Ротор ветроколеса

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована в ветродвигателях с вертикальной осью вращения для преобразования энергии, получаемой из регенеративных источников.
Известно ветроколесо (SU №1809159, A1, F03D1/06, от 12.11.90), содержащее две пары лопастей, диаметрально закрепленных на противоположных концах поворотного горизонтального вала. Лопасти выполнены в форме параболического цилиндра, обращены к ветру своей вогнутой стороной и расположены с одинаковым углом наклона в разные стороны относительно вертикальной плоскости.
Недостатком указанного ветроколеса является его низкая эффективность из-за возникающих концевых потерь.
Известна роторная ветроэлектрическая установка (RU №2325552, F03D11/00, от 07.09.2006) в которой, для повышения ее эффективности и мощности, профиль лопасти выполнен пересечением либо двух либо одной параболы, при этом лопасти оборудованы клапанами в виде отверстий, перекрываемыми заглушками, удерживаемыми плоскими пружинами, прикрепленными к штырю, управляемому центробежным маятником, обеспечивающим регулировку мощности приоткрыванием отверстий и полным их открытием при сильном ветре, а концы лопастей механически связаны кольцом.
Недостатком указанной роторной ветроэлектрической установки является конструктивная сложность и низкая эффективность из-за большого сопротивления, возникающего при ее работе, из-за большой разности давлений на наветренной и заветренной частях лопастей.
Известна энергетическая установка «Виндротор» (RU №52120, F03D3/02, от 10.11.2005) содержащая электрогенератор, соединенный с вращающейся турбиной, имеющей вертикальную ось, N-профилированных лопастей, каждая из которых представляет собой часть цилиндра, лопасти установлены по окружности турбины, которая
размещена внутри неподвижного устройства формирования ветрового потока, представляющего собой цилиндрическую систему с N-направляющими лопастями, установленными по окружности устройства, устройство формирования ветрового потока с размещенной в нем турбиной выполнено в виде нескольких установленных друг на друга и механически соединенных между собой ярусов, в каждом из которых турбина снабжена верхним и нижним маховиком, к которым прикреплены лопасти, имеющие в сечении параболическую форму, устройство формирования ветрового потока снабжено верхним и нижним основаниями, к которым прикреплены направляющие лопасти, выполненные каждая из одного листа в виде двух участков, один из которых имеет вид кольцевого сектора, а второй участок выполнен прямым.
Недостатком описанной выше энергетической установки является высокая металлоемкость и конструктивная сложность из-за наличия большого количества вспомогательных механизмов и элементов, что снижает надежность при эксплуатации, увеличивает вес, что также приводит к необходимости приложения значительной ветровой нагрузки для создания пускового момента.
Известна роторная ветроэлектростанция (RU №2362906, F03D3/04 от 18.01.2008), выполненная в виде модуля, состоящего из ротора с вертикальной осью вращения и соединенного с ним кольцевого направляющего аппарата. Лопасти ротора выполнены в форме цилиндрической параболы с загибом конца лопасти на угол 45-60°. Направляющий аппарат выполнен из неподвижной плоскости с плавно загнутым концом на угол 30-45° для направления воздушного потока на лопасть и подвижной, вращающейся плоскости с двумя плавными загибами ее концов в противоположные стороны на угол 30-45° и с отверстиями на загибах. Концы лопастей механически замкнуты кольцом, причем внизу кольцо имеет инерционный обруч.
Недостатком описанной выше роторной ветроэлектростанции является высокая металлоемкость и конструктивная сложность из-за наличия большого количества вспомогательных механизмов и элементов, что снижает надежность при эксплуатации, увеличивает вес, что также приводит к необходимости приложения значительной ветровой нагрузки для создания пускового момента.
Известен ротор типа Савониуса (RU №2182258, F03D3/06 от 27.12.1994) содержащий две лопасти, состоящие каждая из цилиндрической части с передней утолщенной кромкой и плоской пластины, соединенной с задней кромкой цилиндрической части лопасти по касательной к ней. Утолщение передней кромки выполнено в виде крыльевого профиля с засасывающей поверхностью на внешней стороне лопасти, а со стороны свободного конца плоской пластины размещен аэрогидродинамический профиль сегментного типа со спинкой в сторону вращения ротора.
Недостатком прототипа является низкий коэффициент использования энергии ветра. Так как ротор вращается в направлении, совпадающем с направлением воздействующего на него потока, то возникающая на крыльевом профиле подъемная сила имеет малую величину. К тому же оптимальный угол атаки на крыльевой профиль сохраняется только на незначительном участке круговой траектории лопасти. При прохождении потока между двумя параллельными пластинами возникают дополнительные потери на трение о стенки, которые в совокупности с искусственной шероховатостью, нанесенной на нагнетающей стороне крыльевого профиля, и малого плеча относительно центра ротора, дадут незначительный крутящий момент за счет возникновения разряжения на спинках аэрогидродинамического профиля сегментного типа, расположенных на свободных концах плоских пластин.
Наиболее близким по технической сущности прототипом является ротор типа Савониуса (RU №2073113, F03D3/06, от 16.12.1992), лопасти которого с образующей, расположенной параллельно оси вращения ротора, выполнены из полуцилиндра и плоской пластины, соединенной с одной из кромок каждого полуцилиндра по касательной к нему, полуцилиндры повернутыпо направлению вращения ротора и имеют на обоих свободных продольных кромках пластинчатые интерцепторы.
Недостатком прототипа является низкий коэффициент использования энергии ветра вследствие как формы и расположения лопастей, так и отсутствия осевого промежутка между лопастями с зоной свободного перетекания ветрового потока от внутренней части одной лопасти к другой, что приводит к возрастанию сопротивления вращению ротора вследствие возникающей большой разности давлений на наветренной и заветренной частях лопастей. Наличие интерцепторов и острых углов образованных ими с образующей лопасти ухудшает условия обтекания, т.к. обтекание острых кромок вызывает сильное понижение давления, что влечет за собой последующее сильное возрастание давления приводящее к отрыву пограничного слоя с образованием зон застойного течения.
Цель полезной модели – увеличение коэффициента использования энергии ветра и уменьшение концевых потерь.
Техническим результатом полезной модели является наиболее полное использование энергии потока путем снижения доли концевых потерь возникающих за счет образования вихрей, сходящих с концов лопастей, изменение расположение лопастей и их формы, что позволяет наиболее оптимально взаимодействовать с набегающим на них потоком.
Технический результат достигается тем, что ротор ветроколеса, содержащий вертикальную ось вращения и лопасти, согласно полезной модели, ротор ветроколеса содержит верхний и нижний торцевые диски, между которыми закреплены лопасти, имеющие параболическую форму, установленные с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернутые навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклоненные вовнутрь лопасти в направлении от нижнего торцевого диска к верхнему торцевому диску.
На фиг.1 изображен ротор ветроколеса, общий вид; на фиг.2 – то же, вид спереди; на фиг.3 – сечение лопасти А-А на фиг.2.
Ротор содержит вертикальную ось 1 вращения и лопасти 2 и 3, закрепленные между верхним 4 и нижним 5 торцевыми дисками, лопасти, в сечении перпендикулярном оси вращения ротора, выполнены в виде цилиндрической поверхности второго порядка образующей которой является парабола, при этом лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и вертикальной осью вращения, своими внешними кромками повернуты навстречу набегающему потоку и наружными боковыми стенками отклонены во внутрь лопасти по направлению от нижнего торцевого диска к верхнему торцевому диску.
Ротор работает следующим образом.
При вращении ротора перед наветренной частью лопасти 3, на участке ее траектории при движении навстречу набегающему потоку (Фиг.3), давление повышается, а на заветренной (внутренней) понижается. Одним из немаловажных факторов уменьшения силы лобового сопротивления любого тела, движущегося в воздушном потоке, является уменьшение разности давлений между наветренной и заветренной частями. Поэтому, когда воздушный поток, воздействуя на ротор, попадает в зону местного сужения между внутренней и наружными стенками двух лопастей, образованной благодаря тому, что лопасти, своими внешними кромками повернуты в сторону набегающего потока, он, по закону Бернулли, дополнительно ускоряясь, входит во внутреннюю часть лопасти 2 движущейся в направлении потока и, отдавая часть своей кинетической энергии, скользя по внутренней образующей лопасти 2, оставшуюся энергию, благодаря осевому зазору, направляет во внутреннюю часть противоположно направленной лопасти 3, в область пониженного давления, оказывая на противоположную лопасть не только вторичное воздействие, но и уменьшая тем самым и величину перепада давления между наветренной и заветренной частями лопасти движущейся навстречу потоку. Как показали эксперименты, отсутствие межосевого  зазора, отклонение его размера от оптимального диапазона или его частичное затенение различными элементами, приводит к падению частоты вращения ротора минимум на 15%. Параболическая форма лопастей благодаря своей геометрии, в дополнении с отклонением наружных боковых стенок во внутрь, уменьшает долю профильных потерь и при положении в потоке соответствующему или близкому к максимальному крутящему моменту (Фиг.3), когда набегающий поток скользит по постепенно нарастающим кривым лопастей, без острых углов, кромок и наличия зон резкого возрастания давления, способствует более плавному и безотрывному как внутреннему, так и наружному ее обтеканию. Доля концевых потерь, возникающих из-за образования вихрей сходящих с концов лопастей, уменьшается за счет установки торцевых дисков 4 и 5.