока в правой и левой части относительно оси вращения. Но затем быстро набирает обороты и начинает вращаться со скоростью в 4-5 раз большей скорости ветра за счет аэродинамических сил. При этом форма профиля лопасти и угол атаки рассчитаны с учетом эффективной работы до скоростей ветра 25-30 м/с. (Фиг. 5 а) При дальнейшем нарастании скорости ветра, начинается срыв ветрового потока, обусловленного как формой профиля лопасти, так и углом атаки, таким образом резко снижается подъемная сила лопасти и уменьшается крутящий момент, т.е. происходит эффективное торможение ветроротора Ф-Дарье нагруженным генератором (Фиг. 5 б).