ТУРБИНА ДАРЬЕ МОДИФИЦИРОВАННАЯ
MODIFIED DARRIEUS TURBINE

Изобретение применяется для преобразования кинетической энергии ветра в электроэнергию, преимущественно там, где для состояния нижних слоев атмосферы характерны слабые и средние скорости, переменчивость направленности воздушного потока.
Сущность технического решения состоит в повышении сопротивления и подъемных движущих сил, воздействующих на турбины Дарье от выгнутых от оси вращения аэродинамических элементов, за счет включения в ее состав дополнительных вогнутых к той же оси крыловидных лопастей меньшей высоты, установленных в распор между вертикальным роторным валом и выгнутыми элементами, и тем самым усиливающих прочность и жесткость конструкции.
Предлагаемое устройство относится к ветряным двигателям с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра (виндроторы).
В настоящее время экспертная оценка такова, что ортогональные виндроторы имеют в сложных аэродинамических средах теоретические преимущества по ряду экономических и технических характеристик перед горизонтально-осевыми, как правило пропеллерными, установками. Но они не имеют достаточно простого и экономически оправданного решения конструкции, которая без этого уступает по прочностным показателям, надежности и вырабатываемой электроэнергетической мощности упомянутым ВЭУ (веб-сайт: http://www.enecsis.ru, см. раздел «ВРТБ - ветровая роторная турбина Болотова»).
Принято считать, что мощность ВЭУ для горизонтально-осевых систем определяется площадью, сметаемой пропеллерными лопастями, что полностью справедливо для скоростных турбин. В тихоходных промышленных установках происходит проскок части воздушного потока через сметаемую поверхность и мощность турбины скорее определяется контактными (активными) линейными размерами лопастей. Данный вывод подтверждается резким скачком лобового сопротивления турбин по мере роста скорости ветра. Суммарная длина аэродинамических профилей для ветрогенераторов мощностью 150 и более кВт начинается от 34 метров (веб-сайт: http://www.termored.ru).
По аналогии мощность виндроторов связывают с площадью боковой поверхности турбины, что, однако, корректно лишь для устройств, построенных на базовом принципе, использованном в лопастях Савониуса. В ортогональных виндроторах действует закономерность, близкая к тихоходным пропеллерным ВЭУ, а именно: чем больше суммарная активная длина крыловидных лопастей, тем больше мощность установки. В результате модельный ряд по мере возрастания мощности ортогональных виндроторов выстраивается в следующем порядке: с вертикальными прямыми лопастями (патент RU №2000469 и др.); - с дугообразными лопастями (ротор Дарье); - со сложно по спирали и дуге изогнутыми в пространстве лопастями (геликоид Горлова). При этом прочность и жесткость установок убывает в той же последовательности.
Из развития техники известна разновидность ортогонального виндротора - ротор или турбина Дарье (веб-сайт: http://vetrodvig.ru, см. раздел «Ветрогенератор с вертикальной осью. Ветрогенератор вертикальный»), в котором увеличение активной длины крыловидных лопастей достигается их изгибом в дуги, концы которых закреплены на вертикальном валу электрогенератора. Данная турбина не требует ориентации на ветер, характеризуется высоким коэффициентом быстроходности при малых скоростях воздушного потока и высокой эффективностью использования кинетической энергии ветра, в отдельных случаях комплектуется радиальными (см. ротор Дарье - из Википедии) или диагонально-крестовыми (веб-сайт: www.ekomotors.ru, см. вертикальный Ветрогенератор SPVH3000) траверсами. Таким образом, устройство наиболее приспособлено для работы в регионах, где преобладает среднескоростная, часто меняющая направление ветровая нагрузка на турбину. Вместе с тем, ротор Дарье требует для запуска в работу приложения сторонней силы если состоит из менее чем трех лопастей, имеет низкую механическую прочность и жесткость, что ограничивает его габариты и суммарную активную длину крыловидных лопастей, не дает возможность достигнуть промышленно значимой мощности электрогенератора.
Целью изобретения является получение большей мощности от турбины Дарье при одновременном повышение прочности и жесткости конструкции данного типа ортогонального виндротора.
Указанная цель достигается тем, что турбина в дополнение к выгнутым от оси вращения по меньшей мере трем крыловидным лопастям оснащена тем же числом элементов аэродинамического профиля меньшей высоты и вогнутых к той же оси вращения. В плане турбины выгнутые и вогнутые лопасти имеют относительное равноугловое смещение. Вогнутые лопасти на участке, максимально приближенном к оси вращения, присоединены к вертикальному валу генератора через радиальные пальцы, их края крепятся к двум горизонтальным обручам, установленным на выгнутых крыловидных элементах.
Таким образом, Турбина Дарье модифицированная, состоящая из генератора с вертикальным роторным валом, оборудованным по меньшей мере тремя выгнутыми от оси вращения крыловидными лопастями, отличается тем, что дополнительно содержит то же число равномерно смещенных в плане и вогнутых к той же оси вращения крыловидных лопастей меньшей высоты, присоединенных к валу на участке сближения через радиальные пальцы и упирающихся своими краями в горизонтальные обручи, установленные на упомянутых выгнутых лопастях.
На фиг.1 представлен общий вид модифицированной турбины Дарье (все лопасти условно показаны в фронтальной плоскости); на фиг 2 - вид сверху на то же устройство.
Турбина состоит из опорной рамы 1, генератора 2 с вертикальным роторным валом 3, на котором установлены выгнутые крыловидные лопасти 4 с двумя горизонтальными обручами 5 и вогнутые меньшей высоты крыловидные лопасти 6, имеющие крепление к тем же обручам, а к валу - через радиальные пальцы 7.
Устройство работает следующим образом. Под напором ветра на лопасти 4 и 6 в силу их аэродинамического сопротивления действует начальный крутящий момент, который приводит турбину во вращение. Частота вращения постепенно возрастает до значения, соответствующего скорости ветра и возникающей при этом величине подъемной силы, имеющий место в результате крыловидного профиля лопастей. Вращение передается на роторный вал 3, генератор 2 начинает вырабатывать электроэнергию, которая затем через коллектор, аккумуляторную батарею и инвертор подается к потребителям.
Благодаря наличию дополнительных вогнутых крыловидных лопастей 6 увеличивается суммарная длина всех аэродинамических элементов турбины, возрастает их общая подъемная сила, результирующий крутящий момент на роторном валу 3, мощность электрогенератора 2.
За счет вогнутой формы и меньшей высоты, установки враспор через радиальные пальцы 7 от роторного вала 3 к выгнутым крыловидным лопастям 4 через обручи 5, крыловидные лопасти 6 способствуют большей прочности и жесткости турбины.
Равноугловое смещение (в представленном на фиг.2 варианте - 60°) дополнительных вогнутых лопастей 6 относительно выгнутых лопастей 4 необходимо для получения большего воздушного напора на турбину, что требуется прежде всего при запуске установки, устранения взаимных аэродинамических помех.
Величина подъемной силы зависит от линейной скорости вращающихся крыловидных лопастей. Чем более они ортогональны, т.е. вынесены в сторону от оси вращения, тем значительнее подъемная сила. В этих целях понадобилось соединить вогнутые крыловидные лопасти 6 с роторным валом 3 не напрямую, а через радиальные пальцы 7.
Включение в состав устройства вогнутых крыловидных лопастей 6 их роль, усиливающая конструктивно-силовую схему механизма, позволяет как само по себе, так и через возможность увеличить габариты турбины Дарье достигнуть большей мощности ветроэнергетической установки.