Ротор ветроколеса

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в ветродвигателях с вертикальной осью вращения с целью повышения коэффициента полезного действия ротора ветроколеса при его взаимодействии с низкопотенциальными ветровыми потоками.
Известен электромагнитный подвес вертикального вала ротора (RU 2626794, F16C32/04(39/06), от 20.04.2016), предназначенным для использования в различных электрических машинах с вертикальным расположением вала ротора, таких как электромеханические накопители энергии, ветрогенераторы и т.п., содержащий источник питания, датчик положения вала, систему управления, неподвижный ферромагнитный сердечник с обмотками, вал, на котором закреплен элемент, создающий магнитное поле. На роторе закрепляется шихтованный ферромагнитный сердечник цилиндрической формы, в пазы сердечника вокруг вала ротора укладывается обмотка, выводы которой соединены с двумя контактными кольцами, размещенными на валу. Для создания постоянного магнитного поля, пересекающего проводники обмотки ротора, на неподвижной части подвеса устанавливаются два П-образных шихтованных ферромагнитных сердечника с обмоткой возбуждения. Вал имеет возможность перемещаться в осевом направлении, нижняя часть вала упирается в подпятник, для фиксации вала в радиальном направлении используются два направляющих подшипника.
Недостатком приведенного выше устройства и всех подобных устройств с активной магнитной подвеской является низкий коэффициент полезного действия вследствие необходимости в постоянном подводе дополнительной энергии для поддержания конструкции в равновесном состоянии.
Известно устройство освещения уличных рекламных щитов на основе ветроэнергетической установки (RU №157306, F03D3/02(9/02) от 19.03.2015), содержащее две вертикальные стойки с размещенных на них модулем, состоящим из ламп с питанием от фотоэлектрических панелей, аккумуляторы и осветители в виде линейки светодиодов, при этом ветроэнергетическая установка выполнена в виде четырех электрогенераторов на магнитных подвесах, попарно установленных сверху и снизу модуля, электрически соединенных с аккумуляторами, и содержащими два ротора Савониуса и два ротора Дарье, установленных соосно с каждой из пар электрогенераторов.
Недостатком приведенного выше устройства является нераскрытие в описании конструктивных характеристик используемого магнитного подвеса.
Известна ветроэнергетическая установка (RU №123850, МПК F03D1/00, от 26.04.2012), содержащая вращающееся на вертикальной оси на двух радиальных подшипниках ветроколесо, состоящее из ступицы с крышкой и закрепленных на траверсах вертикальных аэродинамических лопастей, мачту, зафиксированную оттяжками, снабженная магнитным подвесом ветроколеса, выполненным в виде смонтированных в верхней части ступицы двух магнитных поясов на основе постоянных магнитов, установленных друг над другом с заданным зазором и обращенных друг к другу одноименными полюсами, над которыми размещен ограничитель вертикально-осевого перемещения ветроколеса, выполненный в виде упорного шарикоподшипника или подшипника скольжения из материала с низким коэффициентом трения, например, полиамида или фторопласта, при этом нижний магнитный пояс установлен на оси, а верхний магнитный пояс прикреплен к крышке ступицы.
Недостатком приведенной выше конструкции является низкий коэффициент использования энергии ветра.
Известно, что в лопастях вертикального ветроколеса, выполняемых в виде аэродинамического профиля, вследствие специфики их формы, расположения и взаимодействия с набегающим ветровым потоком, изначально заложен  значительный пусковой момент (или момент страгивания), требующий либо подвода дополнительной энергии для своего запуска (раскручивания), либо комбинирования конструкции ветроколеса с лопастями другой формы, например Савониуса, которые более эффективно взаимодействуют с низкоскоростными ветровыми потоками. Также аэродинамический профиль, принцип работы которого строится на разности давлений на его наружной и внутренней сторонах, помимо технологической сложности изготовления и доводки, при эксплуатации, крайне чувствителен к изменениям состояния шероховатости поверхности и формы, что значительно ухудшает его аэродинамические характеристики, например при налипании на его поверхности снега, грязи или образовании наледи.
В процессе вращения ветроколеса неизбежно меняется и угол атаки ветрового потока воздействующего на аэродинамический профиль. Известная в аэродинамике зависимость коэффициента подъемной силы аэродинамического профиля от угла атаки показывает, что аэродинамический профиль ветроколеса эффективно работает только на малой части своей круговой траектории.
Помимо возникающего индуктивного сопротивления, вследствие образования концевых вихрей на торцах лопастей, расположение траверс на фиг.2 прототипа, в совокупности с постоянно меняющимся углом атаки, будет ухудшать условия обтекания профиля, приводя к образованию вихрей как на его внутренних и внешних поверхностях, так и за траверсами, увеличивая общее сопротивление вращению ветроколеса.
Отсутствие авторегулировки величины зазора между магнитами и может стать причиной появления как дополнительных нагрузок на подшипник, с возрастанием потерь на трение, так и частичной потерей общей жесткости конструкции, т.к. величина магнитной индукции постоянных магнитов зависит от температуры, то воздушный зазор между постоянными магнитами величина непостоянная.
Наиболее близким по технической сущности прототипом является ротор ветроколеса (RU №192838, МПК F03D3/06 от 2019.06.19), содержащий вертикальную ось вращения и лопасти, верхний и нижний торцевые диски, между которыми закреплены лопасти, имеющие параболическую форму, установленные с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернутые навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклоненные вовнутрь лопасти в направлении от нижнего торцевого диска к верхнему торцевому диску.
Недостатком приведенного выше прототипа является низкий коэффициент использования энергии ветра.
Цель полезной модели – повышения коэффициента полезного действия и снижение начального пускового момента ротора ветроколеса.
Техническим результатом полезной модели является снижение общей составляющей сил противодействия вращению ротора ветроколеса возникающих в процессе его работы путем разгрузки подшипниковых узлов методом взаимного противодействия одноименных магнитных полей постоянных магнитов.
Технический результат достигается за счет того, что в роторе, содержащем вертикальную ось вращения, лопасти закреплены между верхним и нижним торцевыми дисками; форма лопасти, в сечении перпендикулярном оси вращения ротора, выполнена в виде цилиндрической поверхности второго порядка образующей которой является парабола; лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения; лопасти своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему потоку; наружные боковые стенки лопасти отклонены вовнутрь лопасти по направлению от нижнего торцевого диска к верхнему торцевому диску; ось ротора, жестко связанная с торцевыми дисками и лопастями, выполнена на магнитной опоре, состоящей из двух фиксирующих ротор ветроколеса от смещений в радиальном направлении миниатюрных радиальных подшипников, расположенных в верхней и нижней части оси и двух, разгружающих подшипники, магнитных поясов, состоящих из постоянных магнитов, расположенных одноименными полюсами друг напротив друга, смонтированных соосно в нижней части ротора на неподвижном основании и подвижном нижнем торцевом диске.
На фиг.1 изображен ротор ветроколеса, общий вид. На фиг.2 изображена конструкция верхнего и нижнего магнитных поясов с разнесенными частями. На фиг.3 изображены лопасти и нижний торцевой диск ротора ветроколеса, вид сверху (отклонение боковых стенок лопастей, для лучшей наглядности процесса обтекания, не показано).
Ротор содержит вертикальную ось вращения 1, установленную по скользящей посадке в миниатюрных радиальных подшипниках 2 и 3, установленных по прессовой посадке в подшипниковых корпусах 4 и 5, закрепленных в верхнем 6 и нижнем 7 неподвижных основаниях, которые соединены между собой посредством стоек 8. Между верхним 9 и нижним 10 торцевыми дисками, жестко связанными с осью вращения 1, закреплены лопасти 11 и 12. На нижнем неподвижном основании 7 установлено съемное нижнее магнитное кольцо 13, напротив которого, соосно ему, на подвижном нижнем торцевом диске 10, в нижней его части, установлено съемное верхнее магнитное кольцо 14. На верхнем и нижнем магнитных кольцах 13 и 14 закреплены магазины 15 и 16 служащие для точного относительного позиционирования устанавливаемых в них одноименными полюсами друг напротив друга поясов, состоящих из постоянных магнитов 17 и 18 (фиг.2).
Ротор работает следующим образом.
Потери ветроколеса складываются из аэродинамических и механических потерь. Аэродинамические потери обусловлены формой, расположением, условиями обтекания, а также качеством изготовления лопастей. Механические потери ветроколеса складываются в основном на преодоления сил трения возникающих в его конструктивных узлах, в частности в подшипниках.
Уменьшение механических потерь может быть достигнуто качеством изготовления механических узлов, конструктивными решениями, уменьшающими их количество, а также уменьшением веса деталей ветроколеса.
Предлагаемая конструкция ветроколеса предназначена для взаимодействия с низкоскоростными ветровыми потоками. Цель достигается как формой и расположением лопастей, так и использованием в его конструкции магнитной опоры.
∞
Форма лопастей в поперечном сечении представляет собой кривую второго порядка – параболу (фиг.3). Характерной особенностью параболы является постепенное нарастание кривой, вдоль которой скользит  ветровой поток V, набегающий на лопасть 12, который, скользя по поверхности лопасти, движется с постоянным ускорением, что исключает нарастание пограничного слоя на поверхности лопасти и как следствие способствует ее безотрывному обтеканию. Величина донного давления лопасти, вносящего значительную долю в лобовое сопротивление лопасти, уменьшается за счет того, что лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения. Такое положение лопастей обеспечивает свободное перетекание набегающего воздушного потока из внутренней части лопасти 11 во внутреннею часть лопасти 12, что способствует не только отсутствию образования застойных зон во внутренней части лопасти 11, но и в совокупности со снижающим профильные потери отклонением боковых стенок лопасти во внутрь лопасти, также уменьшает разность давлений между наветренной и заветренной частями лопастей 12. Благодаря тому, что лопасти своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему потоку, между внешней кромкой лопасти 11 и внутренней кромкой лопасти 12 образуется зона местного сужения, в которой поток, входящий вовнутрь лопасти 11, получает дополнительное ускорение, что придает потоку дополнительную энергию. Помимо увеличения скорости потока на входе, скорость потока также возрастает и на выходе, в зоне внешней кромки лопасти 12, уменьшая вихреобразование за лопастью.
Ось ветроколеса 1, нижний 10 и верхний 9 торцевые диски и закрепленные между ними лопасти 11 и 12 представляют из себя единую сборочную единицу, выполненную на магнитной опоре, состоящим из миниатюрных радиальных подшипников 2 и 3, устанавливаемых на оси 1 в ее верхней и нижней части по скользящей посадке, а также нижнего 13 и верхнего 14 магнитных дисков, на которых, для точной установки одноименными полюсами друг напротив друга верхних 18 и нижних 17 поясов, состоящих из постоянных магнитов, крепятся верхний 16 и нижний 15 магазины.
Известно, что магнитная индукция постоянных магнитов зависит от их температуры (например патент SU 304506 A1 от 04.01.1970), поэтому величина зазора между поясами 17 и 18 постоянных магнитов, у ветроколеса круглогодично эксплуатирующегося в естественных природных условиях, величина непостоянная. С целью компенсации влияния температурных перепадов на величину зазора, подшипники 2 и 3 своим внутренним кольцом, на оси 1, устанавливаются по скользящей посадке, а внешним кольцом, в подшипниковых корпусах 4 и 5 по прессовой посадке, что дает возможность оси 1 перемещаться в осевом направлении, самоустанавливая магнитную опору непосредственно в процессе работы и исключая нежелательные перегрузки в работе подшипников 2 и 3, которые лишь фиксируя магнитную опору без нагрузки в вертикальном положении требуют для своего вращения лишь незначительных затрат энергии, т.к. весь вес ротора «нейтрализуется» двумя поясами состоящими из постоянных магнитов одноименными полюсами направленных друг против друга.
В предлагаемой конструкции ветроколеса нет необходимости в использовании дополнительных опор в виде, например, опорных подшипников, что снижает вес и уровень шума при работе ротора ветроколеса, уменьшает потери на трение и как следствие уменьшает потери при передаче крутящего момента от ветроколеса на вал генератора.
Сила отталкивания постоянных магнитов в магнитной опоре подбирается в соответствии с весом ротора ветроколеса.
Магнитные пояса могут быть выполнены как цельными, так и состоящими из отдельных магнитов (сегментов).