ВЕТРОТУРБИНА

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам для преобразования энергии ветра в полезную механическую энергию, в частности к конструкциям ветряных двигателей с вертикальной осью вращения ротора карусельного типа с ветроприемными поворотными пластинами, и может быть использована преимущественно для выработки электроэнергии или в качестве привода к различным механическим устройствам.
По причине наибольшей отдачи от капиталовложений ветроэнергетические установки являются наиболее привлекательным источником возобновляемой или «зеленой» энергии, который не наносит ущерб окружающей среде. При их разработке большое внимание уделяется эффективности использования энергии ветра, повышению коэффициента полезного действия (КПД) устройства.
Из существующего уровня техники известна ветротурбина (ветродвигатель), представляющая собой вертикальный вал с закрепленными на нем и жестко связанными между собой составными лопастями, при этом каждая составная лопасть представляет из себя раму, в которой установлены с возможностью ограниченного поворота относительно собственной вертикальной оси лопастные элементы (см., напр., RU 2202048, опубл. 10.04.2003 г.). Лопастные элементы известной ветротурбины выполнены со смещенными относительно их продольной оси симметрии поворотными осями, при этом ограничение их поворота достигается установкой упоров и ограничителей. Известное решение имеет ряд недостатков.
При вращении ветротурбины под воздействием силы ветра лопастные элементы совершают циклические повороты вокруг своих осей, образуя единое полотно лопасти в рабочей фазе захвата ею воздушного потока и становясь параллельно направлению ветра в фазе возврата, то есть в фазе противодействия воздушному потоку. При этом лопастные элементы известного решения сталкиваются поочередно то с упорами, то с ограничителями в виде жестко соединенных между собой горизонтальных стержней и вертикальных ребер жесткости. В моменты этих столкновений возникает ударная сила, направленная противоположно движению лопасти, в результате чего появляются дополнительные вибрации, которые при постоянном ударном воздействии элементов лопасти на рамные элементы конструкции приводят к деформации или разрушению лопастных элементов, что является причиной низкой надежности конструкции. Так же выполнение всех элементов лопасти со смещенной осью дополнительно увеличивает инерционную массу ударной силы лопасти. Такой тип конструкции обуславливает вынужденное усиление ограничителей и осей лопасти в точках физического контакта и креплений, а так же самой рамы, что приводит к утяжелению лопасти, ротора и ветротурбины в целом. Для поворота более тяжелой лопасти, а так же ротора ветротурбины нужна большая физическая сила, что достигается увеличением ее ширины до минимально эффективных значений с неизбежным увеличением радиуса поворота лопастных элементов по отношению к ширине рамы, обуславливающим снижение скорости их поворота. В свою очередь снижение скорости поворота лопастных элементов увеличивает временной интервал перевода лопасти из рабочей фазы в фазу возврата и обратно, что сокращает период нахождения полностью раскрытой лопасти в рабочей фазе захвата воздушного потока и период нахождения лопастных элементов параллельно направлению ветра в фазе возврата, то есть в фазе противодействия воздушному потоку. Таким образом, увеличение временного интервала переходных фаз повышает суммарное лобовое сопротивление и снижает эффективность использования ветротурбиной энергии ветра за счет низкого коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) и невысокого КПД ветротурбины.
Кроме этого, независимое между собой вращение лопастных элементов влечет за собой вероятность неполного раскрытия и образования зазоров между некоторыми элементами составной лопасти в рабочей фазе захвата воздушного потока, что влияет на уменьшение общей рабочей площади раскрытой лопасти из-за компенсации разницы давлений и снижает силу лобового сопротивления воздействию воздушного потока на лопасть в рабочей фазе, и, как следствие, снижает КПД ветротурбины.
Задачей, на решение которой направлено техническое решение, является создание вертикально-осевой ветротурбины (ветродвигателя) карусельного типа, эффективно использующей энергию ветра.
Поставленная задача в заявляемом устройстве решается за счет того, что в ветротурбине, представляющей собой вертикальный вал с жестко закрепленными на нем радиальными составными лопастями, каждая из которых выполнена в виде рамы, в которой установлены с возможностью ограниченного поворота относительно собственной вертикальной оси лопастные элементы, согласно техническому решению, в раме каждой составной лопасти установлены направляющий и дополнительные лопастные элементы, причем направляющий лопастной элемент установлен с возможностью поворота вокруг собственной вертикальной оси, смещенной относительно его продольной оси симметрии, а дополнительные лопастные элементы имеют возможность поворота вокруг собственной вертикальной оси, совпадающей с их продольной осью симметрии, при этом радиус поворота флюгирующей части направляющего лопастного элемента больше, чем радиус поворота дополнительных лопастных элементов не менее  чем на 10%, кроме того, направляющий и дополнительные лопастные элементы составной лопасти кинематически связаны между собой жесткой связью, выполненной ограничивающей их поворот на угол, определяемый между открытым и закрытым положением составной лопасти.
Для ограничения поворота направляющего и дополнительных лопастных элементов составной лопасти на угол, определяемый между открытым и закрытым положением составной лопасти, направляющий и дополнительные лопастные элементы составной лопасти кинематически связаны между собой жесткой связью, шарнирно соединенной с закрепленным на раме кривошипно-шатунным механизмом, включающим маховое колесо, диаметр которого определен углом поворота лопастных элементов.
Рама каждой составной лопасти может быть изогнута по дуге в вертикальной плоскости, а все установленные на ней лопастные элементы в закрытом положении повторяют ее форму. Для этого они могут быть выполнены изогнутыми по дуге в вертикальной плоскости.
Техническим результатом, достигаемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение коэффициента полезного действия ветротурбины за счет значительного уменьшения силы лобового сопротивления составной лопасти при прохождении ею фазы возврата и увеличения этой силы при прохождении ею рабочей фазы путем сокращения времени межфазового перевода лопасти из закрытого положения в открытое и обратно.
Более подробно причинно-следственная связь указанных признаков с заявленным техническим результатом раскрывается далее по тексту описания.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими объем притязаний по данному решению, а лишь являющимися иллюстрирующим материалом частного случая его выполнения, на которых изображены:
на фиг. 1 - ветротурбина, вид сбоку;
на фиг. 2 - схема прохождения одной составной лопастью полного круга.
Ветротурбина представляет собой вертикальный вал 1 с жестко закрепленными на нем радиальными составными лопастями 2. Каждая составная лопасть выполнена в виде рамы 3. В раме 3 каждой составной лопасти 2 установлены направляющий и дополнительные лопастные элементы 4, 5 соответственно. Дополнительные лопастные элементы 5 имеют возможность поворота вокруг собственной вертикальной оси 6, совпадающей с их продольной осью. Направляющий лопастной элемент 4 установлен с возможностью поворота вокруг собственной вертикальной оси 7, смещенной относительно его продольной оси, за счет чего образуется флюгирующая часть 8 лопасти, имеющая большую по сравнению с оставшейся частью направляющего лопастного элемента 4 площадь. Радиус поворота флюгирующей части 8 направляющего лопастного элемента 4 больше, чем радиус поворота дополнительных лопастных элементов 5 не менее  чем на 10%.
Направляющий и дополнительные лопастные элементы 4, 5 лопасти кинематически связаны между собой жесткой связью (на чертежах условно не показано) с возможностью ограничения их поворота на угол, определяемый между открытым и закрытым положением составной лопасти.
Работу устройства рассмотрим на примере прохождения одной составной лопасти полного круга.
Примем условно, что начальное положение составной лопасти - раскрытое положение I (см. фиг. 2). Перевод составной лопасти из этого положения в рабочее, то есть в закрытое II, происходит следующим образом. При воздействии потока ветра на лопасть 2, находящуюся в зоне его воздействия, флюгирующая часть 8 направляющего лопастного элемента 4 ловит поток ветра, который заставляет его поворачиваться вокруг собственной вертикальной оси 7, стремясь развернуть его параллельно своему направлению. За счет смещения оси поворота относительно продольной оси симметрии направляющего лопастного элемента площадь его флюгирующей части 8 увеличивается по отношению к оставшейся (хвостовой) и при воздействии на элемент потока ветра в результате разницы возникшего лобового сопротивления на флюгирующую 8 и хвостовую части элемента его флюгирующая часть 8 испытывает большее лобовое сопротивление, за счет чего направляющий лопастной элемент 4 начинает поворот в сторону к раме 3, придавая начальный импульс в направлении поворота дополнительным лопастным элементам 5, благодаря их жесткой связи (на чертежах условно не показано). Вместе с тем лобовое сопротивление, оказываемое флюгирующей частью 8 направляющего лопастного элемента 4, выше, чем лобовое сопротивление каждого отдельно взятого дополнительного лопастного элемента 5 за счет их выполнения с меньшим по крайней мере, на 10% радиусом поворота, и, следовательно, меньшей площадью захвата ими воздушного потока, что обеспечивает исключение препятствия движению со стороны дополнительных элементов.
Дополнительные лопастные элементы 5 одновременно с направляющим лопастным элементом 4 начинают синхронный поворот относительно своих осей 6, 7 соответственно. Из-за выполнения дополнительных лопастных элементов 5 с возможностью поворота вокруг собственной вертикальной оси, совпадающей с их продольной осью симметрии, и с меньшим радиусом поворота относительно радиуса поворота флюгирующей части 8 направляющего лопастного элемента 4 на 10% и более, воздушный зазор между дополнительными лопастными элементами 4 при повороте стремительно уменьшается, за счет чего достаточно быстро увеличивается общая площадь воздействия ветра и резко возрастает сила лобового сопротивления в зоне дополнительных лопастных элементов 4, и в окончательную фазу поворота она становится гораздо больше, чем сила лобового сопротивления, действующая на флюгирующую часть 8 направляющего лопастного элемента 4. За счет разницы величин этих сил и в сочетании с инерционной массой конструкции, обусловленной жесткой кинематической связью между лопастными элементами 4, 5, дополнительные лопастные элементы 5 с усилием «доворачивают» направляющий лопастной элемент 4, ускоряя закрытие направляющего лопастного элемента 4 и лопасти 2 в целом до положения всех лопастных элементов 4,5 параллельно раме 3. В этом положении жесткая связь ограничивает дальнейший поворот лопастных элементов, составная лопасть 2 закрыта. Таким образом, происходит быстрый перевод лопасти 2 из открытого положения I в закрытое положение II, что позволяет составной лопасти 2 в рабочей фазе захвата воздушного потока дольше находиться под воздействием пикового (наибольшего) сопротивления воздушному потоку, повышая при этом крутящий момент и, следовательно, КПД устройства.
Перевод составной лопасти из рабочего закрытого положения II в раскрытое I происходит с момента прохождения лопасти положения, в котором направление движения ветрового потока становится параллельным положению лопастных элементов. Лопастные элементы 4, 5 начинают поворот в обратном направлении.
При воздействии потока ветра на лопасть 2, находящуюся в зоне его воздействия, направляющий лопастной элемент 4 ловит поток ветра, который заставляет его поворачиваться вокруг собственной вертикальной оси 7 таким образом, чтобы в каждый следующий момент на протяжении фазы противодействия воздушному потоку лопастные элементы 4, 5 оставались в положении, параллельном направлению движения ветра. За счет смещения оси поворота 7 относительно продольной оси симметрии направляющего лопастного элемента 4 площадь его флюгирующей части 8 увеличивается по отношению к оставшейся (хвостовой) и при воздействии на элемент потока ветра в результате разницы возникшего лобового сопротивления на флюгирующую 8 и хвостовую части элемента его флюгирующая часть 8 испытывает большее лобовое сопротивление, за счет чего направляющий лопастной элемент 4 начинает поворот в сторону от рамы 3, придавая начальный импульс в направлении поворота дополнительным лопастным элементам 5, благодаря их жесткой связи. Вместе с тем лобовое сопротивление, оказываемое флюгирующей частью направляющего лопастного элемента, выше, чем лобовое сопротивление каждого отдельно взятого дополнительного лопастного элемента за счет их выполнения с меньшим по крайней мере, на 10% радиусом поворота, и, следовательно, меньшей площадью захвата ими воздушного потока, что обеспечивает исключение препятствия движению со стороны дополнительных лопастных элементов 5. Учитывая, в том числе, движение ветротурбины, а также кинематическую жесткую связь направляющего лопастного элемента 4 с дополнительными лопастными элементами 5, они начинают синхронно поворачиваться относительно собственных вертикальных осей 7, 6. Из-за выполнения дополнительных лопастных элементов с меньшим более, чем на 10% радиусом поворота воздушный зазор между ними при обратном повороте стремительно возрастает. Воздушный поток проходит между зазорами сквозь лопасть 2, причем достаточно небольшого поворота направляющего лопастного элемента 4 для того, чтобы между дополнительными лопастными элементами 5 образовались зазоры из-за их малого радиуса поворота, и ввиду низкой плотности воздуха он сразу начинает проходить в эти зазоры. Встречное сопротивление составной лопасти 2 ветру при этом сразу начинает уменьшаться, буквально с маленького поворота. При этом благодаря малому относительно направляющего элемента радиусу поворота увеличивается скорость поворота лопастных элементов 4, 5 и полное раскрытие лопасти 2 происходит в самом начале фазы возврата, и практически всю эту фазу лопасть 2 проходит с наименьшим лобовым сопротивлением, что способствует эффективности использования энергии ветра и повышает КПД ветротурбины.
Таким образом, максимальное увеличение лобового сопротивления воздушному потоку и увеличение периода его действия в рабочей фазе захвата воздушного потока с одновременным существенным снижением лобового сопротивления в фазе противодействия воздушному потоку увеличивает крутящий момент ветротурбины и, следовательно, КПД устройства. При этом, чем больше установлено дополнительных элементов 5, тем радиус поворота относительно их центральных осей меньше и тем короче временной интервал перевода составной лопасти в противоположное положение и, следовательно, тем выше КПД ветротурбины. Вместе с тем, не имеет значения какое место в составной лопасти занимает направляющий лопастной элемент 4. Он может стоять крайним, или посередине, или, как показано на фиг. 1, первым от вертикального вала ветротурбины 1. В любом варианте его размещения он выполняет свою функцию в полном объеме.
При этом опытным путем установлено, что при увеличении радиуса поворота направляющего лопастного элемента менее  чем на 10% по отношению к радиусу поворота дополнительных лопастных элементов отсутствует эффект ускорения перенаправления движения дополнительных лопастных элементов 5 в виду незначительной разницы в площадях рабочих поверхностей направляющего и дополнительных лопастных элементов 4, 5, не обеспечивающей минимально необходимую разницу между лобовым сопротивлением потоку ветра, оказываемым флюгирующей частью 8 направляющего лопастного элемента 4 и лобовым сопротивлением дополнительного лопастного элемента 5. В этом случае направляющий элемент работает в режиме дополнительной лопасти, что не обеспечивает сокращение временного интервала перевода составной лопасти в противоположное положение и, как следствие, не обеспечивает достижение заявленного технического результата. Также опытным путем установлено, что оптимальный угол поворота лопастных элементов между закрытым и открытым их положением составляет приблизительно 135 градусов.
Остановка лопастных элементов 4, 5 достигается жесткой связью, выполненной ограничивающей их поворот в крайних точках закрытого и открытого положений.
Обеспечение ограничения жесткой связью угла поворота может быть достигнуто разными способами. Например, на жесткой связи может быть установлен ползун, который в свою очередь установлен в направляющем пазу длиной, соответствующей углу поворота лопастных элементов. Или обеспечение ограничения жесткой связью угла поворота может быть выполнено путем шарнирного соединения жесткой связи с рычагом, вращающимся вокруг неподвижной оси и удерживающимся в двух крайних положениях пружиной, воздействующей на ползун, для установки его в двух положениях, соответствующих углу, определяемому между открытым и закрытым положением составной лопасти. Также жесткая связь может быть шарнирно соединена с фиксируемым поверхностью рамы угловым двуплечим рычагом, вращающимся вокруг неподвижной оси и занимающим два крайних положения, соответствующих углу поворота лопастных элементов между закрытым и открытым их положением.
В предпочтительном варианте выполнения устройства направляющий и дополнительные лопастные элементы 4, 5 составной лопасти 2 кинематически связаны между собой жесткой связью, шарнирно соединенной с кривошипно-шатунным механизмом. Кривошипно-шатунный механизм закреплен на раме 3 и включает маховое колесо. Диаметр махового колеса определяют на основании размеров составной лопасти и угла поворота лопастных элементов. Такое выполнение ограничения поворота лопастных элементов позволяет исключить отрицательно влияющие на КПД ветротурбины ударные нагрузки, возникающие при взаимодействии лопастных элементов с рамой, которые неизбежны в конструкциях ветротурбин с упорами и ограничителями и обуславливает дополнительное повышение КПД ветротурбины за счет обеспечения плавной работы ветротурбины путем исключения перераспределения кинетической энергии ударов лопастных элементов о раму составной лопасти и увеличения временных интервалов рабочих фаз захвата и противодействия воздушному потоку за счет уменьшения временных интервалов переходных фаз, а так же из-за синхронизации работы лопастных элементов и уменьшения веса конструкции ротора ветротурбины.
Для улучшения аэродинамических параметров лопасти в некоторых вариантах выполнения рама каждой составной лопасти изогнута по дуге в вертикальной плоскости, а все установленные на ней лопастные элементы в закрытом положении повторяют ее форму.
Настоящее техническое решение дает возможность производить запуск ветротурбины на малых ветрах с исключением применения дополнительных устройств, благодаря предлагаемой конструкции составной лопасти. Такое устройство ветротурбины позволяет повысить ее КПД, упростить конструкцию, повысить устойчивость и механическую надежность при одновременном снижении материалоемкости в сравнении с аналогичными установками. Это делает экономически выгодным производство и использование ветротурбин предлагаемой конструкции как в личных целях, так и в промышленных масштабах. Кроме того, при необходимости данное техническое решение может быть использовано для гидротурбины.