КОНТРРОТОРНЫЙ ПОЛИВИНДРОТОР
COUNTER-ROTOR POLYWINDROTOR

Устройство предназначено для преобразования энергии материковых ветров в электроэнергию средней мощности.
Относится к ветрогенераторам вертикально-осевого вращения с турбинами (ветроколесами), имеющими ортогональные лопасти крыловидного профиля.
Из развития техники известны ВЭУ с контрроторными генераторами горизонтально-осевого вращения (патенты SU №4213057, 1333821, 1787205, 1402706 и др.), состоящие из двух пропеллерно-лопастных турбин, от одной из которых под напором ветра вращение передается на ротор, а с другой турбины - на контрротор общего генератора. Типовым недостатком устройств являются аэродинамические помехи, взаимно налагаемые работающими турбинами. Чаще всего одна из турбин работает в потоке уже отработанного ветра, что создает нестабильный режим работы и не дает ожидаемой прибавки генераторной мощности. Для преодоления указанного несовершенства контрроторных конструкций применяются системы (патенты RU №2372519, 2420671), где вращения на ротор и контрротор через механические связи передаются с одной единственной турбины горизонтально-осевого типа на генератор, устанавливаемый вертикально. Такие устройства отличаются сложностью и дороговизной. Существенно, что все упомянутые ВЭУ обладают плохой ориентацией на ветер, которая ведет при их эксплуатации в атмосферных потоках переменчивой направленности, что является особенностью континентального климата, к значительным потерям среднегодовой мощности.
Вместе с тем существует модельный ряд поливиндроторов с ветроколесами вертикально-осевого вращения из ортогональных лопастей крыловидного профиля (патенты RU №2482328, 2504686, 2529990), которые не требуют ориентации на ветер и тем самым более приспособлены и эффективны в условиях и ограничениях аэродинамической нестабильности материковых ветров. Ожидаемая мощность данных устройств в средне-скоростной среде зависит от комплектации и составляет 20-120 кВт (http://journal-eco.ru, 2014, №2, с. 40-48), что является приемлемым в малой энергетике при жилищно-коммунальном и сельскохозяйственном применении, но недостаточна для промышленных целей.
Сущность изобретения состоит в том, что в поливиндроторных устройствах используются генераторы с встречным вращением роторов и индукционных обмоток (контрроторов), установленные в разрыве между ярусами опорного каркаса ветросилового блока, что помещается на вершине несущей мачты ВЭУ, встречные вращения на указанные элементы генераторов поступают с вертикальных валов ветроколес, причем на роторы задействованы ветроколеса нижнего яруса, а на массивные контрроторы - верхнего яруса устройства, имеющие большую площадь ометания и соответствующий ей больший энергетический съем от ветра. Ориентация силового блока на ветер обеспечивается тем, что ветроколеса устройства выставлены клином на ветер, схемой вращения ветроколес верхнего яруса, усиливается дополнительными ортогональными лопастями, расположенными в предельно возможном подветренном положении.
Целью настоящего изобретения является получение большей мощности от материковых ветров нестабильной направленности на основе применения известных поливиндроторов.
Поставленная цель обеспечивается тем, что опорный каркас на вершине устройства имеет два яруса с вертикально-соосными и встречно вращающимися ветроколесами, выставленными клином на ветер, на валах которых установлены ортогональные лопасти крыловидного профиля, а в междуярусном разрыве располагаются контрроторные генераторы. Валы ветроколес нижнего яруса соединены с генераторными роторами, соосные им валы ветроколес противоположного вращения подключены от верхнего яруса к контрроторам тех же генераторов. Массивные электромагнитные элементы генераторов, а именно контрроторы, вращаются от ветроколес, работающих в более высоком и скоростном ветровом коридоре верхнего яруса устройства, этой же задаче подчинена их большая площадь ометания, чем у ветроколес нижнего яруса. Ориентация ветросилового блока в целом на ветер обеспечивается известным клиновым строем ветроколес, направленностью вращения ветроколес верхнего яруса, при которой лопасти в крайнем подветренном положении поворачиваются в сторону несущей мачты устройства. Неблагоприятное влияние противоположного вращения ветроколес нижнего яруса на ориентацию возмещается наличием дополнительных ортогональных лопастей, под установку которых максимально подветренные валы другого яруса своими концами выступают верх за пределы клиновидного опорного каркаса.
На фиг. 1 показан общий вид контрроторного поливиндротора; на фиг. 2 - то же устройство, вид сверху.
Контрроторный поливиндротор состоит из несущей мачты 1, поворотного узла 2, опорного каркаса 3, ветроколес 4 нижнего яруса на вертикальных валах 5, ветроколес 6 верхнего яруса на соответствующих валах 7 и 8, генераторов в составе роторов 9 и контрроторов 10, дополнительных ортогональных лопастей 11.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Под напором воздушного потока ветросиловой блок разворачивается благодаря поворотному узла 2 на ветер, одновременно начинают вращение все составляющие его ветроколеса: 6 верхнего яруса в направлениях оптимальных для надежной ориентации на атмосферный фронт и 4 нижнего яруса - в противоположных направлениях. Вращение и энергия ветра передаются с ветроколес 4, 6 на роторы 9 и контрроторы 10 соответственно, их скорости вращения складываются, генераторы вырабатывают большую мощность, чем обладают упомянутые поливиндроторные прототипы.
Большая площадь, ометаемая ветроколесами 6, достигается их повышенными габаритами над ветроколесами 4: высотой (фиг. 1) и/или диаметром, служит, как и размещение в верхнем ярусе устройства, то есть там, где скорости ветра сильнее, для съема большей энергии и ее передачи на контрроторы 10, существенно превышающие по массе роторы 9.
Направленность вращения ветроколес 6 верхнего яруса, когда их лопасти в максимально подветренной позиции направлены на несущую мачту 1, является оптимальной для ориентации всего ветросилового блока на ветер. Противоположное вращение ветроколес 4 нижнего яруса не благоприятствует условию обязательной ориентации, что ослабляется их низовым в менее скоростных ветрах положением и наличием на концах выступающих вверх за пределы опорного каркаса 3 самых подветренных валов 8 дополнительных ортогональных лопастей 11. Напор ветра на данные аэродинамические элементы, самые большие из возможных плечи их смещения от несущей мачты 1, создают крутящие моменты, усиливающие и стабилизирующие ориентацию ветросилового блока на ветер.
Предполагаемая мощность контрроторного поливиндротора в средне-скоростных от 9 м/с потоках материковых ветров переменчивой направленности превысит показатели прототипов в 1,5-2 раза и составит порядка 200-250 кВт.