ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ ОГАРКОВА

Полезная модель относится к области ветроэнергетики, а именно к двигателям, использующим энергию ветра для преобразования в механическую и электрическую энергию.
Известна ветроэнергетическая установка ВЭУ-5000, содержащая секционную мачту, установленную на опоре с бетонным фундаментом, поворотную головку, расположенную на верхнем конце мачты, установленные на поворотной головке ветроколесо с тремя лопастями, электрический генератор, жестко связанный с ветроколесом, и штангу с флюгером, присоединенным к внешнему концу штанги (RU 104251 U1 [1]).
К недостаткам такой конструкции относятся необходимость сооружения отдельной мачты с железобетонным фундаментом, при этом также необходимо устанавливать поворотную головку и штангу с флюгером, что существенно удорожает и усложняет конструкцию в целом. Кроме того, большие скорости движения концов лопастей создают акустическое загрязнение среды, а низкая аэродинамическая эффективность участков лопастей, расположенных вблизи оси вращения и необходимость ориентации оси вала по направлению ветра существенно снижают эффективность ее работы. Более того, следует отметить, что ветроколесо начинает эффективно работать только при скорости ветра больше 3 м/с. В целом, выше приведенные недостатки, сильно ограничивают область применения данной конструкции, поскольку ее приходиться устанавливать вдали от жилых помещений, из-за шума. В патенте US 5405246 [2] описана ветряная турбина с вертикальной осью, которая содержит две или более удлиненных лопастей, присоединенных к роторной мачте. Каждая лопасть "изогнута" таким образом, что нижняя точка ее прикрепления смещена под углом относительно верхней точки ее прикрепления. Каждая такая лопасть тангенциально сориентирована относительно локального радиуса, как это показано на фиг. 1а и 1b. Длина сечения каждой лопасти меньше посередине и больше у концов. Отношение между длиной сечения лопасти и толщиной лопасти является постоянным по всей длине каждой лопасти. Изогнутость данных лопастей помогает в некоторой степени выровнять крутящий момент, производимый турбиной во время ее вращения, поскольку какой-либо участок, по меньшей мере, одной лопасти будет постоянно находиться в положении пересечения воздушного потока
и, таким образом, вся турбина никогда не будет полностью находиться в положении вращения по инерции.
Наиболее близким к заявляемому объекту по своей технической сущности является ветряная турбина с вертикальной осью содержащая вал, вращающийся вокруг продольной оси, и множество лопастей, механически присоединенных к этому валу. Каждая из лопастей представляет собой удлиненное тело с верхним и нижним концами, причем верхний и нижний концы каждой лопасти ротационно смещены друг от друга по продольной оси так, что каждая лопасть имеет форму винтовой спирали, при этом сечение каждой лопасти, перпендикулярное продольной оси, является аэродинамической поверхностью, имеющей ведущую кромку, хвостовую кромку и среднюю линию профиля аэродинамической поверхности, причем аэродинамическая поверхность, имеет дугообразную форму, так что средняя линия профиля аэродинамической поверхности проходит по линии постоянной кривизны с радиусом кривизны R' (RU 2322610 [3]).
Недостатком данного технического решения является то, что лопасти имеют площадь поперечного сечения разную по высоте, в связи с чем, у такой лопасти уменьшается парусность, а это приводит к уменьшению крутящего момента и снижению эффективности использования ветрового потока приходящегося на единицу площади поперечного сечения ветряной турбины в целом. Кроме того с концов лопастей при данной конструкции ветряной турбины, потоки воздуха будут срываться и завихрятся, что приведет к увеличению шума при работе турбины, даже при невысокой скорости воздушного потока.
Заявляемая полезная модель направлена на увеличение эффективности ветродвигателя, особенно при малых скоростях воздушного потока и уменьшение шума при работе.
Указанный результат достигается тем, что ветродвигатель содержит вращающийся вал и прикрепленные к нему одну или несколько лопастей с аэродинамическими поверхностями в форме отрезков винтовой линии, при этом лопасти выполнены с таким шагом винтовой линии, что касательная к ней наклонена на угол 45° к оси вращения вала, а радиус кривизны аэродинамической поверхности и передней кромки лопасти связаны соотношением
где R - радиус кривизны аэродинамической поверхности, м;
r - радиус кривизны передней кромки лопасти, м.
Указанный результат достигается также тем, что лопасти выполнены из композитного материала.
Отличительной особенностью заявленного устройства является то, что лопасти выполнены с таким шагом винтовой линии, что касательная к ней наклонена на угол 45° к оси вращения вала, а радиус кривизны аэродинамической поверхности и передней кромки лопасти связаны приведенным выше соотношением.
Проведенные эксперименты с моделями ветродвигателя, имеющего лопасти в форме отрезков винтовой линии с поперечным сечением лопастей в виде аэродинамических поверхностей с различным шагом винтовой линии показали, что существует оптимальный шаг, который обеспечивает достижение заявленного результата. Вторая серия опытов была направлена на подбор оптимальной геометрии профиля лопасти, который позволил бы достичь желаемого результата. Таким образом, было подобрано оптимальное соотношение размеров, отраженное в формуле полезной модели.
Для изготовления лопасти может быть использован любой подходящий конструкционный материал. Наиболее целесообразно использовать композитные материалы, т.к. они обладают высокой удельной прочностью, что позволяет снизить вес двигателя, а следовательно и повысить его эффективность. При этом обнаружилось, что достигается и уменьшение шума при работе. Кроме того, композитные материалы легко формуются, что облегчает изготовление изделий сложной формы, к которым можно отнести лопасти предлагаемого ветродвигателя.
Сущность полезной модели поясняется примером реализации и чертежами.
На фиг. 1 представлено в аксонометрии изображение трехлопастного ветродвигателя. На фиг. 2 изображено поперечное сечение лопасти ветродвигателя. На фиг. 3 показан вид сверху на лопасти ветродвигателя. На фиг. 4 показана схематично геометрия винтовой линии, использованная при изготовлении лопастей (Винтовая линия, (далее - В.л), пространственная кривая, описываемая точкой М, которая вращается с постоянной угловой скоростью вокруг неподвижной оси OO' и одновременно перемещается поступательно с постоянной скоростью вдоль этой оси. В.л. называют также цилиндрической В.л., так как она расположена на поверхности
круглого цилиндра (фиг. 4). В.л. обладает важным свойством - ее можно перемещать по самой себе без изменения формы, что является основой для применения ее в технике для различного рода винтов. В.л. входит в класс линий откоса, характеризуемых тем, что касательная в любой точке М такой линии составляет постоянный угол с некоторой осью OO'. Примером линии откоса может служить также коническая В.л., расположенная на круглом конусе. Касательная в любой точке М этой линии составляет постоянный угол с осью конуса OO'.
Ветродвигатель содержит вертикальный вал 1 к которому с помощью распорок 2 крепятся лопасти 3. Вал 1 закрепляется нижним концом в подшипниковом узле консольно (на чертеже не показано). Лопасть 3 имеет аэродинамический профиль, внутри нее расположены жесткие направляющие 4. При этом задняя наружная и задняя внутренняя кромки имеют закругления радиусом R, а поверхность передней кромки имеет закругление радиусом r.
Ветродвигатель работает следующим образом. При любом направлении и любой скорости ветра лопасти 3 ветродвигателя начинают раскручиваться самостоятельно. При этом при той конструкции лопастей, которая показана на приведенных рисунках вращение лопастей будет осуществляться вправо. Чтобы вращение происходило влево конструкцию лопастей при изготовлении необходимо зеркально изменить. Данная конструкция лопастей обеспечивает достаточно большую парусность, что позволяет даже при небольшой скорости ветра снимать с ветродвигателя достаточно большой крутящий момент. Более того данная конструкция не раскручивается сильно даже при коротких сильных порывах ветра, поскольку обладает достаточной инерционностью. При скорости ветра до 7 м/с практически отсутствует шум при работе, это связано с тем, что выбранная геометрия аэродинамической поверхности способствует течению воздушного потока по поверхности лопасти в ламинарном режиме. Кроме того, поскольку концы лопастей также имеют аэродинамическую поверхность, то и здесь потоки воздуха при сходе с концов лопастей не завихряются и поэтому тоже не шумят. Следует отметить, что данная конструкция ветродвигателя хорошо себя зарекомендовала при небольших скоростях ветра. Кроме того используя форму поверхности, образованную вращающимися лопастями, в виде винтовой линии увеличивается эффективность использования ветрового потока приходящегося на единицу площади поперечного сечения ветродвигателя. Если использовать форму поверхности, образованную вращающимися лопастями в виде конической винтовой линии с расширением книзу, то в таком случае при одинаковом
снимаемом моменте с вала ветродвигателя улучшаются условия работы подшипникового узла, поскольку ветродвигатель установлен консольно.
Таким образом, предложенное техническое решение целесообразно использовать в регионах с преимущественно низкой скоростью ветра, а это, например, Западная Сибирь, где преимущественная скорость ветра 3÷5 м/с. Более того предлагаемую конструкцию рекомендуется устанавливать на крыше здания можно и жилого, в силу малошумности и отсутствия вибрации ветродвигателя. Все выше приведенное, позволяет в свою очередь удешевить и ускорить монтаж и эксплуатацию ветродвигателя, поскольку нет необходимости строить отдельную дорогостоящую мачту.