Ротор вертикально-осевой ветряной установки
ROTOR OF VERTICAL AXIAL WIND-DRIVEN UNIT

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую энергию.
Известен ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения (по патенту RU2347104), содержащий вращающиеся вокруг вертикальной оси вертикальные крылья соединенные со ступицей радиальными аэродинамическими траверсами, снижающими ветровое сопротивление, к которым с чередованием прикреплены указанные крылья по направлению вверх, образуя верхний ярус ротора, и по направлению вниз, образуя нижний ярус, со смещением. Траверсы выполнены в виде центробежных аэродинамических тормозов, имеющих форму аэродинамического крыла и замедляющих вращение при больших ветрах.
Используемые вертикальные крылья (ротор с такими, аэродинамическими крыльями, называют «ротор Н-Дарье»), характеризуются высокой эффективность работы (коэффициент быстроходности - 2-4- во сколько раз лопасти могут крутиться быстрее ветра) при сильном, стабильном ветре. Недостатком такого ротора с является невозможность старта и неустойчивая работа при небольших, порывистых ветрах.
Известен ветроэлектрический генератор (по патенту RU120152), на роторе которого установлена ветротурбина с вертикальной осью вращения, на вертикальном валу ветротурбины, при помощи траверс, закреплены вертикальные крылья. Над верхним концом вала ветротурбины установлен роторный ветродвигатель Савониуса («ротор Савониуса»), имеющий механическую связь с валом через обгонную муфту. Ветродвигатель Савониуса раскручивает генератор на малых, порывистых ветрах – его коэффициент быстроходности равен 1. Недостатком  такого ветрогенератора является сложность конструкции, повышенная металлоемкость.
Известен ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения (по патенту RU2104408) в котором траверса выполнена в виде крыла (лопасть аэродинамического профиля). Такое крыло работает идентично с основными, вертикальными крыльями. Требуется синхронизовать их работу, но они расположены в разных плоскостях и на разном расстоянии от оси ротора – разные участки траверсы набегают на поток ветра с разными скоростями. Кроме того вертикальные крылья могут поворачиваться по углу в зависимости от ветровой нагрузки на местности, траверсы повернуть невозможно. Траверсы, выполненные в виде лопастей  аэродинамического профиля в большинстве случаев будут тормозить основные, вертикальные крылья.
Известен ротор вертикально-осевого ветродвигателя  (по патенту RU123851, выбран в качестве прототипа), в конструкцию ротора введен электромеханический механизм управления щитками. Механизм включает датчик измерения скорости и направления ветра, связанный с ним программный блок и исполнительный механизм, который осуществляет поворот щитков вокруг своих осей. Поворотные щитки установлены на горизонтальных траверсах. На горизонтальных траверсах закреплены вертикальные крылья (лопасти крыльевого профиля). Наличие щитков увеличивает крутящий момент ротора ветродвигателя при малых оборотах и низком напоре ветра, что обеспечивает его надежный самозапуск. Его недостатком является сложность  конструкции, большой вес. Конструкция является ненадежной при эксплуатации, особенно при условиях минусовых температур, при наличии снега, пыли. Характеризуется инерционностью - при малых, порывистых ветрах происходит рассогласование данных от средств измерений, в т.ч. за счет их погрешности, с работой исполнительного механизма. Из-за сложности согласования работы щитков, затруднено использование более чем двух горизонтальных траверс (расположенных в одной плоскости). На обеспечение работоспособности электромеханического механизма требуется дополнительная электроэнергия, что снижает КПД ветросолнечной станции.
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции ротора вертикально-осевой ветряной установки, повышение ее надежности, облегчение конструкции. Кроме того, обеспечивается самозапуск при малых, порывистых ветрах.
Технический результат достигается в роторе вертикально-осевой ветряной установки, содержащем центральную ось, от которой радиально отходят траверсы, на которых вертикально закреплены крылья. Траверсы выполнены в виде профилированных пластин, образующих вогнутые лопасти. Вогнутая лопасть может иметь в поперечном сечении форму радиусного закругления или форму углового загиба. Ротор содержит от трех до пяти пар траверс, каждое крыло закреплено на паре траверс, расположенных одна под другой. Ротор может быть образован несколькими ярусами, по-меньшей мере, двумя ярусами траверс с крыльями, смещенных друг относительно друга в тангенциальном направлении.
Изобретение поясняется рисунками:
фиг. 1 - ротор вертикально-осевой ветряной установки;
фиг. 2 - траверса с вогнутой лопастью радиусного закругления;
фиг. 3 - траверса с вогнутой лопастью углового загиба;
фиг. 4 - сечение крыла.
Ротор вертикально-осевой ветряной установки (далее, также - ротор) содержит центральную ось 1, от которой радиально отходят траверсы 2, расположенные, преимущественно, горизонтально (фиг. 1). Ротор, преимущественно содержит три пары траверс 2, расположенных одна под другой, пары располагаются равномерно по окружности, то есть, угол между ними в горизонтальной плоскости составляет 60 градусов. На концах пар траверс 2 закреплены крылья 3: для повышения прочности и жесткости конструкции, каждое крыло 3 закреплено на концах двумя горизонтальными траверсами 2. Крылья 3 представляют собой лопасти с аэродинамическим профилем, а именно с крыльевым профилем (фиг. 4), располагаются преимущественно вертикально.  Количество крыльев 3 и соответственно  пар траверс 2, расположенных на одном уровне по вертикали в одном ярусе  – от трех до пяти штук, в зависимости от мощности ветряной установки. При их меньшем количестве не происходит самозапуска и возникают проблемы балансировки. При увеличении числа крыльев 3, быстроходность ротора падает.
Траверса 2 выполнена в виде профилированной, например, металлической пластины, образующей вогнутую лопасть 4. Вогнутая лопасть 4 может иметь в поперечном сечении форму радиусного закругления (фиг. 2) или форму углового загиба (фиг. 3). Такая форма траверсы 2, позволяет снизить толщину материала и массу всей конструкции: кроме захвата воздушного потока, обеспечивает жесткость траверсы 2 – вогнутая лопасть образует ребро жесткости.
Ротор вертикально-осевой ветряной установки может быть образован несколькими ярусами, по меньшей мере, двумя ярусами траверс 2 с крыльями 3, смещенных друг относительно друга в тангенциальном направлении. Вогнутые лопасти 4 сориентированы в одном направлении с крыльями 3: направление от выпуклой поверхности к вогнутой поверхности лопасти 4 совпадает с направлением от широкой части 5 профиля крыла 3 к узкой части 6. На фиг.1 показано три яруса со смещением между ярусами 30 градусов. Таким образом, повышается стабильность работы при разнонаправленных ветрах
При малых ветрах, при старте ротора происходит захват потока вогнутыми лопастями 4 траверс 2, реализуется работа ротора Савониуса. Он хорошо раскручивается на малых, порывистых ветрах, но его коэффициент быстроходности равен 1, поэтому как основной генератор его использовать неэффективно. После запуска ротора и при сильных ветрах основной вклад во вращение ротора вносят крылья 3, поскольку лопасти крыльевого профиля обеспечивают вращение ротора со скоростями, превышающими скорость ветра.