АКТИВНОЕ КРЫЛО ВЕТРОГЕНЕРАТОРА
ACTIVE WING OF WIND GENERATOR

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам и устройствам для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения [F03D 3/00].
Из уровня техники известен РОТОР ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ [WO2016064287 (A1), опубл.: 28.04.2016], содержащий вал отбора мощности с равномерно распределенными по его окружности и перпендикулярно к нему комплектами рычагов, на концах которых расположены с возможностью вращения крылья, отличающийся тем, что содержит эксцентрик который установлен с возможностью вращения относительно оси вала отбора мощности и с возможностью скольжения относительно указанного ротора в плоскости, перпендикулярной указанному валу отбора мощности, а крыло состоит по меньшей мере из двух сегментов и, соединенных последовательно и с возможностью вращения относительно предыдущего сегмента, где указанные сегменты образуют в поперечной плоскости аэродинамический профиль с изменяемой геометрией и профилями сегментов, симметричными в этой плоскости.
Недостатком аналога является узкий угол регулировки угла атаки крыла, связанный с особенностью конструкции крепления крыла к рычагу.
Также известна ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА [FR2442978 (A1), опубл.: 27.06.1980], которая включает в себя вертикальный ротор с двумя лопатками, параллельными оси. Каждая лопасть имеет жесткую часть расположенную в передней части лопатки относительно направления вращения ротора. Эта жесткая часть имеет симметричный профиль относительно плоскости симметрии, перпендикулярной фигурному рычагу, на котором установлена лопасть. Задняя часть каждой лопатки образована полосой гибкого материала, прикрепленной по длине лопатки. Длина плеч, на которых установлены лопатки, составляет от 0,5 до 0,8 длины лопаток. Плечи прикреплены к трубчатому валу, сделанному, например, из алюминия, хотя для более крупных установок подойдет сталь. Этот вал прикреплен к опоре таким образом, чтобы приводить в действие электрогенератор. Ребра держат ротор вертикально.
Недостатком аналога является жесткое крепление крыла к рычагу, что существенно снижает возможности использования ветроэнергетической установки в маловетренных районах.
Наиболее близким по технической сущности является ВЕТРОВАЯ ТУРБИНА [DE3026315 (A1), опубл.: 11.02.1982], состоящая из горизонтального ротора, установленного с возможностью вращения на мачте, на котором по меньшей мере одна ветровая лопасть аэродинамического профиля расположена вертикально и оптимально регулируется по направлению потока, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна часть поперечного сечения лопасти выполнена тонкой и симметричной с возможностью поворота вдоль вертикальной оси, регулирующий элемент предусмотрен в передней части ротора, предназначенный для оперативного соединения с поворотной частью поверхности и установлен с возможностью перемещения на роторе под действием центробежной силы против действия возвращающей силы. Форму поперечного сечения лопасти можно изменить с «толстой на тонкую» и наоборот с помощью регулировочного механизма, который состоит из измерителя центробежной силы с одной стороны и пружины, регулирующий механизм которой соединен с подвижными боковыми поверхностями лопасти.
Основной технической проблемой прототипа является ограниченный угол поворота крыла относительно своего первоначального положения, что не обеспечивает оптимальный угол атаки крыла, обеспечивающий максимальную подъемную силу и соответственно вращающий момент, что фактически сказывается на снижении КПД ветрогенератора.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Технический результат изобретения заключается в повышении КПД ветрогенератора.
Указанный технический результат достигается за счет того, что активное крыло ветрогенератора, отличающееся тем, что на валу отбора мощности смонтирована, как минимум, одна горизонтальная силовая балка, на конце которой подвижно от 0 до 360 градусов смонтировано управляемое вертикальное крыло, выполненное в поперечном сечении в виде двояковыпуклого симметричного профиля, с зазором в задней кромке крыла смонтирован поворотный относительно плоскости крыла руль, при этом расстояние l от передней кромки крыла до задней кромки руля выполнено меньше расстояния между осью крыла и валом отбора мощности на силовой балке L, а максимальное количество крыльев, монтируемых на валу отбора мощности определяется соотношением 2πL/l, управление рулем осуществляется тягой, управляемой блоком управления, для контроля положения крыла в его нижней части и на силовой балке смонтированы обращенные друг к другу датчики.
В частности, крыло выполнено односоставным.
В частности, крыло выполнено многосоставным и содержит, как минимум, два сегмента, соединенные между собой шарнирным соединением, при этом каждый последующий сегмент является продолжением поверхности предыдущего сегмента.
В частности, руль выполнен в виде двояковыпуклого симметричного профиля.
В частности, управление тягой осуществляется с блока управления.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показан общий вид активного крыла ветрогенератора на роторе ветрогенератора.
На фиг.2 показан вид сверху активного крыла ветрогенератора на роторе ветрогенератора в условной левой мертвой точке.
На фиг.3 показан вид сверху активного крыла ветрогенератора на роторе ветрогенератора в условной правой мертвой точке.
На фиг.4 показан вид сверху активного крыла ветрогенератора на роторе ветрогенератора в активном режиме работы.
На фиг.5 показан вид сверху активного крыла ветрогенератора на роторе ветрогенератора в активном режиме работы.
На фиг.6 показан вид сверху многосоставного активного крыла ветрогенератора.
На фигурах обозначено: 1 – крыло, 2 – ось крыла, 3 – силовая балка, 4 – вал отбора мощности, 5 – привод, 6 – хвостовые балки, 7 – руль, 8 – блок управления, 9 – рычаги, 10 – тяга, 11 – индикаторы положений, 12 – датчик положения, 13 – сегменты крыла, 14 – управляющая тяга.
Осуществление изобретения.
Активное крыло ветрогенератора содержит, как минимум, одно вертикальное крыло 1, выполненное в поперечном сечении в виде двояковыпуклого симметричного профиля. Крыло 1 смонтировано подвижно на оси 2, проходящей в передней, более широкой части крыла 1.
Силовая балка 3 неподвижно смонтирована на валу отбора мощности 4 привода 5.
К задней кромке крыла 1 смонтированы хвостовые балки 6. Между концами хвостовых балок 6 смонтирован вертикально подвижный руль 7, выполненный профилированной формой.
Длина активного крыла от передней кромки крыла 1 до задней кромки руля 7 выполнена меньше расстояния между точкой крепления оси крыла 2 к силовой балке 3 и точкой крепления самой силовой балки 3 к валу отбора мощности 4 ветрогенератора.
На крыле 1, например, в его верхней части передней кромки смонтирован блок управления 8 положением руля 7. В одной из боковых торцевых сторонах блока управления 8, обращенной к поверхности крыла 1 и на поверхности руля 7 с той же стороны смонтированы рычаги 9, при этом рычаг 9 блока управления 8 соединен с механизмом управления положением крыла 1 (на фигурах не показан).
Между рычагами 9 смонтирована тяга 10. Тяга 10 выполнена с возможностью регулировки положения руля 7, при этом управления тягой 10 осуществляется подвижным рычагом 9 блока управления 8, при этом упомянутый рычаг 9 выполнен, например, в виде штока электромагнитного привода.
В нижней части передней кромки крыла 1 слева и справа смонтированы индикаторы положения 11, а на силовой балке 3 смонтирован датчик положения 12. Датчик положения 12 выполнен, например, в виде магнита, а индикаторы положения 11 выполнены, например, в виде датчиков Холла.
В одном из вариантов реализации в нижней части передней кромки крыла 1 слева и справа смонтированы концевые выключатели (на фигурах не показаны), замыкающие электрическую цепь при крайних положениях крыла 1.
Крыло 1 с закрепленными на нем хвостовыми балками 6, блоком управления 8 и рулем 7 представляют собой рабочий орган.
Рабочий орган выполнен с возможностью свободного вращения относительно силовой балки 3, занимая любое положение в диапазоне от 0 до 360 градусов.
В одном из вариантов реализации рабочего органа крыло 1 выполнено многосоставным и содержит, как минимум, два сегмента крыла 13, соединенные между собой шарнирным соединением, при этом каждый последующий сегмент крыла 13 является продолжением поверхности предыдущего сегмента 13.
Сегменты крыла 13 соединены между собой управляющей тягой 14, выполненной, в одном из вариантов реализации в виде гидро- или электроцилиндра.
Максимальное количество рабочих органов ветрогенератора определяется геометрическим размерами самих рабочих органов и радиусом вращения упомянутых рабочих органов относительно вала отбора мощности 4.
Для описания использования изобретения покажем способ создания равномерного крутящего момента ветрогенератора на примере одного крыла.
Для удобства описания, условно примем, что набегающий поток воздуха направлен сверху-вниз (по оси ординат) (показано стрелками). В этом случае активное крыло имеет две характерные точки (положения): левая мертвая точка (см.Фиг.2) и правая мертвая точка (см.Фиг.3) при которых угол атаки крыла 1 α = 0, лобовое сопротивление – минимальное. При положении крыла 1 в левой мертвой точке совмещены индикатор положения 11, смонтированный в левой нижней части крыла 1 и датчик положения 12 на силовой балке 3, а соответственно, при положении крыла 1 в правой мертвой точке - индикатор положения 11, смонтированный в правой нижней части крыла 1 и датчик положения 12.
Примем, что крыло 1 находится в левой мертвой точке (см.Фиг.2).
В этом случае сигнал от левого индикатора положения 11 через датчик положения 12 передают на блок управления 8, с которого по полученному блоком управления 8 сигналу положения крыла 1 с помощью тяги 10 поворачивают руль 7 вправо (см.Фиг.3).
На развернутом вправо руле 7 под действием набегающего потока (ветра) возникнет сила Fxн, направленная влево (см.Фиг.4), которая на плече от точки вращения руля 7 до оси крыла 2 создаст момент вращения. Крыло 1 на оси 2 развернется вправо и встанет по отношению к набегающему потоку под наивыгоднейшим углом α. Согласно законам аэродинамики на крыле 1 возникнет полная аэродинамическая сила и оно перейдет в активный режим работы. Полная аэродинамическая сила для крыла 1 разложится на силу лобового сопротивления, параллельную оси ординат и боковую силу Fxкр, параллельную оси абсцисс, при этом проекция вектора силы Fxкр определяет величину плеча L’ и крутящего момента Mкр = FxкрL’, под действием которого приводят во вращение вал отбора мощности 4 и ротор ветрогенератора.
Пройдя верхнюю фазу от 0 до 180 градусов, крыло 1 окажется в правой мертвой точке (см.Фиг.3). В этом положении совместятся теперь уже правый индикаторы положения 11 и датчик положения 12, сигнал от последнего передают на блок управления 8 положения руля 7, с которого по полученному сигналу положения крыла 1 с помощью тяги 10 поворачивают руль 7 влево (см.Фиг.4).
На развернутом влево руле 7 под действием набегающего потока (ветра) возникнет сила Fxн, направленная вправо, которая на плече от точки вращения руля 7 до оси крыла 2 создаст момент вращения. В этой фазе от 180 до 360 градусов крыло 1 останется активным, создавая вращающий момент Mкр совпадающий с прежним. Пройдя фазу от 180 до 360, градусов крыло 1 вернется в положение левой мертвой точки и далее цикл повторяют.
Аналогичным образом работает ветрогенератор с несколькими рабочими органами, где непрерывный вращающий момент Мкр обеспечивают одновременно работой рабочих органов в различных фазах. При уменьшении скорости вращения (крутящего момента) ветрогенератора с помощью руля 7, управляя им блоками управления 8 подбирают такой угол поворота, при котором угол атаки α рабочих органов будет наивыгоднейшим, а вращающий момент Мкр максимальным.
При отсутствии силы ветра, рабочий орган, за счет свободного, независимого вращения, может находиться в любом произвольном и хаотичном положении. При появлении ветра рабочий орган немедленно установится в рабочее положение.
Технический результат изобретения – повышение КПД ветрогенератора, достигается за счет создания оптимального угла атаки и максимальной подъемной силы путем управления смонтированными на роторе ветрогенератора активными вертикальными крыльями 1  аэродинамического профиля, выполненными с возможностью вращения вокруг своей вертикальной оси от 0 до 360 градусов, поворотными, относительно плоскости крыла, вертикальными рулями 7, смонтированными с зазором относительно задней кромки крыльев 1, при этом синхронное управление рулями 7 осуществляют с блоков управления 8 каждого из крыльев 1, а контроль положения крыла осуществляют индикаторами 11 и датчиками 12 положения.