ОРТОГОНАЛЬНЫЙ ВЕТРОРОТОР
ORTHOGONAL WIND ROTOR

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для получения механической, электрической или тепловой энергии за счет преобразования энергии ветрового потока.
Известен ортогональный ветроротор [1], содержащий вертикальную ось, а также две и более горизонтальных балок, прикрепленных жестко к вертикальной оси. К горизонтальным балкам шарнирно подвешены легкие лопасти, представляющие собой жесткие рамки с закрепленными на них полотняными или пленочными обшивками. Рамки попарно соединены тросами так, что если одна находится в вертикальном положении, другая поворачивается в горизонтальное.
Отклоняя одну из лопостей в вертикальное положение, ветер поднимает симметричную в горизонтальное, вследствие чего ее сопротивление падает до минимума - она двигается навстречу набегающему потоку, как флаг. Опущенная, двигающаяся по направлению ветра, наоборот, оказывает ему максимальное сопротивление, как парус при попутном ветре. Поэтому разница между усилиями на этих лопостях намного больше, чем в традиционных ветророторах, соответственно больше полезный момент и производительность ветроэнергетической установки.
Недостатком такого ортогонального ветроротора является сложность конструкции тросовой связи между парными рамками и, как следствие, ее малая надежность, в процессе эксплуатации при которой возможны резкие порывы ветра и т.п. Кроме этого, эффективность такого ортогонального ветроротора является недостаточной, поскольку опускание одной лопасти и подъем другой здесь жестко синхронизированы, что может при пространственной неравномерности ветрового потока приводить к непроизводительным потерям.
Известны биологические стабилизаторы потоков воды и воздуха - гребешки на телах некоторых видов рыб и чешуйки на крыльях бабочек [2], послужившие прототипами стабилизаторов воздушных потоков, применяемых в конструкциях фюзеляжей самолетов и воздушных винтов вертолетов, однако применение их в конструкциях ортогональных ветророторов неизвестно.
Известен ортогональный ветроротор [3] - прототип (ветряк осевой с занавесками), содержащий вертикальную ось и не менее двух горизонтальных балок, установленных перпендикулярно оси и растяжками прикрепленных к ней, при этом к каждой балке сверху и снизу прикреплены одна и более вертикально ориентированных металлических рамок, образующих вертикальный экран, причем в каждой рамке шарнирно установлены одна и более занавесок из эластичного материала, каждая из которых имеет рабочую и тыльную поверхности и закреплена на вертикально ориентированных спицах, сжатых болтами в верхней части между двумя металлическими полосами, при этом шарниры образованы втулками, установленными в рамках, и плечиками, закрепленными на металлических полосах, а занавески установлены одна над другой с перекрытием в зоне металлических полос.
Такой ортогональный ветроротор является более надежным из-за отсутствия механических связей межу занавесками, двигающимися в процессе работы под действием ветрового потока, и более эффективным, так как движения занавесок не синхронизированы между собой и происходят только в зависимости от значения напора ветрового потока в конкретной локальной области экрана.
Однако эффективность использования энергии ветра такого ортогонального ветроротора является недостаточной, поскольку при движении экрана с занавесками вокруг оси ветроротора происходит скольжение ветрового потока вдоль поверхностей занавесок. При этом энергия ветрового потока, скользящего вдоль рабочих сторон занавесок, находящихся в вертикальном положении, используется не полностью, поскольку при угловом перемещении экрана главный вектор скоростей потока становится не нормален к этим занавескам. В то же время в зоне рабочих сторон занавесок, отклоненных ветровым потоком за счет воздействия на их тыльные стороны в горизонтальное положение, происходит образование локальных вихрей из-за обтекания ветровым потоком металлических полос, которые воздействуют на рабочую поверхность занавески, создавая моменты в направлении движения их в вертикальное положение. Это повышает непроизводительную парусность занавесок и приводит к появлению моментов силы, препятствующих вращению экрана вокруг оси ветроротора.
Задачей изобретения является уменьшение скольжения ветрового потока поперек рабочих поверхностей занавесок экрана, находящихся в вертикальном положении, и увеличение их эффективных площадей, а также уменьшение аэродинамического сопротивления занавесок ветровому потоку, протекающему вдоль занавесок, находящихся в горизонтальном положении, за счет эффекта подавления вихреобразования и стабилизации ветрового потока в зонах рабочих поверхностей занавесок, примыкающих к металлическим полосам.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности преобразования ортогональным ветроротором энергии ветрового потока в механическую энергию вращения его оси.
Технический результат достигается тем, что в известном ортогональном ветророторе, содержащем вертикальную ось и не менее двух горизонтальных балок, установленных перпендикулярно оси и растяжками прикрепленных к ней, при этом к каждой балке сверху и снизу прикреплены одна и более вертикально ориентированных металлических рамок, образующих вертикальный экран, причем в каждой рамке шарнирно установлены одна и более занавесок из эластичного материала, каждая из которых имеет рабочую и тыльную поверхности и закреплена на вертикально ориентированных спицах, сжатых болтами в верхней части между двумя металлическими полосами, при этом шарниры образованы втулками, установленными в рамках, и плечиками, закрепленными на металлических полосах, а занавески установлены одна над другой с перекрытием в зоне металлических полос, на рабочей поверхности каждой из занавесок между соседними спицами и параллельно им установлено по одному и более латов, выполненных из легкого материала и имеющих треугольный поперечный профиль, при этом каждый лат контактирует с рабочей поверхностью занавески одной из своих граней, а угол α между двумя другими его гранями определяется соотношением 0<α<180°, причем длина каждого из латов соответствует длине занавески, а высота лата равна или меньше толщины металлической полосы. Кроме этого латы жестко прикреплены к рабочим поверхностям занавесок. Кроме этого каждый из латов заключен в накладной облегающий карман из эластичного материала, жестко прикрепленный к рабочей поверхности занавески, при этом на нижнем конце каждого из карманов установлено по одной крышке, имеющей геометрическую форму и размеры поперечного профиля лата, причем каждая крышка по контуру жестко прикреплена к кромке кармана и к рабочей поверхности занавески.
В таком ортогональном ветророторе наличие латов, установленных на рабочих сторонах занавесок между спицами и параллельно им, препятствует скольжению ветрового потока вдоль рабочих поверхностей занавесок экрана, находящихся в вертикальном положении, и увеличивает их эффективные площади, а также способствует уменьшению аэродинамического сопротивления занавесок ветровому потоку, протекающему вдоль занавесок, находящихся в горизонтальном положении, за счет эффекта подавления вихреобразования и стабилизации ветрового потока в зонах рабочих поверхностей занавесок, примыкающих к металлическим полосам.
Совокупность всех указанных существенных признаков ортогонального ветроротора позволяет повысить эффективность преобразования им энергии ветрового потока в механическую энергию вращения его оси, которая затем может быть преобразована, например, в электрическую или тепловую энергии.
Так как заявленная совокупность существенных признаков ортогонального ветроротора позволяет решить поставленную задачу, то заявленное изобретение соответствуют критерию "изобретательский уровень".
Осуществление заявленного технического решения поясняется с помощью конструкционных схем, представленных на фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
На фиг.1 приведена конструкционная схема, показывающая общий вид ортогонального ветроротора.
На фиг.2 приведена конструкционная схема, показывающая крепление занавесок с латами к металлическим рамкам.
На фиг.3 приведены варианты конструкционного исполнения и крепления латов к занавеске.
Ортогональный ветроротор содержит вертикальную ось 1 и не менее двух горизонтальных балок 2, установленных перпендикулярно оси 1 и растяжками 3 прикрепленных к ней. К каждой балке 2 сверху и снизу прикреплены одна и более вертикально ориентированных металлических рамок 4, образующих вертикальный экран. В каждой рамке одна над другой шарнирно установлены одна и более занавесок 5 из эластичного материала, каждая из которых имеет рабочую 6 и тыльную 7 поверхности. Каждая из занавесок 5 закреплена на вертикально ориентированных спицах 8, сжатых болтами 9 в верхней части между металлическими полосами 10. Шарниры занавесок образованы втулками 11, установленными в рамках 4, и плечиками 12, закрепленными на металлических полосах 10. На рабочей поверхности 6 каждой из занавесок 5 между соседними спицами 8 и параллельно им установлено по одному и более латов 13, выполненных из легкого упругого материала и имеющих поперечный профиль в виде треугольника. Выполнение латов 13 из легкого материала (например, пенопласта) диктуется необходимостью минимизировать момент силы от смещения центра тяжести занавески 5 при ее горизонтальном положении, направленном в сторону вертикального положения. Латы 13 контактируют с рабочей поверхностью 6 занавески 5 одной из своих граней. Длина каждого из латов 13 соответствует длине занавески 5, что диктуется необходимостью обеспечения стабилизации потока по всей длине занавески 5, а высота лата 13 равна или меньше толщины металлической полосы 10, что необходимо для исключения возникновения дополнительной парусности рабочей поверхности занавески 5 при ее горизонтальном положении. Латы 13 жестко прикреплены к рабочим поверхностям 6 занавесок 5 или каждый из латов 13 заключен в накладной облегающий карман 14 из эластичного материала, жестко прикрепленный к рабочей поверхности 6 занавески 5, при этом на нижнем конце каждого из карманов 14 установлено по одной крышке 15, имеющей геометрическую форму и размеры поперечного профиля лата 13, причем каждая крышка по контуру жестко прикреплена к кромке кармана 14 и к рабочей поверхности 6 занавески 5, что необходимо для исключения выдувания лата 13 из кармана 14 при воздействии ветрового потока. Жесткое крепление лата 13 или кармана 14 к занавеске 5 можно осуществить путем пришивания или приклеивания, а жесткое крепление крышки 15 к занавеске 5 и к кромке кармана 14 - путем пришивания.
Работа ортогонального ветроротора осуществляется следующим образом.
Ветровой поток, воздействующий на ортогональный ветроротор перпендикулярно показанному на фиг.1, приводит занавески 5 левой части его вертикального экрана, шарнирно установленные в рамках 4 и обращенные к потоку рабочей поверхностью 6, в вертикальное положение. Это происходит благодаря тому, что из-за перекрытий в зоне металлических полос они не имеют возможности дальнейшего поворота. При этом латы 13 препятствуют скольжению ветрового потока поперек занавесок 5 при вращении экрана, установленного на горизонтальных балках 2, вокруг его оси 1, и увеличивают эффективную площадь занавесок 5, обращенных к ветровому потоку рабочими поверхностями 6, что увеличивает крутящий момент в сторону вращения оси 1. В то же время занавески 5 правой части экрана, шарнирно установленные в рамках 4 и обращенные к ветровому потоку тыльными поверхностями 7, принимают горизонтальное положение. При этом латы 13 на рабочих поверхностях 6 этих занавесок стабилизируют потоки, обтекающие металлические полосы 10 сверху, препятствуя тем самым образованию вихрей и уменьшая их аэродинамическое сопротивление, за счет чего снижается создаваемый ими крутящий момент, направленный против вращения оси 1. В результате этого парусность занавесок 5, обращенных к ветровому потоку рабочей поверхностью 6, становится максимальной, а парусность занавесок 5, обращенных к ветровому потоку тыльной поверхностью 6, становится минимальной, что создает повышенный крутящий момент на оси 1 ортогонального ветроротора даже при малом ветровом напоре. В результате ось 1 вместе с экраном под действием этого момента совершают круговое движение. В процессе вращения оси 1 ортогонального ветроротора правая часть экрана перемещается на место левой, и наоборот. При этом занавески правой части экрана принимают вертикальное положение, а занавески левой части экрана - горизонтальное, в результате чего цикл срабатывания ортогонального ветроротора повторяется и т.д.
Таким образом, энергия ветрового потока более эффективно преобразуется в энергию вращения его оси, которая может затем быть преобразована в электрическую или тепловую энергию.
Значение угла α между наклонными гранями латов 13 может быть выбрано из диапазона 0°<α<180°. Эффект наступает при любом значении угла из этого диапазона, однако наиболее эффективный угол определяется податливостью материалов занавески и лата, а также степенью внутреннего напряжения в материале занавески. В то же время количество латов, размещаемых между спицами, определяется высотой металлической полосы и расстоянием между спицами. Поэтому выбор значения угла из указанного диапазона и количества размещаемых между спицами латов является предметом оптимизации под конкретное техническое задание.
Отличительной особенностью такого ортогонального ветроротора является его инвариантность к направлению ветрового потока.
Литература
1. Патент Франции 2704908, форма Б.
2. Ковалев И.С. Трубы из крыльев бабочек. Журнал «Наука и жизнь» №9, 2005 г., стр.64-67.
3. Патент RU 2298685 С2.