Карусельное ветроколесо
ROTARY WIND WHEEL

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветродвигателям с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра и плоскими лопастями (Карусельное ветроколесо - КВ).
Известен ветродвигатель, принятый за аналог, содержащий вертикальный вал и закрепленные на нем махи, на которые шарнирно установлены плоские прямоугольные лопасти, работающие в двух режимах: рабочем - лопасти прижаты к упорам, причем с целью повышения надежности при штормовом ветре упоры имеют некоторые демпферы, расположенные на махах со стороны вертикальной оси; флюгерном - лопасти по мере движения в этом режиме вращаются в диапазоне 0-180 градусов (см. А.с. СССР, SU 1017814 A, кл. F03D 3/00, 05.01.1982).
Известен ветродвигатель, принятый за аналог, содержащий вертикальный вал и закрепленные симметрично к нему махи, на которые шарнирно закреплены плоские прямоугольные поворотные лопасти и упоры. Махи установлены n ярусами, причем на каждом ярусе больше двух махов. Комплект махов каждого верхнего яруса смещен относительно комплекта махов нижнего яруса на угол α=π/2 n, где n - порядковый номер яруса (см. А.с. СССР, SU 1663226 А1, кл. F03D 3/06, 25.04.1989).
Основным недостатком рассмотренных выше устройств является невысокий КПД, т.к. используется только 50% энергии ветрового потока, попадающего на «ометаемую» площадь рассматриваемого устройства, содержащего μ (μ≥3) установленных на вертикальной оси махов. Кроме того, при увеличении ярусов n угол сдвига α между махами нижнего яруса и верхними уменьшается, создавая асимметрию конструкции и провоцируя неравномерность. При виде сверху мы получаем сгущение проекций верхних махов верхних ярусов около махов нижнего яруса. Смещение махов верхних ярусов по формуле α=π/2 n (при n>3) ошибочно.
В качестве прототипа примем Карусельное ветроколесо (патент RU2498109, С2, F03D 3/00 20.012013 г. Бюл.31) которое содержит установленные на вертикальной оси не менее трех симметрично расположенных рамочных Г-образных махов (состоящих из радиального маха и перпендикулярного к нему одинаковых размеров и конструкции) зажатых между двумя разделительными плоскостями, обеспечивающими более эффективное использование воздушного потока в пределах каждого яруса, n таких ярусов-комплектов расположены вдоль основной оси вращения карусельного ветроколеса (КВ), причем верхняя разделительная плоскость n-1 яруса является нижней для n-го яруса. Махи каждого верхнего яруса смещены относительно махов ближайшего нижнего на угол
α=2π/кn - (1),
где к - количество махов на одном ярусе, n - количество ярусов.
1. К недостаткам прототипа относится необоснованно сложная конструкция. Рамочные махи, как самостоятельные детали, на каждом ярусе зажаты между двумя разделительными плоскостями, а лопасти шарнирно на осях закреплены в махах. Но ведь проще оси лопастей шарнирно на осях закрепить непосредственно на разделительных плоскостях, жестко связанных с основным валом.
2. При анализе работы прототипа (см. его фиг. 1) очевидно, что в 4-м квадранте относительно вектора воздушного потока (ВП), т.е. в зоне 270-360 градусов, момент вращения от каждого маха равен нулю. Это вызывает неравномерность вращения КВ и для ликвидации этого отрицательного явления вводится несколько ярусов, усложняя конструкцию КВ.
Задачей предлагаемого изобретения является более эффективный съем энергии с единицы «ометаемой» площади. По сравнению с прототипом, применение вместо рамочных махов в виде отдельных деталей, опор осей лопастей и демпферов непосредственно на двух дисках, существенно повышает жесткость конструкции КВ, что упрощает конструкцию КВ и положительным образом влияет на ее надежность. При сравнении с одним ярусом прототипа получаем улучшение равномерности вращения КВ. Конструкция изобретения обеспечивает скорость вращения КВ (при номинальной нагрузке), не превышающую допустимую, при скоростях воздушного потока (ВП), значительно превышающих расчетную номинальную за счет открытия вставок под напором ВП (т.е. расширяет диапазон рабочих скоростей ВП). При площади вставок, составляющих существенную часть площади лопасти, и соответствующем выборе нагрузочной планки, происходит поддержание допустимой скорости оборотов КВ в значительном диапазоне скоростей ВП, превышающих номинальную.
На фиг. 1 изображено предлагаемое КВ, которое состоит из
- вертикального основного вала - 1, к которому гайками - 2 и упорными кольцами - 7 закреплены верхний - 3 и нижний - 4 диски, на которых находится остальная часть конструкции КВ,
- лопасть - 6, узел вставки - 5 и вставки - 12, причем по разрезу А-А фиг. 1 дана фиг. 2.
На фиг. 2 изображены детали КВ для варианта 3-х хорд. Показано направление ВП и направление вращения КВ стрелкой ω. Показан вал - 1, упорное кольцо - 7, нижний диск - 4 и комплект лопастей и демпферов - 8 расположенных на каждой хорде. Часть комплекта - лопасть с ее осью и демпфером - 9 поясняет их положение на диске - 4,
На фиг. 3 дана более подробно конструкция узла вставки - 5, а именно каждая лопасть - 6 имеет прямоугольное окно - 10, выше которого к ней крепится верхняя сторона плоской вставки - 12 на стороне лопасти - 6, примыкающей к демпферу - 17, 18 в рабочем режиме, а именно опора оси вставки - 11, собственно вставка - 12, нагрузочная планка - 13, ось вставки - 14, причем размеры вставки - 12 обеспечивают отсутствие зазоров между лопастью - 6 и вставкой - 12 до скорости ВП, превышающей номинальную.
На фиг. 4 дана более подробно конструкция половины комплекта - 9 на хорде, а именно сама лопасть - 6, опора - 15 вала лопасти, ось лопасти - 16, демпферы - 17, 18.
Из фиг. 2 видно, что каждый комплект лопастей и демпферов - 8 в любой точке круговой траектории движения имеет лопасти - 6, действующие в рабочем режиме (при упоре на демпферы 17, 18) и создающие вращательный момент для вала - 1, лопасти - 6 другой половины комплекта на хорде действуют в режиме флюгерования, т.е. вращательный момент каждого комплекта - 8 не прерывается (именно это обеспечивает равномерность вращения предложенного КВ). Расстояния между осями соседних лопастей - 6 каждой половины комплекта на хорде и размеры лопастей выполнены такими, что в рабочем режиме зазоры между соседними лопастями отсутствуют. Зазоры между кромками лопастей параллельных дискам и дисками выполнены минимальными и такими, что допускают свободное перемещение лопастей относительно дисков.
Встречаясь с поверхностями лопастей - 6, ВП, обозначенный стрелкой на фиг. 2 и имеющий произвольное направление, за счет создаваемого скоростного напора поворачивает лопасти - 6 вокруг их осей - 16. При этом часть лопастей - 6 каждого комплекта - 8 на хорде переходит в рабочий режим, прижимается ВП к демпферам - 17, 18, создавая вращательный момент относительно вала - 1КВ, в то время как лопасти - 6 на другой половине каждого комплекта - 8 на хорде, за счет создаваемого скоростного напора ВП переходят в режим флюгерования (их плоскости устанавливаются параллельно ВП). Вследствие такого воздействия скоростного напора ВП на лопасти - 6 каждого комплекта - 8 на хордах возникает вращательный момент, приложенный к валу - 1КВ, и последнее приобретает угловую скорость. Этот процесс повторяется при движении каждого комплекта - 8 по круговой орбите. Таким образом обеспечивается постоянство момента и направления вращения вала - 1.
Важным элементом предложенной конструкции КВ является вставка - 5 с нагрузочной планкой - 13 на всех лопастях - 6 КВ. Она существенно расширяет рабочий диапазон скоростей ВП без превышения предельной скорости вращения за счет соотношения площади лопасти - 6 и вставки - 12, а также веса нагрузочной планки - 13 и регулирования нагрузки на основном валу - 1.
Таким образом, в предлагаемом изобретении обеспечивается более эффективный съем энергии с единицы «ометаемой» площади. По сравнению с прототипом, применение вместо рамочных махов в виде отдельных деталей, опор осей лопастей и демпферов, расположенных непосредственно на двух дисках, существенно повышает жесткость конструкции КВ, что упрощает конструкцию и положительным образом влияет на ее надежность. При сравнении с одним ярусом прототипа получаем улучшение равномерности вращения КВ. Конструкция изобретения обеспечивает скорость вращения КВ, не превышающую допустимую, при скоростях ВП, значительно превышающих расчетную номинальную за счет открытия вставок под напором ВП (т.е. расширяет диапазон рабочих скоростей ВП). При площади вставок - 12, составляющих существенную часть площади лопасти, и соответствующем выборе нагрузочной планки - 13, происходит поддержание допустимой скорости оборотов КВ в значительном диапазоне скоростей ВП, превышающих номинальную.
Сравнительно простая и эффективная конструкция предлагаемого КВ при мощности 3-10 кВт может найти широкое применение в коттеджах, индивидуальных хозяйствах, дачах, особенно при отсутствии промышленной сети или ее дефиците, как в Крыму.