Вертикальный ветродвигатель золотого сечения
VERTICAL GOLD-SECTION WIND MOTOR

Описание изобретения.
Настоящие изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано при создании ветрогенераторов для получения механической или электрической энергии.
Роторный ветродвигатель содержит вертикальную ось вращения, лопасти и крепления, жестко соединяющие лопасти и вал.
Целью изобретения является повышение эффективности использования энергии ветра и упрощение конструкции ветродвигателя, а также повышение привлекательности и эргономичности изделий.
Существует множество видов вертикальных ветродвигателей. Один из наиболее популярных - это ветродвигатель с ротором Савониуса (Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. - 1967, стр. 18, 19). Ветродвигатель представляет собой каркас, в котором размещена система из четырех попарно соосных полуцилиндров, установленных на горизонтальные диски. Он прост в изготовлении, но недостатками такого решения является низкий КПД. Известен Составной ротор типа Савониуса (Патент RU 2182255), содержащий две цилиндрические лопасти, выполненные составными из отдельных щитков, установленных с небольшими промежутками, отличающийся тем, что один из продольных концевых участков каждого щитка отогнут вовнутрь лопасти и выполнен в виде крыла со спинкой, обращенной во внешнюю сторону от щитка, а противоположный концевой участок щитка размещен по отношению к соседнему щитку внахлестку и образует с ним конфузор во внешнюю сторону лопасти. Такая конструкция, так же как и подобные, рассчитана только на прямое попадание ветра на лопасти, а дополнительные выступающие детали уменьшают аэродинамические свойства лопастей, не давая им разгоняться, а при порывистых ветрах возможна неравномерная и неустойчивая работа.
Стоит отметить, что во всех ветромоторах типа Савониуса используется сила прямого попадания ветра на одни лопасти, они используют рабочую поверхность, обращенную к потоку воздуха, в то время как остальные лопасти получают лобовое столкновение с потоком воздуха, противоположное движению ветромотора. Известны также такие ветромоторы, которые в вертикальной плоскости изогнуты по спирали, например Патент RU 2210000, но они лишь немного меняют угол лобовой атаки, а повышение эффективности происходит в основном за счет более равномерной работы.
Хорошими разгонными свойствами обладают ветромоторы с ротором Дарье. Известно много изобретений такого типа ветродвигателей как зарубежных, так и российских (патенты №21226500 RU от 18.06.2001, №2188335 RU от 18.06.2002, RU 2454564). Ротор Дарье представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух и более аэродинамических лопастей, закрепленных на радиальных балках. На каждое из крыльев, движущихся относительно потока, действует подъемная сила, величина которой зависит от угла между вектором скорости потока и мгновенной скорости крыла. Поскольку для возникновения подъемной силы необходимо движение крыльев, ротор Дарье характеризуется плохим самозапуском.
Известен ветромотор «Maglev vind power generator» (US D647477 S1), состоящий из оси, ветромотора типа Савониуса и второго ветромотора больших размеров типа Дарье. Оба ветромотора неподвижны относительно друг друга. Принципом работы такого комбинированного Ветромотора является поэтапное использование разных аэродинамических сил: для старта и разгона при малом ветре используется прямое попадание ветра на лопасти и малый ветромотор Савониуса, а для дальнейшей работы при большем ветре - ветромотор Дарье и подъемная сила. Недостатками такого устройства являются:
а) Когда на определенном этапе работает один ветромотор, предназначенный для определенной скорости ветра, второй мешает. Например, при хорошем ветре, когда работает подъемная сила и ветромотор типа Дарье, второй ветромотор типа Савониуса не может поддерживать такого темпа и препятствует разгону ветромотора типа Дарье, а при порывистых ветрах неравномерная работа ветромотора Савониуса так же понижает эффективность ветромотора типа Дарье.
б) Производство такого ветромотора представляет сложность в том, что для изготовления одного устройства, по сути, придется сделать два ветромотора разных типов и соединить их.
На основе этих двух классических типов ветромоторов Дарье и Савониуса были проведены балансирующие расчеты и по их результатам был получен ветромотор, использующий оба аэродинамических эффекта одновременно (в одном крыле). Целью расчетов было максимально приблизить лопасти Савониуса к геометрии лопастей Дарье, но не потерять свойства прямого попадания ветра на рабочую плоскость, а лопасти Дарье изменить в сторону лопастей Савониуса так же, не теряя подъемную силу. На определенном этапе расчетов две линии сошлись в одну, а при определении геометрической принадлежности стало понятно, что она соответствует «спирали золотого сечения». Также важными причинами для использования «золотой спирали» в геометрии лопастей стало повсеместное нахождение этой «фигуры» в природе и особенно в атмосферных явлениях, таких как циклоны и ураганы, и уникальные кинематические свойства.
Для подтверждения теории были изготовлены и испытаны ветродвигатели, взаимоисключающие разные аэродинамические силы.
1) Ветродвигатель с двумя лопастями в горизонтальной плоскости аэродинамической (каплевидной) формы, средние линии лопастей соответствуют части «спирали золотого сечения». Испытания показали, что его поведение соответствует поведению ветродвигателей типа Дарье: для старта требуется внешнее воздействие для возникновения подъемной силы, а после начала движения он уверенно набирает скорость более 300 оборотов в минуту. Таким образом, было подтверждено, что с таким расположением лопасти относительно оси вращения ветродвигателя возникает движущая подъемная сила.
2) Изготовлен и испытан ветродвигатель с четырьмя лопастями в горизонтальной плоскости - соответствующие части «спирали золотого сечения». Лопасти изготовлены из листового тела и не имеющие аэродинамическую форму, необходимую для возникновения подъемной силы. Испытания показали, что его поведение соответствует поведению ветродвигателей типа Савониуса: движение начинается сразу с подачей ветра, скорость меняется пропорционально скорости ветра.
А также изготовлен и проходит поэтапное испытание на местности ветрогенератор с ветромотором 120 на 100 см, установленный на опору высотой 6 метров над землей, лопасти этого ветромотора соответствуют частям золотой спирали и по горизонтали и по вертикали, всего лопастей 5 штук (Фиг. 1). Испытания состоят из трех этапов измерения показателей; 1),лопасти изготовлены из листового тела и соответствуют ветромоторам типа Савониуса; 2) придание лопастям формы вытянутой капли (аэродинамической формы ветромотора Дарье), используя тот же каркас, путем добавления второго листового тела. 3) Добавление крышки сверху ветромотора для увеличения внутреннего давления воздуха. Испытания должны более точно показать значимость каждого элемента.
Всего было изготовлено и испытанно более 20 разных ветромоторов размером от 10 до 50 см. Испытания показали:
1. Движение ветромотора начинается от очень слабого ветра (менее 0.5 м\с).
2. Максимальная скорость вращения достигает более 300 оборотов в минуту.
3. При резкой смене направления ветра и порывистом ветре движения остаются плавными, потеря ориентации и резкие скачки скорости не наблюдались.
4. При небольшой фиксированной скорости ветра, скорость вращения ветромотора увеличивалась плавно, что говорит о разгонных качествах.
Также испытания были направлены на установление оптимального варианта геометрии и количества лопастей, в рамках «спирали злотого сечения». В испытаниях участвовали ветромоторы с разным количеством лопастей от 2 до 8. Было установлено, что чем больше количество лопастей, тем меньше стартовая скорость ветра, но максимальная скорость вращения меньше и времени для достижения максимальной скорости требуется больше. Также в испытаниях участвовали ветромоторы с разной длиной и толщиной лопасти, которые показали разные результаты. Был сделан вывод, что при выборе геометрии и количества лопастей следует учитывать погодные условия эксплуатации и требуются дополнительные, более точные испытания и расчеты для этих условий.
По результатам всех исследований была установлена оптимальная длина лопасти, сохраняющей свойства двух видов ветромоторов, работающей при любой скорости ветра. Максимальная длина одной лопасти ветромотора равна одной части (одному шагу) «спирали золотого сечения» (Фиг. 2), при количестве лопастей от 2 до 8.
Вертикальный ветродвигатель золотого сечения
Очень важно отметить, что самым удивительным фактом является связь между золотым сечением и абстрактными идеями красоты и совершенства, которыми так увлечено человечество. Леонардо да Винчи, Лэ Корбюзье, Сальвадор Дали и другие легендарные личности были очарованы красотой золотого сечения. Заглянув далеко в космос с помощью современных телескопов, мы увидели невероятные картины галактик, закручивающиеся в спирали золотого сечения. Если внимательно посмотреть на окружающую нас природу, мы увидим живых существ, развивающихся по спиралям золотого сечения. Использование золотого сечения в ветроэнергетике повысит привлекательность и эргономичность устройств, появится возможность использования их в рекламе и артобъектах и увеличит популярность всей отрасли.
Такой универсальный геометрический принцип повсеместно проявляется в творениях природы и искусства, но записать это практически невозможно, так как представляет собой формулу из бесконечного ряда цифр, которые никогда не образуют повторяющуюся группу. Существует много способов математического выражения спирали «золотого сечения», над этим вопросом работали лучшие ученые во все времена (Архимед, Бернулли, Дюрер и другие), логарифмические и геометрические спирали, уравнения, функции, кривые, фракталы и все что угодно, все это очень близко и похоже, но точный ответ пока не найден. Это связано с общим понятием «золотого сечения», которое до сих пор является очень популярным предметом для исследования не только в математике, но и физике, биологии, философии и других науках.
Для определения необходимой части спирали золотого сечения мы предлагаем 2 способа.
1. Геометрическое построение спирали, близкой к спирали «золотого сечения», можно осуществить методом приближенного построения спиралей, предложенным Дюрером (Фиг. 3). Возьмем прямоугольник золотого сечения N1M1M2M3 с отношением длин сторон N1M3 и N1M1, равным Ф, и впишем в него квадрат N1M1N2M4, где Ф=1,618033 и является математическим выражением золотого сечения. Полученный при этом прямоугольник N2M2 М3М4 тоже фигура золотого сечения, поскольку М2М3/М3М4=Ф, что вытекает из соотношения 1/(Ф-1)=Ф. Точно таким же способом из N2M2M3M4 получим N3M3M4N5 и так далее. Неограниченно продолжая это деление, образуем последовательность прямоугольников золотого сечения, убывающую в отношении Ф и асимптотически приближающуюся к точке пересечения диагоналей М1М3 и М2М4, называемой полюсом. Соединяя точки N1 и N2, N2 и N3, N3 и N4 и т.д. четвертями дуг окружностей соответствующих радиусов, получим кривую, приближенную к «золотой спирали». Одна из дуг, например N1 и N2, как раз и является средней линией лопасти ветромотора, а полюс О это ось вращения. Нужная нам часть может быть любой из дуг, так как их отношения к полюсу равны.
2. Геометрическое определение необходимых частей по имеющейся золотой спирали. Приближенных к золотой спирали фигур существует достаточно много, широко известно уравнение спирали Архимеда: ОБ:ОА=ОВ:ОБ=ОГ:ОВ=…=1.618 (ОБ+ОГ):(ОВ+ОА)=…=1.618, или логарифмические спирали, содержащие в формулах число Ф, кроме того достаточно нерукотворных золотых спиралей. Эти фигуры, в отличие от спирали Дюрера, не содержат дуг окружностей, но выбрав произвольную точку на кривой их также можно вписать в прямоугольник отношения сторон которых равно Ф, а далее по упомянутому ранее принципу построения золотой спирали определить необходимые нам части (Фиг. 4).
При более подробном рассмотрении интересующей части «спирали золотого сечения» была определена упрощенная и более удобная в производстве схема, отображенная на Фигуре 5.
Стоит отметить то, что использование спирали золотого сечения по предложенным ранее способам при изготовлении ветрогенератора неудобно, так как при расчетах одним из главных критериев является размер и соответственно диаметр ветродвигателя. Еще одной причиной нежелательного использования спирали золотого сечения в предложенном ранее виде - это разногласия среди разных ученых и экспертов о способах и точности геометрически или математически полученных изображений спирали золотого сечения. Поэтому необходимо сведение всех полученных данных в простой, понятный и удобный для всех вид с использованием известных и неоспоримых чисел и форм. Для этого необходимо выразить отношения между основными деталями лопастями и валом и определить их формы. Чтобы определить форму лопасти, можно использовать основы аэродинамики крыла самолета, где при расчетах используются такое понятие, как хорда крыла. Обычно определяют верхнюю среднюю и нижнюю хорду крыла. Если сравнивать лопасть вертикального ветродвигателя вид сверху и крыло самолета вид сбоку, то и на лопасти также можно определить 3 хорды. Подобным образом, используя хорды, рассчитывают аэродинамические свойства ветродвигателей типа Дарье. Для выражения нашей формулы вместо понятия «средняя хорда» мы используем «средняя линия лопасти», так как понятие «хорда» используется как геометрический термин.
Для того чтобы составить формулу, удобную для производства, рассмотрим свойства прямоугольника «золотого сечения». Возьмем прямоугольник с отношением сторон, равным ф, BEMN (Фиг. 6). Впишем в него квадрат BOAN. Проведем диагонали в полученных прямоугольниках и квадрате: NE, ОМ, и ВА. Точка пересечения диагоналей NE и ОМ, С - ось вращения ветродвигателя, а дуга окружности l с центром окружности О - средняя линя лопасти. Из чертежа виден необходимый нам треугольник CAB, сравним его с треугольником MNE. Самый простой способ измерить углы. На данном чертеже измерения сделаны с помощью графической программы «Компас-3D» Углы СБА и ENM c вершинами С и М равны, так же как и прямые углы ВСА и NME, из этого следует что треугольники подобны и соответственно отношение их катетов равны, в нашем случае равны ф.
Существует еще много способов определения необходимых свойств золотого сечения, представленный способ самый простой и наглядный. Стоит также отметить, что при математических вычислениях появляется небольшая погрешность, очевидно связанная с природой самого числа ф, однако ветродвигатели, изготовленные и испытанные по чертежам, полученным способом построения золотой спирали Дюрера и представленным нами способом, принципиально не отличались. Представленная формула удобна тем, что из нее сразу понятен радиус, а это значит что и размер будущего ветродвигателя (ВС).
В результате мы получаем, что ветродвигатель имеет вертикальную ось вращения, как минимум две лопасти и крепления, соединяющие лопасти и вал, в горизонтальной плоскости лопасти имеют форму вытянутой капли, отличается тем, что в горизонтальной плоскости средняя линия каждой лопасти совпадает с частью «спирали золотого сечения», то есть средняя линия лопасти является дугой одной четвертой окружности, а расположение ее к оси вращения относится так, как хорда этой дуги к вершине прямого угла треугольника, где хорда является гипотенузой, а отношение катетов равно ф.
Список использованной литературы
1. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. - 1967
2. Патенты: RU 2182255, RU 2210000, №21226500 RU, №2188335 RU, RU 2454564, US D647477 S1
3. Грант Аракелян. «Теория ЛМФ и принцип золотого сечения».
4. ru.wikipedia.org - свободная энциклопедия «Фибоначчи».
5. Фернандо Корблан. «Мир математики. Золотое Сечение». 2010 г. (пер. с англ. М Де Агостини).