КАРУСЕЛЬНОЕ ВЕТРОКОЛЕСО
CAROUSEL WINDWHEEL

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветродвигателям с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра.
Известно карусельное ветроколесо, содержащее вертикальный вал и закрепленные на нем рамочные махи, на которые шарнирно установлены плоские прямоугольные лопасти, работающие в двух режимах: рабочем-лопасти прижаты к упорам, причем с целью повышения надежности при штормовом ветре упоры имеют некоторые демпферы, расположенные на махах со стороны вертикальной оси; флюгерном - лопасти по мере движения в этом режиме вращаются в диапазоне от 0 до 180 градусов (см. А.С. CCCP, SU, 1017814 A, кл. F03D 3/00, 05.01.1982).
Известно карусельное ветроколесо, содержащее вертикальный вал и закрепленные симметрично к нему махи, на которые шарнирно закреплены плоские прямоугольные поворотные лопасти и упоры. Махи установленные n ярусами, причем на каждом ярусе больше двух махов. Комплект махов каждого верхнего яруса смещен относительно комплекта махов нижнего яруса на угол α=π/2n, где n - количество ярусов (см. А.С. CCCP, SU, 1663226 A1, кл. F03D 3/06, 25.04.1989).
Основным недостатком рассмотренных выше устройств является невысокий КПД, т.к. используется только 50% энергии ветрового потока, попадающего на «ометаемую» площадь рассматриваемого устройства, содержащее к (k>3) установленных на вертикальной оси махов. Кроме того, при увеличении количества ярусов n угол сдвига а между махами нижнего яруса и верхними уменьшается, создавая ассиметрию конструкции и провоцируя неравномерность. При виде сверху получаем сгущение проекций Известно карусельное ветроколесо (Патент Российской федерации RU 2202048, кл. F03D 3/00, 17.02.1998), которое принято за прототип. Оно содержит несколько Г-образных махов, состоящих из радиального маха и аналогичного по конструкции маха, дополнительно установленного перпендикулярно радиальному и названному панелью, с плоскими прямоугольными лопастями, ограничителями и упорами, причем каждый упор и каждый ограничитель поворота лопасти установлен в панели маха параллельно оси вращения лопасти. Область взаимодействия упора с лопастью находится в плоскости маха, а ограничителя поворота - в плоскости, проходящей через ось вращения лопасти под углом 90 градусов. Для усиления жесткости конструкции махи могут быть соединены между собой межмаховыми фиксирующими планками. Лопасти, выполненные плоскими, закреплены шарнирно с возможностью поворота вокруг оси (ось закреплена на листе с удалением от кромки на 1/10…1/3 длины лопасти), непосредственно на горизонтальных стержнях радиальных махов или дополнительных панелей, жестко скрепленных с радиальными махами.
К недостаткам указанного ветроколеса следует отнести:
- недоиспользование мощности воздушного потока, так как лопасти имеют ограничители поворота на 90 градусов и полностью не флюгеруются в нерабочем флюгерном режиме, создавая сопротивление вращению ветроколеса;
- неравномерность вращения ветроколеса, в связи с тем, что комплекты Г-образных махов параллельны и при этом возникают большие пульсации момента из-за изменения положения махов относительно направления ветрового потока, Увеличение же количества махов в одной плоскости с этой целью усложнит конструкцию и снизит кпд ветроколеса;
- его невысокую надежность, так как с учетом разной скорости ветрового потока на разной высоте в рассматриваемой конструкции ветроколеса требуется завысить прочность лопастей, а также в этом ветроколесе отсутствует штормовая защита, обязательная для реально действующих ветроустановок;
- низкая эффективность ветроколеса из-за схождения части ветрового потока с движущейся лопасти не только на внешнем ее крае, но и на верхнем и нижнем;
- сложность общей конструкции ветроколеса
Задачей изобретения является увеличение эффективности ветроколеса за счет повышения снимаемой мощности с единицы «ометаемой» площади воздушного потока, повышение равномерности вращения ветроколеса за счет снижения пульсаций момента на его оси, упрощения общей конструкции ветроколеса и повышения надежности за счет создания защиты ветроколеса от штормовых ветров и сильных порывов ветра.
Эта задача достигается за счет того, что карусельное ветроколесо, содержащее установленные на вертикальной оси Г-образные махи, состоящие из радиального маха и аналогичного по конструкции маха, дополнительно установленного перпендикулярно радиальному, лопасти, шарнирно закрепленные в махах с возможностью поворота, снабжено демпферами и упорными рамками, а ось вращения каждой лопасти в махах совпадает с ее ближайшей боковой кромкой, при этом лопасти в рабочем режиме прижаты к упорным рамкам, закрепленным параллельно плоскости каждого маха через демпферы к его конструкции, а во флюгерном режиме принимают направление воздушного потока без ограничений.
Также рамочные махи могут быть зажаты между двумя разделительными плоскостями, конструктивно образующими один ярус.
К тому же n таких ярусов могут быть расположены вдоль основной оси ветроколеса, при этом верхняя разделительная плоскость n-1 яруса является нижней разделительной плоскостью n-го яруса, махи каждого верхнего яруса смещены относительно махов ближайшего нижнего на угол
α=2π/kn,
где k - количество махов на одном ярусе (k≥3),
n - количество ярусов (n≥2).
На фиг.1 изображено предлагаемое карусельное ветроколесо, например, двухъярусное (n=2) без верхней разделительной плоскости для удобства описания конструкции.
На фиг.2 изображен вид по сечению A-A карусельного ветроколеса по фиг.1.
На фиг.3 изображено ветроколесо из n-2 ярусов по фиг.1 без разделительных плоскостей для большей наглядности (показано положение лопастей на разных ярусах и на разных участках махов при заданном направлении ветрового потока).
Предлагаемое ветроколесо (фиг.1) содержит не менее трех рамочных Г-образных махов 1, закрепленных на вертикальной оси 2 карусельного ветроколеса, и несколько лопастей 3, шарнирно закрепленных на каждом махе 1. Ось вращения 4 каждой лопасти 3 совпадает с ее ближайшей боковой кромкой. В рабочем режиме лопасти 3 прижаты к упорным рамкам 5, закрепленным параллельно плоскости каждого маха 1 через демпферы 6 к его конструкции, при скорости ветра, превышающей допустимые значения, они обеспечивают параллельное движение упорных рамок 5 на расстояние меньшее ширины лопасти 3, что приводит к появлению зазоров между лопастями, уменьшает "парусность" лопастей и способствует снижению отбираемой мощности. Такое расположение лопастей 3, упорных рамок 5 и демпферов 6 позволяет упростить общую конструкцию ветроколеса.
Для более эффективного использования ветроколесом воздушного потока 7 и повышения надежности конструкции при штормовых порывах ветра Г-образные махи 1 зажаты между двумя разделительными плоскостями 8, конструктивно образующими один ярус (фиг.3). Для повышения равномерности вращения при постоянной скорости ветра n таких ярусов, расположены вдоль основной оси вращения ветроколеса, причем верхняя разделительная плоскость n-1 яруса является нижней разделительной плоскостью n-го яруса.
Махи каждого верхнего яруса смещены относительно махов ближайшего нижнего на угол
,
где к - количество махов на одном ярусе (k>3), n - количество ярусов (n>2). Выполнение условия (1) обеспечивает симметрию конструкции и повышение равномерности вращения рассматриваемого карусельного ветроколеса за счет уменьшения зоны изменения положения махов относительно направления ветрового потока.
Карусельное ветроколесо работает в двух режимах.
В рабочем режиме - лопасти 3 отдельных Г-образных махов 1 прижаты к упорной рамке 5, закрепленной параллельно плоскости каждого из махов 1, к его конструкции через демпферы 6, которые при скорости воздушного потока, превышающего предельно допустимое значение сжимаются, упорная рамка 5 отходит от рабочего положения на некоторое расстояние, но всегда меньшее ширины лопасти 3, между лопастями появляются зазоры, давление воздушного потока 7 на махи 2 и всю конструкцию ветроколеса снижается.
Во флюгерном режиме - лопасти 3 по мере движения в этом режиме вращаются в диапазоне от 0 до 180 градусов, принимают направление воздушного потока 7 и не имеют никаких ограничителей.
Таким образом, предлагаемая конструкция карусельного ветроколеса позволяет увеличить его эффективность за счет большей мощности, снимаемой с единицы «ометаемой» площади воздушного потока, обеспечить защиту конструкции ветроколеса от штормовых и сильных порывов ветра за счет создания ярусов, а также повысить равномерность вращения ветроколеса и снизить пульсации момента на оси ветроколеса за счет махов в ярусах, сдвинутых на определенный угол, повысить надежность за счет упрощения конструкции махов и связи их между собой через разделительные плоскости.