ВЕТРЯНАЯ ТУРБИНА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
WIND TURBINE WITH VERTICAL ROTATIONAL AXIS

Изобретение относится к ветряной турбине с вертикальной осью вращения, которая может быть использована для выработки электроэнергии.
Известен ветродвигатель с вертикальной осью вращения, в описании изобретения к патенту РФ №2104408, МПК 6 F03D 3/00, от 25.05.1994., опубл. 10.02.1998, содержащий вал, ветровую турбину с горизонтальными траверсами и вертикальными лопастями аэродинамического профиля, связанную с валом, и по числу траверс дополнительные лопасти в виде вертикально поставленных криволинейно изогнутых поверхностей, отличающийся тем, что дополнительные лопасти расположены непосредственно на траверсе.
2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что на дополнительных лопастях жестко укреплены горизонтальные связывающие их пластины, нижняя из которых жестко соединена с траверсами.
3. Ветродвигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительные лопасти изогнуты по дуге окружности и их вертикальные края расположены в плоскости, проходящей через ось траверс, а выпуклость направлена в одну сторону с выпуклостью вертикальных лопастей аэродинамического профиля.
4. Ветродвигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что угол между хордой каждой вертикальной лопасти аэродинамического профиля ветровой турбины и касательной к траектории ее вращения равен 14°.
Недостатки: крутящий момент, действующий на вал, является пульсирующим.
Наиболее близким аналогом является ветряная турбина с вертикальной осью вращения, в описании изобретения к патенту РФ №2322610, МПК F03D 3/00 от 26.07.2004., опубл. 20.04.2008., содержащая вал, вращающийся вокруг продольной оси, и множество по существу жестких лопастей, механически присоединенных к этому валу, при этом каждая из множества лопастей представляет собой удлиненное тело с верхним и нижним концами, причем верхний и нижний концы каждой лопасти ротационно смещены друг от друга по продольной оси так, что каждая лопасть имеет форму винтовой спирали, при этом сечение удлиненного тела каждой лопасти, перпендикулярное продольной оси, является аэродинамической поверхностью, имеющей ведущую кромку и хвостовую кромку и среднюю линию профиля аэродинамической поверхности, проходящую между ведущей кромкой и хвостовой кромкой, отличающаяся тем, что аэродинамическая поверхность имеет дугообразную форму, так что средняя линия профиля аэродинамической поверхности проходит по линии постоянной кривизны с радиусом кривизны R'.
2. Турбина по п.1, отличающаяся тем, что радиальное расстояние R средней линии L профиля аэродинамической поверхности каждой лопасти, измеряемое от продольной оси, меняется по длине лопасти.
3. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что 1,00R<R'<1,12R.
4. Турбина по п.2, отличающаяся тем, что радиус кривизны R' средней линии профиля аэродинамической поверхности меняется по длине каждой лопасти.
5. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что 1,00R<R'<1,12R.
6. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что R' приблизительно равно 1,03R.
7. Турбина по п.4, отличающаяся тем, что R' равняется R.
8. Турбина по любому из пп.2-7, отличающаяся тем, что форма лопасти приближается к форме скрученного по оси каната.
9. Турбина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что длина хорды каждой лопасти меняется по длине каждой лопасти.
10. Турбина по п.9, отличающаяся тем, что длина хорды каждой лопасти уменьшается к верхнему и/или нижнему концам относительно центрального участка каждой лопасти.
11. Турбина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит множество распорок, которые механически прикрепляют лопасти к валу.
12. Турбина по п.11, отличающаяся тем, что каждая лопасть присоединена к валу при помощи верхней и нижней распорок.
13. Турбина по п.12, отличающаяся тем, что вытянутое тело каждой лопасти содержит центральный участок, проходящий между верхней и нижней распорками лопасти, верхний участок, проходящий над верхней распоркой лопасти, и нижний участок, проходящий под нижней распоркой лопасти.
14. Турбина по п.13, отличающаяся тем, что верхний участок каждой лопасти образует верхний конец, причем верхний конец является свободно стоящим.
15. Турбина по п.13 или 14, отличающаяся тем, что нижний участок каждой лопасти образует нижний конец, причем этот нижний конец является свободно стоящим.
16. Турбина по п.13 или 14, отличающаяся тем, что радиальное расстояние верхнего конца и нижнего конца каждой лопасти от продольной оси является меньшим, чем длина распорок.
17. Турбина по п.12, отличающаяся тем, что верхняя распорка присоединена к верхнему концу каждой лопасти, а нижняя распорка присоединена к нижнему концу каждой лопасти.
18. Турбина по п.13 или 14, отличающаяся тем, что отношение толщина-хорда каждой лопасти является большим в или вблизи места ее соединения с распорками по сравнению с отношением толщина-хорда ее центрального участка.
19. Турбина по любому из пп.1-7, 13 или 14, отличающаяся тем, что отношение толщина-хорда каждой лопасти увеличивается к верхнему и/или нижнему концам ее вытянутого тела по сравнению с отношением толщина-хорда ее центрального участка.
20. Турбина по любому из пп.1-7, 13 или 14, отличающаяся тем, что отношение толщина-хорда каждой лопасти является постоянным по всему ее вытянутому телу.
21. Турбина по любому из пп.1-7, 13 или 14, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит три лопасти, которые разнесены на одинаковое друг от друга расстояние вокруг продольной оси.
22. Турбина по любому из пп.1-7, 13 или 14, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит, по меньшей мере, одну распорку, расположенную между каждой лопастью и вращающимся валом, причем распорка выполнена за одно целое с лопастью.
23. Турбина по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит, по меньшей мере, один дискообразный элемент, занимающий пространство между каждой лопастью и вращающимся валом.
24. Турбина по п.23, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один дискообразный элемент расположен на концах ее лопастей.
25. Турбина по любому из пп.1-7, 13 или 14, отличающаяся тем, что каждая лопасть представляет собой сердцевину, выполненную из вспененного материала, и композитную оболочку.
26. Ветряная турбина с вертикальной осью, содержащая вращающийся вокруг продольной оси вал и множество по существу жестких лопастей, механически присоединенных к валу, при этом каждая из множества лопастей представляет собой удлиненное тело, имеющее верхний и нижний концы, причем верхний и нижний концы каждой лопасти ротационно смещены друг от друга вокруг продольной оси так, что каждая лопасть имеет форму винтовой спирали, при этом сечение удлиненного тела каждой лопасти, перпендикулярное продольной оси, является аэродинамической поверхностью, имеющей ведущую кромку и хвостовую кромку и среднюю линию профиля аэродинамической поверхности, проходящую между ведущей кромкой и хвостовой кромкой, отличающаяся тем, что длина средней линии профиля аэродинамической поверхности каждой лопасти уменьшается к верхнему и/или нижнему концам относительно длины центрального участка каждой лопасти.
27. Турбина по п.26, отличающаяся тем, что верхний или нижний конец является подветренным концом каждой лопасти.
Недостатки: сложность конструкции лопасти.
Технический результат: упрощение конструкции лопасти, получение постоянного крутящего момент на валу при любом положении лопастей относительно направления воздушного потока при текущих величинах скорости ветра и частоты вращения.
Технический результат достигается за счет того, что ветряная турбина с вертикальной осью вращения, содержащая вал, вращающийся вокруг продольной оси, и множество по существу жестких лопастей, каждая из которых представляет собой удлиненное тело с верхним и нижним концами, размещенных по окружности вокруг вала, механически присоединенных к этому валу с помощью множества траверс, при этом сечение удлиненного тела каждой лопасти, плоскостью перпендикулярной продольной оси вала, является аэродинамической поверхностью, имеющей переднюю кромку, заднюю кромку и среднюю линию профиля аэродинамической поверхности, верхние, средние и нижние траверсы, которые механически прикрепляют лопасти к валу, удлиненное тело каждой лопасти содержит центральный участок, проходящий между верхней и нижней траверсами лопасти, верхний участок, проходящий над верхней траверсой лопасти, и нижний участок, проходящий под нижней траверсой лопасти, отличается тем, что лопасть представляет собой удлиненное тело с круткой вокруг своей прямой продольной оси, перекрещивающейся с осью вращения турбины, причем конец верхнего участка каждой следующей по окружности лопасти расположен строго над концом нижнего участка каждой предыдущей лопасти и сечения лопастей плоскостью, перпендикулярной оси вала турбины, представляют собой аэродинамический профиль, хорда которого образует с радиусом, лежащим в плоскости этого сечения и соединяющим ось вала турбины с геометрическим центром профиля, угол α, величина которого постоянна по длине лопасти и лежит в диапазоне 0-105°, принимая конкретные значения для конкретно выбранной формы профиля.
Упрощение конструкции лопасти достигается за счет того, что продольная ось лопасти представляет собой прямую линию, перекрещивающуюся с осью вращения ветряной турбины. У аналога ось - винтовая (изогнутая вокруг оси ротора) линия, расположенная на цилиндрической поверхности, образуемой лопастями при вращении. Лопасть в отличие от аналога представляет собой пространственную конструкцию с круткой вокруг своей прямой продольной оси, имеющую в сечении аэродинамический профиль.
Известны конструкции турбин, у которых лопасти располагаются параллельно оси вращения, например в патенте RU №2104408 ветродвигатель с вертикальной осью вращения. Однако при таком расположении лопастей тангенциальная составляющая подъемной силы изменяется в зависимости от положения лопасти относительно воздушного потока и крутящий момент, действующий на вал, является пульсирующим, что не обеспечивает самозапуска турбины в любом положении относительно направления ветра. В заявляемом изобретении независимо от положения лопастей относительно ветра наблюдается самозапуск.
Получение постоянного крутящего момента на валу при любом положении лопастей относительно направления воздушного потока достигается за счет наклона лопастей, при котором площадка верхнего конца каждой следующей по окружности лопасти расположена строго над площадкой нижнего конца каждой предыдущей лопасти. Этим достигается эффект заполнения лопастями всей окружности.
Известны конструкции, которые позволяют получить постоянный крутящий момент на валу, например конструкция, предложенная в патенте RU №2322610 ветряная турбина с вертикальной осью вращения (варианты), однако данная конструкция отличается от предлагаемой тем, что, во-первых, при такой форме лопасти ее длина больше, чем в предлагаемой конструкции, во-вторых, такая лопасть сложнее.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая ветряная турбина с вертикальной осью вращения отличается от известных аналогов совокупностью существенных отличительных признаков, соответствует требованиям патентоспособности по критериям новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид устройства.
На фиг.2 изображена лопасть устройства.
На фиг.3 изображен вид лопасти сверху и угол между хордами аэродинамического профиля лопасти и радиусом, соединяющим геометрический центр аэродинамического профиля и ось турбины.
Ветряная турбина с вертикальной осью вращения состоит из не менее трех лопастей 4, равномерно распределенных вокруг вала 1, причем каждая лопасть 4 механически соединена со ступицей 2, закрепленной на валу 1, посредством одной или большего количества траверс 3 таким образом, что прямые продольные оси 8 лопастей 4 перекрещиваются с осью вала 1 и сечения лопастей 4 плоскостью, перпендикулярной оси вала 1 турбины, представляет собой аэродинамический профиль, хорда которого образует с радиусом, лежащим в плоскости этого сечения и соединяющим ось вала турбины с геометрическим центром профиля, угол α 9, величина которого лежит в интервале от 0 до 105°, принимая конкретное значение для конкретно выбранной формы профиля лопастей, и определяется: размерами турбины (высота, минимальный и максимальный диаметры), номинальной скоростью ветра и номинальной частотой вращения, расстоянием рассматриваемого сечения от оси вращения.
В частности, на основании экспериментальных данных для профилей, испытанных на рассматриваемой турбине, максимальные величины коэффициентов использования энергии ветра наблюдались при следующих значениях угла α:
- α=0° по всей длине лопасти в случае применения лопастей с симметричным выпукло-вогнутым профилем (в виде полумесяца), расположенным выпуклостью в сторону направления вращения турбины;
- α=90° по всей длине лопасти, если в ветряной турбине применены лопасти с двояко выпуклым симметричным профилем (например, NASA 0021, как показано на фиг.3);
- α=105° по всей длине лопасти, если в ветряной турбине применены лопасти с плоско-выпуклым профилем (например, тип «Эсперо»), расположенным выпуклой частью наружу.
При значениях угла α меньше 0° и больше 105° параметры турбины ухудшаются.
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
При движении потока воздуха через ротор на наклонных лопастях 4 возникают аэродинамические подъемные силы, результирующая которых (тянущая сила) создает крутящий момент, передаваемый через траверсы 3 на ступицы 2 и вертикальный вал 1 потребителям механической энергии.
Величина и направление равнодействующей указанных сил в каждый конкретный момент времени определяются ориентацией тела лопасти 4 относительно направления воздушного потока. Поскольку каждая лопасть 4 через траверсы 3 и ступицы 2 жестко связана с валом 1 ветряной турбины, положение которого в пространстве обеспечивается подшипниковыми опорами (на чертеже не показаны), у конструкции в целом остается только одна степень свободы - вращательное движение относительно вертикальной оси вала. Некомпенсированные реакциями подшипниковых опор и траверс усилия, возникшие при взаимодействии лопастей 4 с воздушным потоком, приложены к внешним концам траверс 3 и создают на ступицах 2 крутящие моменты, суммирующиеся на валу 1, что приводит к его вращению.
В результате расположения верхнего конца каждой последующей лопасти строго над нижним концом каждой предыдущей лопасти их рабочие поверхности равномерно распределены по окружности вокруг вала. При текущих значениях скорости ветра и частоты вращения это обеспечивает практически постоянную величину крутящего момента независимо от углового положения турбины.
Технико-экономический эффект
С мая 2010 г. действующая модель заявляемого изобретения проходит испытание на ООО «НПК «Дельта» в г.Воронеже. Масштабный макет устройства расчетной мощностью 1,5 кВт изготовляется на ЗАО «Балтийский станкостроительный завод». Использование заявляемого изобретения позволит обеспечить упрощение конструкции лопастей, при получении постоянного крутящего момента на валу при любом положении лопастей относительно направления воздушного потока при текущих величинах скорости ветра и частоты вращения.