ЛЕНТОЧНО-ВИНТОВОЙ ВЕТРОРОТОР

Полезная модель относится к области ветроэнергетики, в частности к ветророторам, преобразующим энергию движения потока воздуха (ветра) в механическую энергию вращения вала.
Известен ветроротор Дарье (частный случай - ветроротор Горлова), который содержит две и более аэродинамические лопасти, закрепленные на радиальных балках. На каждой из лопастей, движущихся относительно потока воздуха (ветра), действует подъемная сила, величина которой зависит от угла между вектором скорости потока и мгновенной скорости крыла. При этом коэффициент использования ветра достигает 0,35.
Недостатком данного ветроротора является относительно низкая эффективность преобразования энергии ветрового потока. Конструкция ветроротора ограничивает скорость вращения ротора из-за проявления значительных центробежных сил, воздействующих на лопасти. Проявление переменного момента вращения приводит к постоянным срывам (дроблению) потока и возникновению вибрации из-за постоянно изменяющегося угла между лопастями и набегающим потоком воздуха (ветром).
Известны ветророторы шнекового типа с вертикальной или наклонной осью вращения (например, авторское свидетельство СССР №1225912 от 03.05.1983, патент на изобретение РФ №2101559 от 12.04.1995, патент на изобретение РФ №2101558 от 12.04.1995 и др.), которые содержат внутреннюю ступицу, к которой вплотную присоединены винтовые (ленточные) лопасти, выполненные в виде шнека. При этом коэффициент использования ветра составляет 0,24.
Недостатком данных ветророторов является низкая эффективность преобразования энергии ветрового потока. Массивная внутренняя ступица, тормозящая набегающий поток воздуха (ветер), уменьшает его полезное воздействие на активную поверхность винтовой лопасти.
Известен ветрогенератор (патент DE №19701048 от 15.01.1997 г.), который содержит ленточно-винтовую поверхность, ступицу и крепежные узлы, при этом ленточно-винтовая поверхность закреплена на ступице, которая зафиксирована к опоре крепежными узлами.
Недостатком данного устройства является сложность балансировки в результате осевой несимметрии. Дисбаланс при вращении ротора затрудняет его регулирование и снижает эффективность преобразования энергии ветрового потока.
Известен ветроротор, принятый в качестве прототипа (патент РФ №111894 на полезную модель от 23.06.2011 г.), который содержит вращающуюся ленточно-винтовую поверхность, ступицу, спицы, и не вращающийся шток и подшипниковые узлы, при этом ленточно-винтовая поверхность соединяется со ступицей с помощью основных спиц, а ступица соединена со штоком при помощи подшипниковых узлов.
Недостатком данного ветроротора является сложность балансировки в результате осевой несимметрии. К дисбалансу приводит расположение ленточно-винтовой поверхности относительно центральной ступицы и оси вращения, что ухудшает условия ее ометания.
Технические результаты заявленной полезной модели заключаются в улучшении условий балансировки ветроротора и повышении эффективности преобразования ветровой энергии за счет увеличения воронкообразности ленточно-винтовой поверхности и обеспечении осевой симметрии расположения лопастей относительно ступицы и оси вращения.
Для достижения указанных технических результатов устройство содержит ленточно-винтовую поверхность в виде косого геликоида, закрепленную спицами к ступице, выполненной в виде трубы и соединенной со штоком подшипниковыми узлами, так что образуется свободное пространство между внутренним диаметром ленточно-винтовой поверхности и ступицей. При этом содержит, по меньшей мере, две ленточно-винтовые лопасти, расположенные в осевой симметрии n-го порядка и образующие воронкообразную геликоидную двух и более заходную ленточно-винтовую поверхность.
Полезная модель поясняется структурной схемой, приведенной на фиг. 1.
Ленточно-винтовой ветроротор содержит:
1 - вогнутая двух и более заходная ленточно-винтовая поверхность, выполненная из плоской ленты в виде косого геликоида;
2 - ступица, выполненная в виде тонкостенной трубы;
3 - спицы;
4 - шток;
5 - подшипниковые узлы.
Ленточно-винтовой ветроротор представляет собой вогнутую двух и более заходную ленточно-винтовую поверхность 1, закрепленную на ступице 2 при помощи тонких спиц 3, при этом между внутренним диаметром ленточно-винтовой поверхности 1 и ступицей 2 образуется свободное пространство. Спицы 3 определяют шаг и угол закрутки ленточно-винтовой поверхности 1, а также центрируют вращающиеся элементы ветроротора относительно ступицы 2, которая соединена со штоком 4 при помощи подшипниковых узлов 5.
Ленточно-винтовой ветроротор содержит две и более ленточно-винтовые лопасти, при этом необходимая воронкообразность обеспечивает отсутствие взаимовлияния лопастей в зоне разряжения потока воздуха и устанавливается дополнительной скруткой спиралевидной ленточно-винтовой поверхности, что обеспечивает повышение эффективности работы ветроротора.
Ленточно-винтовые лопасти расположены в осевой симметрии n-го порядка (для двухзаходного ротора симметрия 2-го порядка характеризуется тем, что при повороте ветроротора на 180° точка на одной стороне относительно оси имеет абсолютно такую же точку на противоположной стороне) и образуют вогнутую двух и более заходную ленточно-винтовую поверхность 1, охарактеризованную монотонной функцией вращения вокруг оси отрезка прямой, не пересекающуюся с осью и имеющей угол в проекциях с осью вращения не кратный 90°, что обеспечивает улучшения условия балансировки ветроротора.
Внутренняя кромка ленточно-винтовой поверхности 1 не присоединена к поверхности ступицы и имеет свободное пространство, через которое протекает воздушный поток, преодолевающий зону лопастей с подветренной стороны ветроротора.
Воронкообразность ленточно-винтовых лопастей косого геликоида вращения создает аэродинамическую подъемную силу, вектор которой в каждой точке поверхности направлен перпендикулярно поверхности лопасти и не пересекается с осью вращения ветроротора. В совокупности, все вектора подъемной аэродинамической силы направлены в одну и ту же сторону относительно оси вращения ветроротора и образуют проекцию силы, вектор которой определяет момент вращения ветроротора в заданном направлении.
Поверхность ленточно-винтовой лопасти, находящейся на противоположной от наблюдателя стороне оси вращения, имеет положительный угол атаки по отношению к набегающему потоку воздуха (ветра) и максимальную подъемную силу, проекция которой определяет момент и направление вращения «заосной» стороны ветроротора.
При воздействии набегающего потока воздуха (ветра) на поверхность лопасти, находящейся на ближней к наблюдателю стороне ветроротора, угол атаки ленточно-винтовой поверхности - отрицательный, однако благодаря выпуклой поверхности лопасти и достаточному углу воронкообразности, аэродинамическая подъемная сила формирует вектор, направленный в ту же сторону вращения, образуя суммарный момент вращения.
По результатам испытаний макетных образцов ветроротора, коэффициент использования ветра ленточно-винтового ветроротора, установленного ортогонально по отношению вектора потока воздуха (ветра) и оптимизированного углом кромок ленточно-винтовых лопастей по отношению к оси вращения и оптимальным наклоном конуса, составляет не менее 0,3. При наклоне оси вращения ветроротора на оптимальный угол по отношению к набегающему потоку воздуха (ветра) коэффициент использования ветра может достичь величины, превышающей 0,45, что обеспечивает повышение эффективности преобразования ветровой энергии.
Таким образом, использование предложенного технического решения для преобразования энергии движения потока воздуха (ветра) в механическую энергию вращения вала за счет увеличения воронкообразности ленточно-винтовой поверхности и обеспечении осевой симметрии расположения лопастей относительно ступицы и оси вращения улучшает условия балансировки ветроротора и повышает эффективность преобразования ветровой энергии.