ВЕТРОКОЛЕСО

Полезная модель относится к области ветроэнергетической техники и может быть использована в системах регулирования флюгерных ветроэнергетических установках, ось вращения рабочих органов которых направлена вдоль ветрового потока.
Флюгерные ветроэнергетические установки наиболее полно используют ветровую энергию в отличие от не флюгерных (не поворотных по направлению ветра) ветровых установок. Но флюгерные ветроэнергетические установки не нашли широкого применения в ветроэнергетической технике по причине того, что вращающиеся рабочие органы при эксплуатации создают большой гироскопический момент (кинетический момент вращающихся рабочих органов), который сохраняет свое неизменное направление в мировом пространстве. Для флюгерного изменения оси направления вращения рабочих органов с большим кинетическим моментом требуется чрезмерно большая прочность конструкции ветроэнергетической установки в боковых направлениях, особенно при штормовых порывах метра.
Известен автомат флюгерования лопастей ветроколеса аварийный, содержащий датчик оборотов ветроколеса в виде двух и более подпружиненных перпендикулярно его оси грузов и привод разворота лопастей, выполненный в виде соосной с осью ветроколеса пружины, расположенной симметрично вдоль оси ветрового колеса, с упором одного конца без возможности перемещения вдоль оси, при этом другой конец пружины связан с тягой разворота лопастей [1]. За счет центробежного расхождения подпружиненных грузов за пределы допустимых (аварийных) значений автоматически поворачиваются лопасти, уменьшается угол их атаки, что обеспечивает снижение скорости их вращения.
Недостаток известного устройства состоит в том, что при постоянной скорости ветра возможен нежелательный автоколебательный режим работы ветроколеса. Подпружиненные грузы снижают чувствительность ветроколеса к слабым потокам воздуха.
Наиболее близким известным техническим решением к предлагаемому является устройство для регулирования числа оборотов ветроколеса, которое содержит ветровое колесо с поворотными лопастями относительно их продольных осей и центробежный регулятор числа оборотов ветроколеса, регулирующие инерционные массы которого с помощью канатных тросов связаны с каждой поворотной лопастью [2}. Под действием центробежной силы инерционные массы поворачивают лопасти ветроколеса в сторону уменьшения их угла атаки при усилении ветра, что стабилизирует число оборотов ветроколеса.
Недостаток прототипа заключается в том, что при эксплуатации ветроколеса возникает большой гироскопический момент (кинетический момент вращающего рабочего органа), который, как упоминалось выше, сохраняет свое неизменное направление в мировом пространстве, что препятствует работе флюгера ветрового колеса из-за необходимости устранения больших боковых нагрузок на подшипники ветроколеса при суточном вращении Земли и при изменении направления ветра.
Целью полезной модели (техническим результатом) является обеспечение благоприятных условий работы флюгера ветровой установки путем взаимной компенсации гироскопических моментов с помощью спаренных (основного и дополнительного) ветроколес при коаксиальном расположении их осей вращения внутри одной по отношению к другой с противоположными направлениями их вращения. За счет работы флюгера повышается почти в два раза коэффициент использования энергии ветра. Другой целью полезной модели является повышение чувствительности ветроколеса к слабому ветру путем совмещения функций чувствительного и исполнительного элементов центробежного регулятора числа оборотов ветроколеса использованием только его подпружиненных лопастей.
Указанная цель достигается тем, что предлагаемое устройство содержит основное и дополнительное ветровое колесо, каждое из которых выполнено из цилиндрических направляющих с Т-образными шнековыми пазами и противодействующими пружинами внутри их и из лопастей с Т-образными выступами, установленными в Т-образных шнековых пазах цилиндрических направляющих с возможностью перемещения их под действием центробежных сил на расстояние, не превышающее четверти шага шнекового паза, диаметр дополнительного ветроколеса превышает диаметр основного ветроколеса, и установлено за основным ветроколесом по направлению ветра с коаксиальным расположением осей и противоположным направлением их вращения, при этом моменты инерции основного и дополнительного ветровых колес одинаковы и компенсируют друг друга для обеспечения работы флюгера.
Новизна полезной модели состоит в том, что предлагаемое ветроколесо содержит основное и дополнительное ветровое колесо, каждое из которых выполнено из цилиндрических направляющих с Т-образными шнековыми пазами и противодействующими пружинами внутри их и из лопастей с Т-образными выступами, установленными в Т-образных шнековых пазах цилиндрических направляющих с возможностью перемещения их под действием центробежных сил на расстояние, не превышающее четверти шага шнекового паза, диаметр дополнительного ветроколеса превышает диаметр основного ветроколеса, и установлено за основным ветроколесом по направлению ветра с коаксиальным расположением осей и противоположным направлением их вращения, при этом моменты инерции основного и дополнительного ветровых колес одинаковы и компенсируют друг друга для обеспечения работы флюгера, что повышает коэффициент использования энергии ветра и чувствительность ветроколеса к слабому ветру.
На фиг.1 и 2 показано расположение лопастей основного (малый диаметр) и дополнительного (большой диаметр) ветровых колес при слабом и сильном ветровом потоке соответственно. На фиг.3,а и 3,б изображено поперечное сечение лопастей ветроколеса при слабом и сильном ветровом потоке соответственно. На фиг.4 представлено схематичное расположение шнекового Т-образного паза цилиндрической направляющей ветроколеса.
На фиг.1…4 обозначено: 1 - лопасть дополнительного ветроколеса; 2 - цилиндрическая направляющая дополнительного ветроколеса; 3 - цилиндрическая направляющая основного ветроколеса; 4 - лопасть основного ветроколеса; 5 - флюгерная лопасть; 6 - неподвижная стойка ветровой установки; 7 - Т-образный выступ лопасти ветроколеса; 8 - направление ветрового потока; 9 - четверть шага шнекового Т-образного паза; 10 - противодействующая пружина в свободном (не сжатом) состоянии; 11 - Т-образный паз в цилиндрической направляющей; 12 - противодействующая пружина, находящаяся в сжатом под действием центробежной силы состоянии.
В исходном положении лопасти 1 расположены на цилиндрических направляющих 2 дополнительного ветроколеса. На цилиндрических направляющих 3 расположены лопасти 4 основного ветроколеса. Флюгерная лопасть 5 установлена на противоположных концах осей вращения основного и дополнительного ветроколеса. Неподвижная стойка ветровой установки 6 обеспечивает ей флюгерную функцию. Т-образный выступ 7 лопасти ветроколеса с учетом направления ветрового потока 8 обеспечивает перемещение на четверть шага 9 шнекового Т-образного паза. Противодействующая пружина 10 в свободном (не сжатом) состоянии расположена внутри Т-образного паза 11 и эта противодействующая пружина 12 в сжатом под действием центробежной силы состоянии расположена под углом 90° (четверть шага шнекового паза).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При слабом потоке 8 воздуха лопасти 1(4) основного и дополнительного ветровых колес расположены почти перпендикулярно потоку 8 (фиг.3, а), что проиллюстрировано на фиг.1. Основное (малый диаметр) и дополнительное (большой диаметр) ветровые колеса вращаются всегда в противоположных направлениях. Их моменты инерции равны друг другу. Радиус основного ветрового колеса меньше дополнительного, а площадь лопасти 4 основного ветроколеса соответственно больше площади лопасти 1 дополнительного ветроколеса. Гироскопические моменты основного и дополнительного ветровых колес компенсируют друг друга, что обеспечивает благоприятные условия выполнения флюгерной лопасти 5 свои функции поворота ветровой установки (ветроколес) против направления ветра. При круговой диаграмме розы ветров выполнение флюгерной функции ветровой установки позволяет повысить ее эффективность не менее чем на 50% по сравнению с ветровыми установками с неподвижной осью вращения (без флюгера) ветрового колеса.
При сильном (штормовом) потоке 8 воздуха лопасти 1(4) основного и дополнительного ветровых колес расположены почти вдоль потока 8 (фиг.3, б), что проиллюстрировано на фиг.2. Под действием центробежных сил лопасти 1(4) перемещаются с помощью Т-образных шнековых пазов 11 и выступов 7 вдоль цилиндрических направляющих 2(3) к их краю и одновременно поворачиваются по направлению ветра, сжимая противодействующую пружину 10 до состояния, отмеченного на чертеже позицией 12. Уменьшение угла атаки лопасти 1(4) при ее повороте автоматически стабилизирует скорость вращения (число оборотов) ветрового колеса.
Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней использованы известные в аналоге и прототипе узлы и механизмы по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе изготовлена модель ветровой установки в 2012 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что повышается по сравнению с прототипом не менее чем на 30…40% эффективность преобразования ветровой энергии в механическую за счет взаимной компенсации гироскопических моментов основного и дополнительного ветровых колес при выполнении флюгерной функции ветровой установки и за счет повышения чувствительности ветроколеса к слабому ветру.
Источники информации:
1. Заявка 2004128731 на изобретение RU Автомат флюгерования лопастей ветроколеса аварийный, МПК F03D 7/04, приоритет: 29.09.2004, заявитель: Автономная некоммерческая организация «Центр «Бизнес-развитие», авторы: Вовк А.В. и др., (аналог).
2. Патент США 4495423, МПК F03D7/04, 1985 г.(прототип).