ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а более конкретно к ветродвигателям.
Известен ветродвигатель, содержащий центральное тело, носовая часть которого имеет форму эллипсоида вращения, а хвостовая часть имеет форму параболы с килем на конце, с ветроколесом, состоящим из втулки с установленными на ней под углом к набегающему потоку лопастями, с неподвижным кольцевым обтекателем, с защитной сеткой с проницаемостью 96-98% на входе кольцевого обтекателя (Россия, патент №12195,1999 г.).
Недостатком этого ветродвигателя является, относительно большая скорость страгивания ветроколеса (скорость запуска) и то, что угол установки лопастей по отношению к направлению потока (ветра) не зависит от скорости ветра.
Известны ветродвигатели, в которых применены методы регулирования для удовлетворения требованию сохранения мощности и числа оборотов при изменении скорости ветра. Для этого используют различные способы регулирования ветродвигателя: вывод ветряного колеса из-под ветра, уменьшение площади лопасти, изменение угла атаки всей лопасти или ее частей, воздушный тормоз и т.д.
Известен ветродвигатель датской фирмы Агрико, принятый в качестве прототипа, в котором с целью регулирования числа оборотов и сохранения мощности лопасти могут поворачиваться около оси в подшипниках (Е.М. Фатеев. Ветродвигатели. Госэнергоиздат, М.-Л., 1946 г., стр.138).
0
Недостатком этого ветродвигателя являются потери мощности, связанные с закруткой потока за ветроколесом (~5%) и большая скорость страгивания (запуска) ветродвигателя (V≈4 м/с).
Задача, которую решает предложенная полезная модель, состоит в улучшении главных характеристик ветродвигателя.
При этом достигаются следующие технические результаты:
- уменьшается скорость страгивания ветроколеса или скорость запуска (минимальная скорость ветра, при которой начинает работать ветродвигатель),
- лопасти ветроколеса находятся под оптимальным углом атаки при изменении скорости ветра, что способствует повышению КПД ветродвигателя. Технические результаты достигаются следующим способом:
- уменьшение скорости запуска обеспечивается за счет того, что из-за наличия возвратной пружины, находящейся в начальном, нерастянутом состоянии, в момент страгивания угол атаки лопастей ветроколеса близок к углу, при котором создается максимальная подъемная сила и, соответственно, максимальный крутящий момент;
- оптимальный угол атаки лопасти (угол при котором реализуется максимальное аэродинамическое качество) при изменении скорости ветра обеспечивается тем, что лопасть при этом поворачивается относительно своей оси, причем угол поворота регулируется специальным механизмом, включающим в себя стержень с возвратной пружиной и ограничитель угла атаки в виде упора на втулке.
Для этого в известном ветродвигателе с ветроколесом, состоящим из втулки с установленными на ней под углом к набегающему потоку лопастями выполнено следующее:
- лопасти, имеющие в поперечном сечении аэродинамический профиль, сделаны таким образом, что могут вращаться во втулке ветроколеса вокруг своей продольной оси и первоначально установлены под углом атаки, при котором обеспечивается максимальная подъемная сила и, соответственно, максимальный крутящий момент;
- продольные оси вращения лопастей расположены за центром приложения аэродинамических сил (обычно центр приложения аэродинамических сил профиля находится на относительном расстоянии 0,25÷0,3 по хорде от его носка), на расстоянии ≥0,5 по хорде профиля от его носка, чтобы создавался момент, увеличивающий угол атаки лопасти относительно вектора скорости ветра;
- лопасть связана с корпусом втулки ветроколеса стержнем с возвратной пружиной, чтобы обеспечить начальный угол атаки лопасти и чтобы в момент страгивания не произошло заброса лопасти на закритические углы атаки;
- на корпусе втулки каждой лопасти сделан упор-ограничитель угла атаки, в который
упирается стержень лопасти при увеличении скорости потока (ветра) до расчетной величины, чтобы лопасть заняла положение с оптимальным углом атаки.
На фиг.1 показана конструктивная схема ветродвигателя.
Ветродвигатель содержит ветроколесо, лопасти 1, которого имеют в поперечном сечении аэродинамический профиль и установлены осями 2 во втулке центрального тела 3. Лопасти имеют возможность вращаться во втулке ветроколеса вокруг оси 2. Оси вращения лопастей расположены за центром давления аэродинамических сил, на относительном расстоянии ≥0,5 хорды профиля, считая от его носка. Оси 2 связаны с корпусом втулки ветроколеса стержнем 5 с пружиной 4. На втулке имеются упоры 6, являющиеся ограничителем угла атаки лопастей.
Ветродвигатель работает следующим образом.
Ветроколесо начинает вращаться при малых скоростях ветра, существенно меньших расчетных, так как лопасти 1 находятся в начальном установочном положении «А» (фиг.1) и их угол атаки близок к углу, при котором на лопасти создается максимальная подъемная сила и, соответственно, максимальный крутящий момент (точка «а» фиг.2), что обеспечивается начальным, нерастянутым состоянием пружины.
При вращении ветроколеса истинный угол атаки лопасти уменьшается и стремится к значению, при котором реализуется максимальное аэродинамическое качество (точка «б» на фиг.2). Этот угол является оптимальным при работе ветроколеса.
При возрастании скорости ветра до расчетной и увеличении при этом оборотов ветроколеса, момент аэродинамических сил начинает разворачивать лопасть, увеличивая угол атаки, препятствуя тем самым дальнейшему уменьшению истинного угла атаки лопасти и сохраняя ее оптимальное положение. При этом пружина 4 растягивается и при расчетной скорости ветра стержень 5 упирается в ограничитель 6, а лопасть 1 занимает оптимальное положение (положение лопасти «Б» на фиг.1).
При промежуточных скоростях ветра от момента страгивания ветроколеса до расчетных значений скорости ветра лопасть 1 будет автоматически стремиться занять
оптимальное положение (угол атаки) за счет подбора упругости пружины 4. Обоснование технических результатов.
Лопасти 1 ветроколеса имеют в поперечном сечении аэродинамический профиль. При его обтекании потоком воздуха на нем возникает аэродинамическая сила, момент которой приводит во вращение ветроколесо. Обычно центр давления аэродинамических сил находится на расстоянии 0,25÷0,3 хорды профиля, считая от его носка. Лопасти закреплены так, что имеют возможность вращаться во втулке 3 ветроколеса вокруг осей 2. Оси вращения лопастей расположены за центром давления аэродинамических сил на относительном расстоянии ≥0,5 хорды профиля, считая от его носка, чтобы создавался момент, увеличивающий угол атаки лопасти относительно вектора скорости ветра.
На фиг.2 приведены характерные зависимости коэффициента подъемной силы Су и аэродинамического качества К лопасти от угла атаки.
Чтобы уменьшить скорость страгивания ветроколеса (скорость начала его вращения) угол атаки его лопастей должен быть близок к углу, при котором создается максимальная подъемная сила (максимальный крутящий момент). Поэтому при малых скоростях ветра, существенно меньших расчетных, для того, чтобы ветроколесо начало вращаться, лопасти должны находиться в начальном установочном положении «А» (фиг.1). Тогда угол атаки лопасти близок к углу, при котором, на лопасти создается максимальная подъемная сила и, соответственно, максимальный крутящий момент (точка «а» фиг.2). В этом случае угол атаки лопасти определяется, как угол между вектором скорости ветра и хордой профиля лопасти (фиг.3а).
А наибольший коэффициент полезного действия ветроколеса достигается при углах атаки лопастей, при которых реализуется максимальное аэродинамическое качество. Угол атаки, соответствующий максимальному аэродинамическому качеству, меньше угла атаки, при котором реализуется максимальная подъемная сила (фиг.2). Таким образом, для того, чтобы уменьшить скорость страгивания ветроколеса, нужно увеличить начальный угол атаки лопастей.
01
Обозначим V - скорость страгивания ветроколеса в случае установки лопасти на угол атаки, соответствующий максимальному коэффициенту подъемной силы
макс
02
макс
макс
Су (максимальному крутящему моменту), и V - скорость страгивания ветроколеса в случае установки лопасти на угол атаки, соответствующий максимальному аэродинамическому качеству К и коэффициенту подъемной силы Сук.
макс
кмакс
Так как сила, необходимая для страгивания ветроколеса, представляет собой аэродинамическую силу, то для Сук и Сук из равенства моментов сил получим:
макс
01
макс
02
02
2
CуV =CукV  (1)
Отсюда можно определить на сколько уменьшается скорость страгивания:
макс
макс
Обычно отношение коэффициентов подъемной силы Су и Сук Для профилей составляет 1,7÷2,3, поэтому отношение скоростей может быть равно 1,3÷1,5. Таким образом, скорость страгивания может быть уменьшена на 30÷50%.
Возникающий при страгивании ветроколеса момент от аэродинамической силы относительно оси вращения 2 лопасти 1 может "забросить" лопасть сразу в положение «Б» и она окажется для данной скорости ветра на закритических углах атаки. В этом случае резко падает подъемная сила и увеличивается лобовое сопротивление. Чтобы этого не произошло и угол атаки лопасти был близок к оптимальному, ее ось 2 связана с корпусом втулки 3 ветроколеса посредством стержня 5 с возвратной пружиной 4.
При расчетной скорости потока (ветра) стержень 5 упрется в ограничитель угла атаки 6 и лопасть займет оптимальный для этой скорости угол атаки.
в
л
При расчетных скоростях ветра и вращении ветроколеса скорость набегающего на профиль потока складывается из векторной суммы скорости ветра V и линейной скорости вращения лопастей V (фиг.36), истинный угол атаки лопасти при этом уменьшается и должен быть близок к значению, при котором реализуется максимальное аэродинамическое качество (точка «б» фиг.2, положение лопасти «б» фиг.1).
При промежуточных скоростях ветра от момента страгивания ветроколеса-до расчетных значений скорости за счет подбора упругости пружины 4 лопасть будет автоматически стремиться встать на оптимальный угол атаки.