ВЕТРОАГРЕГАТ
WIND-DRIVEN UNIT

Изобретение относится к области ветро- и гидроэнергетики, в частности к использованию энергии приливов, морских течений, рек и ветра.
Известен ветроагрегат традиционной компоновки пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения ориентированной по направлению ветра (В.М.Лятхер. Использование энергии ветра. Энергетическое строительство. №5, 1986 г., С.55).
К недостаткам такой конструкции относятся: сложная форма лопастей ротора ветроагрегата, большие скорости движения концов лопастей, приближающиеся к скорости звука, акустическое загрязнение среды, низкая аэродинамическая эффективность участков лопастей расположенных вблизи оси вращения, необходимость механизма ориентации по направлению ветра, который у крупных ветроагрегатов медленно реагирует на резкое изменение направления ветра, что снижает эффективность его работы, снижение эффективности происходит и при резкой неоднородности ветра по направлению высоты ветроагрегата, необходимость использования мощных грузоподъемных механизмов для монтажа, так как многотонные узлы крупных ветроагрегатов располагаются на высоте нескольких десятков метров.
Известен ортогональный ветроагрегат, работающий независимо от направления ветра, имеющий ротор, ось вращения которого ориентирована перпендикулярно потоку, и состоящий из соединенных траверсами криволинейных лопастей симметричного аэродинамического профиля, хорда которого перпендикулярна радиусу вращения (Гидротехническое строительство. №11, 1986 г., С.33-37).
По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной нами цели, являются: низкий коэффициент полезного действия (КПД) особенно у агрегатов, работающих в свободном потоке, необходимость раскрутки ротора для начала работы от внешнего источника энергии.
Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и повышение эффективности ветроагрегата.
Для достижения указанного технического результата в ветроагрегате, включающем ротор, содержащий лопасти соединенные между собой траверсами, ось вращения которого расположена поперек направления потока, лопасти выполнены в виде пространственной спирали сегментного профиля, при этом внутренняя кромка сегментного профиля прилегает к поверхности воображаемого тела вращения, а прямолинейная ее часть совпадает с продолжением радиуса тела вращения, геометрическая ось которого одновременно является осью вращения ротора, соединенного упруго с фундаментом с возможностью наклона в разные стороны.
Отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что лопасти выполнены в виде пространственной спирали сегментного профиля, внутренняя кромка которого прилегает к поверхности воображаемого тела вращения, а прямолинейная ее часть совпадает с продолжением радиуса тела вращения, геометрическая ось которого одновременно является осью вращения ротора, соединенного упруго с фундаментом с возможностью наклона в разные стороны.
Благодаря наличию этих признаков предлагаемая конструкция позволяет снизить стоимость изготовления и монтажа ветроагрегата, повысить надежность его работы и упростить обслуживание. Для работы ветроагрегата не требуется его предварительная раскрутка, что тоже позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики.
Предлагаемый ветроагрегат иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-фиг.5.
На фиг.1 показан вид ветроагрегата сбоку, совмещенный с разрезом по узлу опирания ротора.
На фиг.2 - вид ветроагрегата сверху.
На фиг.3 - проекция лопасти на плоскость параллельную направлению потока.
На фиг.4 - вид на лопасть по направлению потока.
На фиг.5 - вид сверху на лопасть.
На фиг.3, 4 и 5 показаны силы, воздействующие на ветроагрегат, приводящие его во вращение.
На фото представлена работающая модель ветроагрегата.
Ветроагрегат содержит лопасть 1, траверсу 2, вал 3, радиальный подшипник 4, радиально-упорный подшипник 5, платформу 6, сферический шарнир 7, пружины 8, фундамент 9, электрогенератор 10.
Устройство работает следующим образом.
Под воздействием ветра ротор за счет упругого соединения с опорной конструкцией фундаментом 9 наклоняется в направлении потока, в результате чего сегментный профиль лопасти 1 образует с направлением потока угол атаки α (фиг.3). Этот угол атаки α при неподвижном роторе плавно изменяется от а в плоскости, проходящей через ось вращения в направлении потока до 0 в плоскости, проходящей через ось вращения перпендикулярной потоку.
1
1
При обтекании сегментного профиля потоком возникает аэродинамическая сила F, ее проекция на плоскость перпендикулярную оси вращения F=F sinβ, где β - угол наклона (фиг.4) элементарного участка лопасти 1 Δl к плоскости перпендикулярной оси вращения. Элементарный участок спиралевидной лопасти длиной Δl создает крутящий момент M=FΔlR, где R - радиус элементарного участка лопасти 1. Крутящий момент участков лопасти 1 на наветренной и подветренной сторонах ротора направлен в одну сторону. Поскольку коэффициент аэродинамического качества сегментного профиля максимален при угле атаки около 2°, угол наклона оси вращения ротора к направлению потока принимают несколько больше 92° и определяют экспериментальным путем с учетом того, что характер обтекания профиля зависит также от соотношения скорости потока и линейной скорости лопасти 1.
Для динамической балансировки ротора целесообразно включать в его состав две лопасти 1, концы которых разнесены по окружности на 180° и закреплены на траверсах 2 обтекаемого поперечного профиля. Количество витков лопастей в роторе ограничивается жесткостью конструкции. Траверсы 2 закреплены на валу 3. Установки малой мощности могут не иметь вала. Вал 3 посредством радиального 4 и радиально-упорного 5 подшипников соединен с платформой 6, опирающейся на фундамент 9. По периметру платформы 6 установлены пружины 8, позволяющие наклоняться ротору в разные стороны при изменении направления ветра.
Ограничители наклона на фиг.1 не показаны. Вращение вала 3 через мультипликатор, если он необходим, передается генератору 10, установленному на платформе 6.
Установки малой мощности вместо сферического шарнира 7 и пружин 8 могут соединяться с фундаментом 9 посредством гибкого стержня.
Наиболее проста в изготовлении лопасть 1 в виде цилиндрической спирали, которая может быть получена путем растягивания концов разрезанного кольца сегментного поперечного профиля. Лопасти 1 крупных агрегатов могут собираться на месте из одинаковых элементов.
Предлагаемая конструкция может быть использована в качестве турбины на приливных и речных бесплотинных станциях и т.п.