ВЕТРОКОЛЕСО ДЛЯ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ПАРУСНОСТИ

Предлагаемая полезная модель относится к ветроэнергетическим установкам и может быть использована для получения механической или электрической энергии от потока движущейся среды.
Известны многочисленные конструкции ветроколес пропеллерного (репеллерного) типа с горизонтальной осью вращения [1, 2, 3] и другие. В такого рода устройствах парусность ветроколес не изменяется или изменяется незначительно только за счет поворота лопасти вокруг своей продольной оси [3].
Известно, что подобные ветроколеса отрабатывают менее 30% энергии ветрового потока, а остальная его часть проскальзывает между лопастями и полезно не используется. В патенте США №4309146 применено сплошное ветроколесо в виде конуса и рабочие реактивные лопасти по его краям [3]. В этом случае весь ветровой поток, растекаясь по конусной поверхности ветроколеса, попадает на реактивные лопасти. Конструкция данного устройства достаточно сложна и также лишена возможности управлять парусностью и, как следствие, числом оборотов ветроколеса.
Наиболее близким по технической сути (прототипом) является устройство [4] «Ветродвигатель», содержащее на оси несколько лопастей, состоящих из основания и фигурных вырезов из упругого листового материала, причем лопасти образуются путем последовательного изгиба к центру наветренных частей каждой лопасти, а их концы закрепляются на втулке размещенной на оси ветроколеса.
Данное устройство также имеет малую степень регулирования парусности ветроколеса, достигаемую путем изменения геометрии упругого листового материала, а ветровой поток, проходящий между лопастями, не используется.
Технические преимущества заявляемого объекта по сравнению с известными устройствами заключаются в следующем:
- с целью повышения коэффициента использования энергии потока введено второе аналогичное ветроколесо, размещенное на трубе соосно с осью основного ветроколеса. Причем труба через подшипники связана с корпусом головки ветродвигателя и через механическую передачу с генератором или другим исполнительным механизмом;
- с целью упрощения конструкции на основаниях обоих ветроколес выполнены по окружности вырезы на половину ширины лопастей. Основания приближены друг к другу вплотную и выступы каждой дополнительной лопасти последовательно введены в вырезы каждой очередной основной лопасти;
- с целью увеличения числа оборотов за счет дополнительного использования уже отработанного в лопастях потока, на концах рабочей части каждой лопасти установлены дополнительные отражающие реактивные пластины-лопасти.
Это позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра и увеличить крутящий момент ветроколеса.
На фиг.1 изображено конструктивное исполнение соосного расположения двух ветроколес, на фиг.2 - развертка одного ветроколеса с четырьмя лопастями (n=4), а на фиг.3 - сдвоенное ветроколесо для ветродвигателя с регулированием парусности.
«Ветроколесо для ветродвигателя с регулированием парусности» содержит центральную ось 1, на которой закреплено n лопастей 2 (в данном случае n=4).
Соосно на оси размещена труба 3 с возможностью ее поворота на оси, причем на трубе закреплено также n аналогичных лопастей 4, а через подшипники 5 труба соединена с корпусом (головкой) 6 ветродвигателя и через механическую передачу (шкив или шестерню) 7 - с исполнительным механизмом, например, генератором (на фиг. не показан).
Развертка каждого ветроколеса из гибкого упругого материала (фиг.2) содержит основание 8 и непосредственно лопасти 9, состоящие из наветренной части 10, изгибаемой к центру основания, и - несгибаемой рабочей части 10, изгибаемой к центру основания, и - несгибаемой рабочей по отношению к потоку части 11 каждой лопасти. На основаниях имеются по окружности вырезы 12 на половину ширины лопастей и образовавшиеся выступы 13. Лопасти могут изготавливаться отдельно от основания, иметь вырез 12 и крепиться к основанию любым известным способом. На фиг.3 показано сдвоенное колесо, когда основания максимально сдвинуты до соприкосновения, а выступы 13 каждой дополнительной лопасти последовательно введены в вырезы каждой очередной основной лопасти. На периферии рабочей части каждой лопасти установлены по аналогии с патентом США [4] дополнительные отклоняющие реактивные пластины - лопасти 14.
«Ветроколесо для ветродвигателя с регулированием парусности» работает следующим образом.
Поворотом оси 1, связанной с ветроколесом 2 (фиг.1) предоставляется возможность вращать его по кругу относительно ветроколеса 4, при этом в одном крайнем положении лопасти обоих оснований становятся напротив друг друга, т.е. лопасти 4 остаются в тени лопастей 2 и не отрабатывают поток ветра.
В другом крайнем положении, когда лопасти через прорези максимально заведены:
каждая за последующую (фиг.3), образуется 2n-лопастное (в данном примере восьмилопастное) объединенное ветроколесо.
В этом крайнем положении (фиг.3) ветроколесо имеет максимальный коэффициент использования энергии потока, т.к. большая его часть преобразуется в вихревое вращательное движение. Это объясняется так же тем, что наветренные части 10 лопастей имеют меньшую поверхность, чем рабочие части лопастей 11, а поток ветра отраженный частями лопастей 10 попадает вовнутрь лопасти и также участвует в передаче энергии ветра через давление на боковые грани лопастей.
Избыточное давление воздуха внутри лопастей передается на рабочие части лопасти 11 и на дополнительные отклоняющие пластины - лопасти 14, имеющие меньший радиус закругления.
Таким образом, поворотом оси 1 и, следовательно, изменением взаимного положения составных ветроколес 2 и 4 за счет изменения их суммарной парусности, предоставляется возможность регулировать мощность и крутящий момент ветродвигателя.
Существенное отличие предлагаемого решения от известных заключается как в увеличении коэффициента использования энергии потока, так и в увеличении крутящего момента за счет регулирования парусности ветроколеса.
Испытания лабораторных макетов подтвердили заявленные преимущества.
Предлагаемое «Ветроколесо для ветродвигателя с регулированием парусности» достаточно простое в изготовлении, не требует дефицитных материалов и специального обслуживания.
Следует ожидать его широкое применение в качестве привода электрических генераторов, насосов и т.д. на объектах, лишенных централизованного электроснабжения.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Описание к изобретению по авторскому свидетельству №1333821, МПК F03Д 1/02 «Ветроэлектрический агрегат» (аналог).
2. Описание к изобретению по авторскому свидетельству №1657720, МПК F03Д 1/06, «Ветроколесо» (аналог).
3. Описание к патенту США №4309146 авторов Л.Гейна и У.Майерса «Ветроэнергетический аппарат».
4. Описание к патенту РФ №31614, МПК F03Д 1/06 «Ветродвигатель» (прототип).