ВЕТРОМАХОВИК

Человечеством с древних времен используется энергия воздушного потока (ветра), однако широкое распространение ветрогенераторов наталкивается на их конструктивный недостаток-малую энергоемкость. Небольшие по мощности ветрогенераторы представляют собой громоздкие и сложные сооружения. В качестве привода ветрогенераторов используются ветроколеса различных конструкций.
Классические лопастные ветроколеса с горизонтальной осью вращения имеют большой гироскопический момент инерции. Неповоротливость лопастного ветроколеса при изменении направления ветра ведет к снижению его коэффициента полезного действия (КПД).
Роторные ветроколеса с вертикальной осью вращения быстрее реагируют на изменение направления ветра, что повышает их КПД. Однако половина лопастей роторного колеса вращается против потока ветра, что также снижает его КПД.
Для увеличения КПД роторного ветроколеса применяют экраны, которые закрывают нерабочую половину ротора, либо лопасти ротора с обеих сторон выполняются различной формы, которая обусловливает различный коэффициент сопротивления воздушному потоку. Ротор вращается за счет разницы давлений на различные стороны лопастей, при этом используется не вся энергия ветра, а только часть ее.
Поднять КПД роторного колеса можно с помощью увеличения количества лопастей, одна из подобных конструкций зарегистрирована как миниэнергоблок (патент на полезную модель RU 67193 U1).
Указанная конструкция позволяет увеличивать число и соответственно площадь рабочих лопастей для наиболее эффективного использования его энергии.
Недостатки этой конструкции:
1. Сложность изготовления по сравнению с обычным ветроколесом, т.к. увеличивается число вращающихся элементов. На свободно установленные лопасти во время вращения конвейера действуют инерционные силы, которые при определенных скоростях могут привести к их вибрации в потоке воздуха и торможению.
2. Увеличенные габаритные размеры всей установки за счет увеличения расстояния между осями вращения колес.
3. Большая инерционность конструкции вследствие большого плеча, на котором работает конвейер с лопастями относительно оси поворота в потоке воздуха.
4. Рабочие плоскости находятся под углом к направлению ветра, что снижает геометрический КПД всей установки.
Я предлагаю улучшить конструкцию прототипа, развернув на 90° ось, соединяющую оба вращающихся барабана-маховика, уменьшить общее число и изменить конструкцию лопастей, использовать инерцию вращения обоих барабанов-маховиков для прохождения угла холостого хода. Ветромаховик (вид сверху) показан на рис.1а).
1 - дополнительный барабан-маховик; 2 - транспортер; 3 - основной барабан-маховик; 4 - лопасть; 5 - защитный кожух; 6 - лопасть.
Ось, соединяющая оба вращающихся барабана, располагается параллельно потоку ветра. Поток ветра воздействует на лопасти колес под прямым углом на большем отрезке рабочего хода, что увеличивает геометрический КПД установки. При этом ось вращения основного барабана-маховика 3 является осью поворота установки по ветру, а защитный кожух выполняет функции поворотной плоскости. При необходимости вдоль указанной оси устанавливается дополнительная поворотная плоскость (на рисунке не показана). При минимальном числе лопастей имеющийся холостой ход (угол α) транспортер с лопастями проходит за счет инерции вращения обоих барабанов-маховиков. Лопасти могут быть складывающимися, как показано на рис.1б). Здесь 1 - вспомогательный барабан-маховик; 2 - упор; 3 - опорный ролик; 4 - лопасть; 5 - транспортер; 6 - основной барабан-маховик; 7 - шарнир; 8 - защитный кожух. Лопасть 4 установлена
на транспортере 5 с помощью шарнира 7. Лопасти в рабочем положении прижаты пружинами шарниров 7 (на рисунке не показаны) и под напором ветра жестко устанавливаются в упор 2. Их вибрация, либо неуправляемая работа исключаются. Лопасть складывается при наезде на направляющие защитного кожуха, либо при движении по непрерывным направляющим (на рисунке не показаны). При этом упор 2 позволяет лопасти поворачиваться на шарнире 7 только в сторону, противоположную движению транспортера. С целью убрать боковые усилия, возникающие при работе одного транспортера с лопастями, рядом с ветромаховиком на опорной платформе (на рисунке не показана) устанавливается второй ветромаховик, выполненный по принципу зеркального отражения первого. Рабочие лопасти установки из двух ветромаховиков могут быть наружные или внутренние. На рис.1 в) показана установка из двух ветромаховиков с наружными рабочими лопастями.
На рис.1 д) показана установка из двух ветромаховиков, где рабочие внутренние лопасти 1 первого установлены попеременно с рабочими внутренними лопастями 2 второго, что дает возможность уменьшить угол холостого хода. Угол холостого хода также можно уменьшить за счет разности диаметров основного и вспомогательного маховиков, как на рис.1 ж). Здесь 1 - защитный кожух; 2 - вспомогательный барабан-маховик; 3 - основной барабан-маховик; 4 - лопасть. Защитный кожух в этом варианте может выполнять функцию потокообразующего канала, увеличивая длину рабочего хода, и повышая КПД установки. На рис.1 е) показаны два ветромаховика с внутренними рабочими лопастями, которые на время рабочего хода соединяются в замок 1, образуя рабочую плоскость, что позволяет уменьшить габаритные размеры установки. Этот вариант установки из двух ветромаховиков можно заключить в полностью закрытый защитный кожух, повторяющий контур периметра рабочей плоскости. При этом могут быть установлены лопасти с уплотнителем как на рис.1 г). Здесь 1 - транспортер; 2 - упор; 3 - шарнир; 4 - уплотнитель; 5 - лопасть; 6 - опорный ролик. Уплотнение лопастей повышает КПД всей установки за счет уменьшения потерь на перетекание ветрового потока вокруг рабочей плоскости. На рис.1 з) показан вариант из двух ветромаховиков, при котором холостой ход отсутствует, что позволяет снизить вес установки. Здесь расстояние S между осями барабанов-маховиков равно половине длины окружности каждого барабана-маховика с диаметром D, а число лопастей не менее 3. На рис.1 стрелками показано направление потока.
Основные отличия от прототипа:
1. Оси вращения барабанов-маховиков установлены на линии, параллельной потоку ветра.
2. Плоскости лопастей перпендикулярны потоку.
3. Конструкция шарниров обеспечивает жесткую фиксацию лопастей в рабочем положении.
4. Лопасти могут иметь уплотнительные элементы для прямолинейного движения внутри защитного кожуха, выполненного виде трубы.
5. Использование кинетической энергии барабанов, выполняющих функции маховиков для прохождения угла холостого хода.
6. Приводные барабаны расположены на любом расстоянии друг от друга, и это не влияет на геометрический КПД установки.
7. На транспортере может быть установлено всего две лопасти, работающие попеременно.
Положительный эффект:
1. Простота изготовления.
2. Малые габаритные размеры
3. Большой срок службы.
4. Повышенный КПД установки.
5. Повышение энергоемкости ветроприводов с роторными ветроколесами.