КРЫЛЬЧАТО-ПАРУСНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
VANE-SAIL WIND POWER PLANT

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к устройству ветроколес ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой и средней мощности, в том числе для установки на крышах жилых домов и зданий производственного назначения.
Известна ветроэнергетическая установка, ветроколесо которой выполнено в виде крыльчатки с тремя или четырьмя лопастями [1], (стр.111 и 127), жестко закрепленными на одном из концов силового вала, другой конец которого связан с исполнительным механизмом, например посредством упругой муфты.
Такое конструктивное исполнение известного технического решения обеспечивает простоту конструкции крыльчатого ветроколеса и высокие обороты силового вала, что при качественной его балансировке позволяет снизить до минимума уровень вибрации и обеспечить возможность установки ВЭУ на крышах производственных зданий, но на крышах жилых домов их установка не проходит по уровню шума, создаваемого при рассекании частей воздушного потока в межлопастном пространстве.
Но не менее существенным недостатком ВЭУ с крыльчатыми ветроколесами является крайне низкий коэффициент использования ими энергии ветра. Поскольку в настоящее время имеет место произвольное толкование этого критерия для сравнения различных конструктивных схем ветроколес, необходимо привести следующие пояснения.
Этот критерий впервые был сформулирован и введен в обращение инженером Ветчинкиным В.П. в 1914 г., а в 1920 г. профессор Жуковский Н.Е. сделал вывод коэффициента использования энергии ветра идеальным ветряком, имея в виду ветроколесо, у которого: «… - ось вращения параллельна вектору скорости ветра;
- бесконечно большое число лопастей очень малой ширины;
- профильное сопротивление крыльев равно нулю, а циркуляция вдоль лопасти постоянна;
- потерянная скорость воздушного потока на ветроколесе постоянна по всей ометаемой поверхности ветряка;
- угловая скорость ветроколеса стремится к бесконечности».
С учетом этих допущений по мнению Н.Е.Жуковского, В.П.Ветчинкина и Е.М.Фатеева формула для определения идеального коэффициента использования энергии ветра ξ должна быть:
где P - лобовое давление воздушного потока на лопасти ветроколеса;
V - скорость рабочей струи воздушного потока;
1
V - то же в плоскости ветроколеса;
F - площадь рабочей струи, ометаемая ветроколесом;
ρ - плотность воздушного потока.
После преобразований уравнение (66) принимает вид:
1
x
Очевидно, величина P в уравнении (66a) - это та часть общего давления ветрового потока, которая приходится на проекцию тела произвольной формы на плоскость, перпендикулярную направлению ветра, при этом ее называют миделевым сечением и обозначают через F, а величину давления, приходящуюся на миделево сечение, называют лобовым давлением и обозначают через P.
x
Известно уравнение для определения величины P, которое представлено в виде:
Подставив (41) в (66а) после преобразований получим:
x
где C - коэффициент лобового сопротивления (определяют по таблице 2 [1], стр.49);
,
Подставив приведенные обозначения в формулу (15), получим окончательную универсальную формулу для определения численного значения коэффициента использования энергии ветра ветроколесами любого типа.
x
где C учитывает соотношение длины и ширины лопастей;
з
К - показывает, какая доля ометаемой ветроколесом поверхности перекрывается его миделевым сечением, и e - какая доля скорости ветрового потока расходуется на создание крутящего момента на силовом валу ветроколеса.
х
з
Так при С=1,3; К=0.208 (для четырехлопастного ветроколеса) и е=0,33
ξ=1,3·0,208·(1-0,33)=0,18 max.
Яркой иллюстрацией произвольного толкования коэффициента использования энергии ветра является утверждение доктора технических наук Фатеева Е.М. о том, что путем соблюдения ряда условий (относящихся явно к неопределенным понятиям) этот показатель может достигать 46% (0,46), (см. [1], стр.87), что не соответствует действительности.
Известен ротор ветродвигателя [2], содержащий поворотную платформу, несущую стойки, на которых установлено с возможностью свободного вращения парусное ветроколесо, выполненное в виде вала, на концах которого закреплена по спирали конусообразная ленточная упругая лопасть с убывающими радиусом и шагом спирали, при этом один из концов спирали закреплен на втулке, имеющей возможность осевого перемещения вдоль вала.
Такое конструктивное исполнение лопасти обеспечивает высокий коэффициент заполнения и соответствующий коэффициент использования энергии ветра, т.к. при этой конструкции миделево сечение спиральной лопасти практически идентично ометаемой ветроколесом поверхности и численное значение коэффициента заполнения близко к единице.
Однако практическая реализация этого технического решения весьма затруднительна, т.к. конструкция ветроколеса крайне нетехнологична и требует специального оборудования, на общетехнологических базах машиностроительных заводов которого просто не существует.
Кроме того, необходимая жесткость спиральной ленты без сплошного жесткого крепления к валу ветроколеса при ее длине в несколько шагов спирали недостижима, а балансировка ветроколеса по всей его длине весьма затруднительна.
Заявленный объект содержит поворотную платформу, несущую стойки, на которых установлено с возможностью свободного вращения крыльчато-парусное ветроколесо, выполненное в виде вала, на концах которого установлены передний и задний махи, несущие жестко закрепленные на них лопасти. Передний мах, обращенный навстречу ветру, выполнен в виде трубчатого креста, противоположный ему задний мах выполнен в виде квадратной трубчатой рамки, ребра которой жестко закреплены средней частью на свободных концах трубчатого креста, идентичного переднему кресту перпендикулярно им, а лопасти выполнены в виде прямоугольных пластин из тонколистового или тканевого материала и жестко закреплены одной из своих граней на трубках переднего маха и противоположной гранью - на соответствующих половинах внешних ребер квадратной трубчатой рамки заднего маха, параллельных трубкам переднего маха.
Технические преимущества заявленного объекта по сравнению с прототипом заключаются в следующем:
- выполнение переднего маха в виде, например, трубчатого креста, а заднего маха - в виде трубчатой квадратной рамки, средней частью своих ребер жестко закрепленной на концах трубчатого креста, идентичного переднему маху перпендикулярно им, обеспечивает возможность выполнения лопастей в виде прямоугольных пластин из тонколистового или тканевого материала;
- жесткое крепление прямоугольных лопастей одной из своих граней на трубках переднего маха и противоположной гранью - на соответствующих половинах внешних ребер квадратной трубчатой рамки заднего маха, параллельных трубкам переднего маха, обеспечивает компактность взаимного расположения лопастей с минимальным межлопастным пространством между ними и разнонаправленность частей ветрового потока, сбегающих с лопастей в заколесное пространство.
Совокупность указанных технических преимуществ заявленного объекта по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат, заключающийся в существенном уменьшении длины ветроколеса до 0,25 длины шага спирали прототипа, что позволяет устанавливать заявленный объект на крышах жилых домов и осветительных вышках потенциально опасных участков автомагистралей, повышении технологичности конструкции путем выполнения лопастей в простейшем варианте в виде прямоугольных пластин из тонколистового или тканевого материала, жестко скрепляющих между собой все элементы ветроколеса, а также в упрощении технологии и повышении качества его балансировки за счет уменьшения общей длины ветроколеса.
На приведенных чертежах схематично иллюстрируется крыльчато-парусная ВЭУ, где на фиг.1 показана ее проекция со стороны, обращенной навстречу ветру; на фиг.2 - то же, вид сбоку. При этом прямыми стрелками показан характер распределения скорости ветра при его взаимодействии с лопастями ветроколеса, где:
п
V - потери скорости сбегающего с лопастей потока ветра в заколесное пространство;
км
V - доля скорости, обеспечивающая создание крутящего момента на валу ветроколеса.
Дуговой стрелкой показано направление движения поворотной платформы в процессе самоустановки ветроколеса под действием ветрового потока в перпендикулярное к нему положение.
Крыльчато-парусная ветроэнергетическая установка (ВЭУ) содержит поворотную платформу 1, несущую стойки 2, на которых установлено с возможностью свободного вращения крыльчато-парусное ветроколесо, выполненное в виде вала 3, на концах которого установлены передний 4 и задний 5 махи, несущие жестко закрепленные на них лопасти. Причем передний мах 4 обращен навстречу ветру, а задний мах 5 расположен на подветренной стороне. Передний мах 4 выполнен в виде трубчатого креста с трубками 6, 7, 8 и 9, а задний мах 5 выполнен в виде идентичного переднему маху 4 трубчатого креста, свободные концы трубок которого охвачены квадратной трубчатой рамкой, ребра 10, 11, 12 и 13 которой жестко закреплены средней частью на свободных концах трубок 6, 7, 8 и 9, идентичного трубчатого креста перпендикулярно им и разделены местами крепления на две равные части. На переднем 4 и заднем 5 махах жестко закреплены лопасти 14, 15, 16 и 17, выполненные в виде плоских прямоугольных пластин из тонколистового или тканевого материала, которые жестко закреплены одной из своих граней на трубках 6, 7, 8 и 9 переднего маха 4, а противоположной гранью также жестко закреплены на соответствующей половине внешних ребер 10, 11, 12 и 13 под углом атаки α к направлению ветра, образуя жесткие связи 6-10-14, 7-11-15, 8-12-16 и 9-13-17, что в совокупности с жесткими связями махов 4 и 5 с валом 3 образует жесткую конструкцию крыльчато-парусного ветроколеса, вращающего исполнительный механизм, например генератор 18 электрического тока.
в
При появлении ветра со скоростью V его поток давит на лопасти 14, 15, 16 и 17 под углом атаки α, при этом скорость ветра на каждой лопасти разлагается на составляющие:
лд
V - скорость, создающая лобовое давление на лопасть, направленная перпендикулярно ее плоскости, формирующая крутящий момент на валу 3;
п1
V - скорость, направленная по плоскости лопасти и уходящая в заколесное пространство в виде потерь, при этом потоки потерь взаимно перпендикулярны и действуют в разных плоскостях, что исключает воздействие потока на депрессионную зону на тыльной стороне вслед идущей лопасти и способствует увеличению лобового давления.
Очевидно, что
лд
км
Однако не вся величина составляющей V идет на формирование крутящего момента, т.к. она не перпендикулярна валу 3 ветроколеса, а образует с направлением V также угол α.
км
км
Подставив (18) в (17) и решив уравнение относительно V, получим уравнение (19) для определения доли скорости ветра (V), приходящейся на формирование крутящего момента на валу 3 ветроколеса.
Крутящий момент на валу ветроколеса определяется по общеизвестной формуле:
,
км
км
где Р - окружное усилие, создаваемое составляющей V скорости ветра;
b - ширина лопасти.
км
Величину Р определяют по уравнению:
х
х
где С - коэффициент лобового сопротивления, учитывающий форму лопасти. Согласно табл.2 [1], стр.49. С=1,1.
F - площадь миделева сечения ветроколеса.
3
ρ - плотность воздуха 1,25 кг/м.
С учетом того, что рассматриваемое ветроколесо содержит 4 лопасти длиной L каждая, уравнение (41) примет вид:
Подставив (21) в (20) с учетом (19) после преобразований, получим:
з
Для сравнения заявленного объекта с работающими ветряками по величине коэффициента ξ использования энергии ветра, определяемого по формуле (15), необходимо определить коэффициент заполнения К, который для рассматриваемой конструкции определяется как отношение площади квадрата к площади круга диаметром, равным его диагонали, т.е. к площади круга описанной окружности.
Из элементарной геометрии известно, что эта величина составляет 0,65.
Тогда ξ=1,1·0,65·(1-0,33)=0,472.
Результат сравнения коэффициентов известных конструкций и заявленного объекта свидетельствует о том, что этот параметр для последнего выше в 2,472 раза.
Источники информации
1. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. - М.: ОГИЗ-сельхоз, 1948 г., 185 с.
2. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР №1638359 от 03.04.89 г., МПК F03D 1/06 (прототип).