Ротор ветроколеса

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в  ветродвигателях с вертикальной осью вращения для преобразования энергии, получаемой из регенеративных источников.
Известен ротор ветроколеса (RU № 192838, МПК F03D3/06 от 2019.06.19) содержащий вертикальную ось вращения и лопасти, закрепленные между верхним и нижним торцевыми дисками, лопасти, в сечении перпендикулярном оси вращения ротора, выполнены в виде
цилиндрической поверхности второго порядка, образующей которой является парабола, при этом лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклонены вовнутрь лопасти по направлению от нижнего торцевого диска к верхнему торцевому диску.
Недостатком приведенного выше ротора ветроколеса, взятого за прототип, является наличие «мертвой зоны», когда крутящий момент равен нулю, т.к. лопасти не вращаются из-за возникающего равновесия действующих на них сил, вследствие тождественности коэффициентов сопротивления их боковых сторон. В противоположность «мертвой зоне» в роторе ветроколеса есть положение, соответствующее максимальному крутящему моменту, который возникает при повороте ротора на угол 90° относительно «мертвой зоны». Наличие двух положений с нулевым и максимальным крутящим моментом приводит к тому, что за один оборот вал ветроколеса испытывает два цикла, в которых нагрузка с максимальных значений падает до нулевых и с нулевых вновь возрастает до максимальных. Такая цикличность усугубляется наличием колебаний, присущим скорости ветра (v), приводящим к тому, что перегрузка в работе ветроколеса сверх номинальной мощности может наблюдаться даже при средних скоростях воздушного потока (vср), меньших расчетной скорости (vр).
Наиболее вероятные микропульсации скорости ветра могут быть оценены приближенной формулой v – vср = ±0,3vср. Отсюда следует, что перегрузки в работе ветроколеса могут возникать при средних скоростях воздушного потока vср ≥ (vр/1,3). Величина ожидаемых перегрузок при vср = vр будет доходить до 60-70%. В тех же случаях, когда vср > vр возможны еще большие перегрузки… (стр.194 [1]).
Таким образом, колебания скорости ветра, накладываясь на конструктивные недостатки ротора ветроколеса прототипа, могут стать причиной существенного увеличения степени циклической неравномерности вращения ротора ветроколеса и соответственно пульсаций при его вращении, что в свою очередь приведет еще к большим значениям пульсаций крутящего момента и мощности. Скачки величины крутящего момента, передаваясь на вал, способны негативно сказываться на дальнейшем процессе преобразования механической энергии в электрическую, ухудшая качество преобразования и сокращая срок службы рабочих единиц оборудования.
Цель полезной модели – улучшение условий самозапуска ветроколеса и уменьшение циклической неравномерности при его работе.
Техническим результатом полезной модели является изменение степени распределения ветровой нагрузки на ветроколесо по вертикали путем дифференциации лопастей ротора с сохранением их геометрических параметров с их симметричным угловым смещением по окружности в горизонтальной плоскости.
Технический результат достигается за счет того, что ротор ветроколеса, содержащий вертикальную ось вращения, лопасти, верхний и нижний торцевые диски, отличающийся тем, что ротор содержит средний торцевой диск и разделен на две части, лопасти ротора закреплены между верхним, нижним и средним торцевыми дисками, при этом в каждой из частей ротора лопасти в сечении, перпендикулярном оси вращения, имеют параболическую форму, установлены с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклонены вовнутрь лопасти, при этом лопасти одной части смещены по оси вращения относительного другой части на угол 90°, причем боковые стенки лопастей нижней части отклонены в направлении от нижнего торцевого диска к среднему торцевому диску, а боковые стенки лопастей верхней части в направлении от верхнего торцевого диска к среднему торцевому диску.
На Фиг.1 изображен ротор ветроколеса, общий вид. На Фиг.2 изображен вид спереди. На Фиг.3 вид сверху (верхний и средний торцевые диски не отображены).
Ротор содержит вертикальную ось вращения 1, нижний 2, средний 3 и верхний 4 торцевые диски, между которыми закреплены лопасти 5, 6 нижнего и 7, 8 верхнего роторов. Нижний и верхний роторы расположены поярусно, при этом лопасти одного ротора смещены по оси вращения 1 относительно другого на угол 90°.
Ротор работает следующим образом.
Разделение ротора ветроколеса на две равные части, и их последующее симметричное угловое смещение приводит и к разделению ветровой нагрузки действующей на ветроколесо по вертикали, при этом суммарная составляющая ветровой нагрузки остается неизменной. Набегающий на ветроколесо поток с плавной поочередностью воздействует на каждый из роторов. Помимо отсутствия «мертвой зоны», при таком цикле работы, в предлагаемом роторе ветроколеса значительно уменьшается неравномерность (пульсации) вращения, т.к. сразу же после постепенного начала выхода одного из роторов из положения максимального крутящего момента в зону воздействия ветрового потока постепенно начинает входить второй ротор, достигая положения, соответствующего максимальному значению крутящего момента, после чего цикл повторяется. Поток, попадая вовнутрь одного из роторов в начале своего вхождения вовнутрь одной из лопастей, вогнутой стороной обращенной навстречу к потоку, за счет того, что лопасти своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему воздушному потоку, испытывает локальное сжатие и, как следствие, последующее ускорение и, скользя по внутренней части лопасти, отдавая ей часть своей энергии, через межосевой зазор попадает во внутреннюю часть противолежащей лопасти, уменьшая разность давлений между наветренной и заветренной частями ротора. Торцевые диски, один из которых установлен по центру ротора, между лопастями, а два других, расположенных сверху и снизу ротора, ограничивают движение потока внутри ротора, задавая траекторию движения, уменьшая при этом степень нежелательного перетекания воздушного потока из зон повышенного давления к зонам с пониженным давлением образующихся на торцах лопастей, приводящих, в случае отсутствия торцевых дисков, к образованиям концевых вихрей, с последующим ухудшением рабочих характеристик ротора ветроколеса.
Отклонение наружных боковых стенок лопастей нижнего ротора от нижнего торцевого диска к среднему торцевому диску и верхнего ротора от верхнего торцевого диска к среднему торцевому диску, уменьшает долю профильных потерь ротора.
Литература
1. Ветроэлектрические станции Текст. / В. Н. Андрианов, Д. Н.
Быстрицкий, К. П. Вашкевич, В. Р. Секторов Ветроэлектрические станции. -Л.: Госэнергоиздат, 1960. 319 с.