ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ВЕТРОТУРБИНА
CYLINDRICAL WIND TURBINE

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам с главным валом ветротурбины, параллельным ветровому потоку. Основным узлом рассматриваемой ветроэнергетической установки, определяющим ее технические характеристики, является цилиндрическая ветротурбина.
Известен энергопреобразователь, содержащий ветротурбину, выполненную в виде лопастей, установленных на горизонтальном рабочем валу, приводной вал, кинематически связанный с рабочим валом генератора, и направляющий хвостовик (см. патент RU №2253747, кл. F03D 3/00 от 10.06.2005 г.). Рабочий вал и приводной вал установлены с возможностью вращения на одном кронштейне и связаны друг с другом через коническую передачу. В рассматриваемом аналоге применена лопастная ветротурбина, наиболее распространенная для современных ветроэнергетических установок. Однако она имеет ряд недостатков, ограничивающих область ее применения.
Недостатком данной конструкции является малая поверхность лопасти, а как следствие этого - начальный крутящий момент близок к нулю, и поэтому запуск таких ветродвигателей затруднен. Крупные установки вообще приходится раскручивать от постороннего источника. Скорость концов лопастей при сильном ветре может приближаться к скорости звука, создавая шум как у винтомоторного самолета и помехи для электронных устройств, а также лопасти бьют птицу и другую летающую живность. При повороте ветродвигателя с изменением направления ветра на лопасти действует гироскопический момент, стремящийся дважды на каждом обороте изогнуть лопасть (вперед и назад), а это может вызывать большие напряжения, приводящие иной раз и к отрыву лопастей. Чтобы избежать этого, лопасти  максимально облегчают и применяют специальные устройства - виндрозы, осуществляющие очень медленный поворот ветродвигателя. Система виндроз и другие дополнительные устройства значительно усложняют и повышают стоимость этих ветроэнергетических установок.
В настоящее время эксплуатируются вертикально-осевые ветроэнергетические установки с ветротурбиной Дарье с аэродинамическим профилем крыла. Такие установки с вертикальным валом по сравнению с широко распространенными лопастными ветротурбинами с горизонтальным валом обладают рядом преимуществ.
Рассмотрим профиль крыла в потоке воздуха.
Подъемная сила крыла выражается согласно теореме Жуковского [1]:
где p - массовая плотность воздуха,
V - скорость движения крыла относительно воздуха,
S - площадь крыла,
y
C - коэффициент подъемной силы крыла.
y
Коэффициент подъемной силы C в свою очередь сильно зависит от угла атаки α отдельного крыла в ветровом потоке (см. фиг. 1).
Так, согласно теории Жуковского для крыла в плоскопараллельном потоке при небольших углах атаки:
α - угол атаки крыла, т.е. угол между направлением скорости воздушного потока и хордой крыла,
0
a - угол нулевой подъемной силы,
m - коэффициент, зависящий от формы профиля крыла.
Известна ветроэнергетическая установка, именуемая "Карусельный ветродвигатель" (патент RU №2042044, кл. F03D 3/00 от 20.08.1995 г.), которая содержит установленную на вертикальном валу ветротурбину с лопастями аэродинамического профиля, размещенными на радиальных штангах, и механизм изменения угла атаки лопастей путем поворота лопастей вокруг собственных осей, параллельных оси вращения ротора. Механизм выполнен в виде связанного с каждой лопастью устройства изменения угла атаки, соединенного с другими аналогичными устройствами, радиальными штангами посредством согласующего узла, смонтированного на оси вращения ротора. Устройство изменения угла атаки содержит смонтированный на каждой радиальной штанге корпус, в котором установлен пространственный кривошипно-шатунный механизм качающейся шайбы, связанный с осью лопасти посредством конической шестерни ориентации, сидящей на оси кривошипа, на которой установлен подшипник кронштейна, качающейся шайбой является втулка с двумя радиальными цапфами, установленная с возможностью поворота на наклонной оси, расположенной под углом α=45 градусов к оси лопасти, а на цапфах шарнирно укреплены два вильчатых поводка, ось одного из которых установлена с возможностью вращения в подшипнике, размещенном на основании корпуса под углом β к линии оси лопасти, а ось второго вильчатого поводка установлена с возможностью поворота в подшипнике кронштейна, причем угол β не превышает угол α, a согласующий узел выполнен в виде конического дифференциала. Эта ветроэнергетическая установка по большинству признаков совпадает с предлагаемым техническим решением и принята в качестве прототипа. Недостатки этой ветроустановки следующие:
- основным недостатком рассмотренной ветроустановки является сложность конструкции механических узлов управления углом атаки отдельных его лопастей.
- сложно добиться надежности при эксплуатации механической системы управления углами атаки.
- стоимость одного кВт установленной мощности рассмотренной установки будет завышена из за узла управления углом атаки.
- с точки зрения экологии применение такой ветроустановки в жилой зоне проблематично как и ветроустановки с лопастными ветротурбинами (шумы, помехи для электроники, битье птиц и другой летающей живности).
Задачей предлагаемого изобретения является создание простой и надежной конструкции ветротурбины, отвечающей основным требованиям по экологии: отсутствие вибрационных шумов, помех для электроники, вредного влияния на здоровье людей, отсутствие внешних вращающихся деталей, вследствие этого установка не бьет птиц и другую летающую живность, а также возможность ее использования в ветроэнергетических установках, размещенных внутри жилого комплекса, например на крышах жилых построек, с КПД не ниже 45%.
Эта задача достигается тем, что цилиндрическая ветротурбина, установленная на валу ветроэнергетической установки, содержит лопасти, размещенные на радиальных штангах, причем каждая лопасть имеет аэродинамический профиль, отличающаяся тем, что ветротурбина выполнена в виде цилиндра и установлена на главном горизонтальном валу, а поверхность цилиндра примыкает к переднему и заднему колесам, состоящим из ободов, ступиц, закрепленных на главном горизонтальном валу ветроэнергетической установки, и радиальных штанг, соединяющих ободы колес со своими ступицами, где колеса имеют по N>2 симметрично расположенных штанг, а положение штанг заднего колеса сдвинуто относительно штанг переднего на угол β, который задает угол атаки α для всех N лопастей и фиксируется ступицей заднего колеса, на штангах находятся точки крепления ближайших боковин всех N лопастей, а к одноименным точкам крепления штанг на ободах обоих колес крепятся N ребер, к последним подсоединены противоположные боковины соответствующих лопастей, причем к задней кромке N лопастей на шарнире прикреплены закрылки с нагрузочными планками на их нижней кромке и ограничителями, совпадающими по направлению с нижней плоскостью лопастей.
Общий вид разработанной ветроэнергетической установки дан на фиг. 2.
На фиг. 3 изображено переднее колесо цилиндрической ветротурбины по виду А фиг. 2.
На фиг. 4 изображено заднее колесо цилиндрической ветротурбины по виду В фиг. 2.
На фиг. 5 показаны ребра цилиндра справа от вектора воздушного потока, а на фиг. 6. - ребра цилиндра слева от вектора воздушного потока.
Активные элементы - лопасти, имеющие аэродинамический профиль, изображены на фиг. 7.
На фиг. 8 показан оптимальный угол атаки α для всех лопастей цилиндрической ветротурбины.
В состав ветроэнергетической установки (см. фиг. 2) входит цилиндрическая ветротурбина с цилиндром 1, установленным на главном горизонтальном валу 2. На этом же валу находится конический редуктор 5, втулки 6 с подшипниками, обеспечивающими вращение главного вала 2 с малым коэффициентом трения. Ветроэнергетическая установка содержит также базовую опорную конструкцию 3, защитную сетку 4, рабочий вал 7 с радиальным подшипником 8, установленным в опоре 9, который через конический редуктор 5 передает вращение с главного вала 2 через соединительную муфту 10 на блок генератора 11 с механизмом изменения оборотов. Выход блока генератора 11 соединен со входом преобразователя электроэнергии 12, а сама ветроэнергетическая установка размещена, например, на крыше жилого здания 13.
С целью обеспечения ориентации ветроэнергетической установки на ветровой поток устанавливается круговая вилка 14, колесо на оси с ограничителем 15 и кольцевой опорой 16, причем в качестве флюгера используется боковая поверхность цилиндрической ветротурбины, а центром вращения при ориентации по направлению ветрового потока является рабочий вал 7.
Решение поставленной задачи достигается за счет конструкции цилиндрической ветротурбины с главным горизонтальным валом 2 и цилиндром 1, боковые стороны которого формируются с помощью переднего 17 и заднего 18 колес соответственно по фиг. 3 и по фиг. 4, состоящих из обода 19, ступицы 20, закрепленной на главном валу 2 и N радиальных штанг 21.
N радиальных штанг 21, выполненных плоскими для уменьшения сопротивления поступающего в цилиндр ветрового потока (причем N должно быть не менее трех), соединяют обода 19 колес 17 и 18 со своими ступицами 20.
Рассмотрим конструкцию цилиндрической ветротурбины на конкретном примере (см. фиг. 3 и фиг. 4).
1
1
1
1
1
1
Колеса 17 и 18 имеют по шесть симметрично расположенных штанг 21, подсоединенных к ободам 19 в точках a, b, c, d, e, h для переднего колеса 17 и в точках a, b, c, d, e, h для заднего колеса 18, причем положение штанг 21 заднего колеса 18 сдвинуто относительно штанг 21 переднего колеса 17 на угол β, который задает оптимальный угол атаки α лопастей 22. Величина угла атаки лопастей α зависит от параметров цилиндра длины L и радиуса R, средней скорости вращения цилиндра и фиксируется при наладке конкретной ветроэнергетической установки.
y
1
1
1
1
1
1
1
1
В рассматриваемом примере угол α=10° при максимальном C по фиг. 1, а длина L цилиндра турбины равна его радиусу R. На расстоянии 0,2 R от центра колес 17 и 18 на штангах находятся точки крепления N лопастей 22 (N>2) цилиндрической ветротурбины кр1-кр6 для переднего колеса 17 и точки крепления кр1-кр6 для заднего колеса 18. Между одноименными точками крепления штанг 21 на ободах 19 (a-a, b-b, c-c, d-d, e-e, h-h) переднего 17 и заднего 18 колес крепятся N лопастей 22 и N ребер 23 (N>2) цилиндра 1. К ребрам 23 подсоединены противоположные боковины соответствующих лопастей 22. Ребра цилиндра 1 справа от вектора воздушного потока показаны на фиг. 5, а ребра цилиндра 1 слева от вектора воздушного потока показаны на фиг. 6.
1
1
Активными элементами цилиндрической ветротурбины являются лопасти 22, имеющие аэродинамический профиль, длиной L и шириной Т (в рассматриваемом примере по фиг. 7) с закрылками 24, прикрепленными к задней кромке каждой лопасти 22 шарниром 25. Закрылки имеют ограничители вращения 26 и на их нижней кромке закреплены нагрузочные планки 27, обеспечивающие более эффективное трогание цилиндрической ветротурбины и ее работу в зоне малых скоростей ветрового потока 28 (2-3 м/сек). Таким образом, внутри цилиндра 1 сформирован аналог ветротурбины Дарье, но с горизонтальным валом, кроме того, крылья в цилиндрической ветротурбине жестко закреплены с помощью точек крепления кр1-кр6, кр1-кр6 и ребер 23 и составляют единый механизм с осью 2, колесами 17, 18 и цилиндром 1. При этом полностью ликвидируется вибрация лопастей, характерная для известных ветроустановок с горизонтальным и вертикальным валами.
Цилиндрическая ветротурбина работает следующим образом.
Ветровой поток 28 (см. фиг. 5 и фиг. 6) попадает на боковую поверхность цилиндра 1 (см. фиг. 2) - переднее колесо 17, распределяется по отдельным лопастям 22, имеющим аэродинамический профиль и приводит ветротурбину во вращение. Предварительно при наладке ветротурбины устанавливают оптимальный угол атаки α лопастей 22 для ее номинального режима поворотом заднего колеса 18 относительно переднего 17 на угол β с последующей фиксацией. При вращении ветротурбины вращается главный вал 2, который через конический редуктор 5, рабочий вал 7 и соединительную муфту 10 передает вращение на блок генератора 11. Выходной сигнал с блока генератора 11 поступает на вход преобразователя электроэнергии 12, который подключен к электрическим нагрузкам, например, жилого здания.
При смене направления ветра за счет давления на подветренную поверхность цилиндра 1 создается вращающий момент, обеспечивающий ориентацию ветротурбины при повороте вокруг рабочего вала 7.
Особенностью конструкции цилиндрической ветротурбины является постоянное (предварительно настроенное на номинальный режим работы) оптимальное положение всех лопастей 22 относительно вектора входного ветрового потока 28, т.е. его угла атаки α. В рассматриваемом примере при угле атаки α=10° передняя кромка каждого крыла будет выше задней его кромки на величину разности уровней передней и задней кромок крыльев Н (см. фиг. 7 и фиг. 8). Передняя и задняя кромки каждой лопасти параллельны между собой, причем:
где L-длина цилиндра (в примере L=R).
Установка при наладке угла β (β угловой сдвиг между радиальными штангами переднего и заднего колес цилиндрической ветротурбины) позволяет выставить постоянный, оптимальный угол атаки α для всех лопастей цилиндрической ветротурбины одновременно (см. фиг. 8) исходя из соотношения:
В рассматриваемом примере Н=Rtgα, тогда по (4) угол β=arcos(1-tgα)=36°
В общем случае оптимальный угол атаки α крыльев лопастей 22 будет отличаться от 10° по фиг. 2 и с помощью угла β выставляется при наладке. Угол β изменяется вращением ступицы 20 заднего колеса 18 с последующей ее фиксацией на рабочем валу 2 цилиндрической ветротурбины.
Необходимо отметить, что сам цилиндр 1 является надежным флюгером с боковой площадью 2R L, кроме того, по (1) за счет удлинения цилиндра увеличивается площадь каждого крыла и его подъемная сила. При этом решается проблема трогания ветроустановки. Резервом эффективности цилиндрической ветротурбины является разница скоростей ветрового потока на ее выходе и ветрового потока обтекающего цилиндр с внешней стороны. В этом случае в связи с более высокой скоростью внешнего ветрового потока создается разреяжение на выходе цилиндра и вытяжка внутреннего ветрового потока из цилиндрической ветротурбины.
Литература
1. Жуковский Н. Е. О присоединенных вихрях. Полн. собр. соч., т.5, М.-Л., 1937.