Ротор ветроколеса

Полезная модель относится к энергетике, использующей возобновляемые источники для производства электрической энергии, и может быть применена в ветродвигателях, имеющих вертикальную ось вращения.
Известна конструкция ветроэнергетического агрегата (RU № 167270, F03D3/04(06) от 15.10.2015) в котором, и в существующих подобных конструкциях, концентраторы энергии потока выполняются в виде плоских или криволинейных пластин (лопаток) установленных по периметру ротора и имеющих различное взаиморасположение способствующее ускорению потока входящего во внутрь и воздействующего на лопасти.
Недостатком вышеописанной и подобных конструкций является высокая металлоемкость и соответственно большой вес, что требует для своего монтажа наличие надежного основания. К тому же, из-за низкой аэродинамической прозрачности, поток, попадая во внутрь установки и не имея свободного выхода с противоположной стороны образовывает локальные зоны как низкого, так и высокого давления, что приводит к снижению эффективности установки в целом.
Известна система вертикальной турбины с направителями потока (RU № 2667732, F03D3/04 от 21.03.2014) содержащей вертикальную турбину, на которой установлен ротор с лопастями и направителями потока, служащими для перенаправления основного потока как на передние открытые лопасти турбины, так и на заднюю часть турбины создавая в лопастях турбины вторичный флюидный поток.
Недостатком данной системы вертикальной турбины с направителями потока является ее конструктивная сложность, высока металлоемкость и вес, а также низкая энергоэффективность выражаемая трудностями по ее ориентации по набегающему потоку и высокой долей потерь во вторичном флюидном потоке разворачиваемом в заднем направителе на 180 градусов.
Наиболее близким по технической сущности прототипом является турбинная система на текучей среде (RU № 2555786, F03D3/04; 7/06; 11/00 от 14.08.2009) состоящая из лопаточного узла, закрепленного на вертикальном валу с возможностью вращения; два концентратора, один из которых может образовывать выпуклую поверхность, обращенную к ветру, и выполненный с возможностью размещения с наветренной стороны перед возвратной стороной узла, второй, регулируемый концентратор, выполнен с возможностью размещения с наветренной стороны ближе к толкательной половине узла и выполнен с возможностью перевода между первой и второй позицией, причем регулируемый концентратор способен отклонять больше ветра к турбине в первой позиции, чем во второй позиции.
Недостатком вышеописанной турбинной системы на текучей среде является конструктивная сложность, заключающаяся в необходимости изготовления сложных криволинейных поверхностей, таких как регулируемый концентратор, который для своего корректного функционирования требует наличия дополнительных механических устройств или электронных систем слежения, считывания, анализа, а также электрических и механических систем позиционирования и фиксации, что требует дополнительных как материальных, так и энергетических затрат.
Расположение нерегулируемого концентратора согласно представленной в прототипе схеме малоэффективно. При вращении лопастей (лопаток) в турбине перед ними возникают зоны повышенного давления, то есть воздух перед наружной частью лопасти испытывает локальное уплотнение и поэтому при прохождении краем лопасти (Фиг.1, 150) возле близко расположенного конца концентратора (Фиг.1, 134) между двумя поверхностями возникает дополнительный скачок уплотнения с появлением силы, как показали опыты, которая оказывает противодействующее влияние вращению лопастей, в результате наблюдается отрицательная интерференция сводящая на нет эффект концентратора.
Схема перетекания воздуха по внутренней части нерегулируемого концентратора (Фиг.2, 228, 230) будет выполняться лишь частично. Поток, увлекаемый лопастями движущимися по возвратной стороне турбины, вбрасывается во внутрь концентратора в виде импульсов, часть потока при этом, соударяясь и отражаясь от внутренних стенок концентратора, неизбежно будет увеличивать степень турбулентности, другая часть, благодаря поступающим новым порциям воздуха от вращающихся лопастей, будет проталкиваться вперед, во внутрь концентратора, неся как местные потери на разворот, так и  потери возникающие вследствие трения о стенки концентратора. Все это в совокупности неизбежно приведет к дополнительной турбулизации потока при движении внутри концентратора с образованием зон застойного течения препятствующих движению потока согласно указанной в прототипе схеме и оказывающего негативное влияние на работу турбины в целом.
Помимо концевых потерь, возникающих за счет образования вихрей, сходящих с концов лопаток турбины, наличие на них открытых секций (окон) уменьшает общую площадь взаимодействия потока с поверхностью лопатки снижая величину крутящего момента. К тому же поток, попадая во внутрь турбины и проходя зону окон, будет дополнительно турбулизироваться как из-за наличия местных сопротивлений в виде окон, так и вследствие вторичных перетеканий между наветренной и заветренной частями лопаток из-за разности давлений вовлекая в этот процесс близлежащие слои ухудшая при этом условия обтекания лопаток и увеличивая сопротивление вращению турбины.
Вероятность начала страгивания турбины из положения соответствующее Фиг.5 прототипа, когда набегающий поток может через открытую секцию (окно) 160 воздействовать на поверхность 270 лопатки 146, мала. К тому же попав сначала на выпуклую поверхность находящейся в поднятой позиции лопатки, часть потока отклонится от своей траектории, а другая часть, получив ускорение и пройдя вершину, попав в зону возрастающего давления неизбежно начнет замедляться и турбулизироваться, и пройдя дополнительно через местное сопротивление в виде окна (160) лопатки находящейся в толкательной позиции, лишь незначительная часть сильно ослабленного потока достигнет лопатки (146), находящейся в улавливающей позиции. Практически при вращении турбины полезную работу осуществляет только одна из лопаток (144) расположенная на толкательной половине турбины, остальные лопатки работают на сопротивление.
Целью полезной модели является увеличение коэффициента использования энергии ветра позволяющий уменьшить начальный пусковой момент и увеличить скорость вращения ротора ветроколеса.
Техническим результатом полезной модели является повышение коэффициента использования энергии ветра без существенного увеличения габаритов и занимаемых площадей путем изменения степени концентрированности набегающего потока на толкательную и возвратную половину ротора ветроколеса с использованием отклоняющей поверхности расположенной с наветренной стороны ротора, а также применением лопастей по форме и расположению наиболее оптимально взаимодействующих с набегающим ветровым потоком, что в общей совокупности позволит более эффективно использовать низкопотенциальные ветровые потоки.
Цель достигается за счет того, что в роторе, содержащем вертикальную ось вращения и лопасти, с наветренной стороны ротора, на возвратной его части, установлен концентратор, выполненный в виде вытянутого на всю высоту ротора профиля в поперечном сечении представляющий из себя равнобедренный треугольник без основания острой своей частью направленный навстречу набегающему потоку и прикрепленного к флюгеру с регулируемыми стабилизаторами для ориентации на набегающий поток; лопасти закреплены между верхним и нижним торцевыми дисками; лопасти установлены с зазором к оси вращения; лопасти своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему потоку; наружные боковые стенки лопасти отклонены по направлению от нижнего торцевого диска к верхнему во внутрь лопасти;  образующая лопастей, в сечении перпендикулярном оси вращения ротора, выполнена в виде параболы.
На фиг.1 изображен ротор ветроколеса с концентратором, закрепленным на флюгере, общий вид; на фиг.2 – то же, вид спереди; на фиг.3 – вид сверху (верхний торцевой диск, отклонение наружных боковых стенок лопастей и флюгер не отображены).
Ротор содержит вертикальную ось 1 вращения, верхний 2 и нижний 3 торцевые диски, лопасти 4 и 5, закрепленные между торцевыми дисками, установлены с зазором между внутренней кромкой и осью вращения ротора, своими внешними кромками лопасти повернуты навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками, по направлению от нижнего торцевого диска к верхнему, отклонены во внутрь лопасти при этом в поперечном сечении образующие лопасти выполнены в виде параболы. С наветренной стороны ротора, со стороны возвратной его части, расположен концентратор потока 6, выполненный в виде вытянутого по всей высоте ротора профиля в поперечном сечении выполненного в виде равнобедренного треугольника без основания и своим острым концом направленным навстречу набегающему потоку. Концентратор закреплен на флюгере 7 с расположенными в его хвостовой части регулируемыми стабилизаторами 8.
Ротор работает следующим образом.
Воздушный поток, набегающий на ротор ветроколеса, относительно оси Y, можно разделить на две части: правый R и левый L (Фиг.3). Правая часть потока беспрепятственно достигает и непосредственно воздействует на лопасть 4 ротора находящейся в толкательной позиции и выполняющей полезную работу. Левая часть потока, воздействующая на лопасть 5 оказывающей отрицательную работу, направленную на сопротивление вращению, рассекается концентратором на отводящую и подводящую части. Отводящая часть отклоняется от ротора ветроколеса и беспрепятственно обтекая его слева уносится дальше основным потоком. Подводящая часть направляет поток в сторону лопасти 4. Объем потока подводящей части, отклоняемого концентратором, зависит от координат установки концентратора относительно осей X и Y (Фиг.3), длины боковых поверхностей концентратора, от угла при его вершине и от качества изготовления боковых поверхностей концентратора. По периметру работающего ветроколеса имеются граничные зоны повышенного и пониженного давлений, создаваемые вращающимися лопастями, пересечение которых различными поверхностями снижает скорость его вращения. Поэтому концентратор должен быть установлен вне области влияния этих зон.  Изменение длины боковых сторон концентратора и угла при его вершине также оказывает влияние на степень отклонения воздушного потока L от лопасти 5 к лопасти 4.
При оптимальном расположении концентратора относительно осей X и Y в совокупности с оптимально подобранными углом при его вершине и длин его сторон достигается эффект, когда поток подводящей части накладывается на основной правый (R) поток, и, не внося туда значительных возмущений, способствует возникновению в нем суммарных составляющих сил создающих общий мультипликативный эффект. В результате, достигнув лопасти 4, концентрированный поток попадает в зону местного сужения между двумя лопастями, образованной благодаря тому, что лопасть 4 (и 5), своей внешней кромкой повернута навстречу набегающему потоку. Частично сжимаясь в данной области поток, получая дополнительное ускорение и отдавая часть своей энергии скользя по внутренней образующей лопасти 4, плавно перетекает через межосевой зазор во внутреннюю часть лопасти 5 оказывая не только толкающее воздействие теперь на противоположно направленную лопасть, но и в совокупности с установленным впереди по потоку концентратором, уменьшает разность давлений возникающего между внутренней и наружной частями лопасти 5. Остатки внутреннего потока, выходя наружу из лопасти 5, засасываясь основным внешним потоком уносятся дальше по течению.
Мощность ротора ветроколеса предлагаемой конструкции может быть увеличена за счет увеличения количества роторов располагаемых на одном валу по вертикали.