Модульное ветроколесо

Изобретение относится к отрасли машиностроения, в частности к производству ветротурбин, напорных турбин, ветроколес для генераторов ветрогенераторных установок, и предназначено для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения.

Известен ротор (п. WO 2012112075, F03D 1/06, автор К.Е. Шахов), который содержит самое меньшее две дугообразные лопасти, которые расположены вокруг оси вращения ротора и каждая из которых связана с крепежным элементом в виде диска с валом, расположенным вдоль оси вращения ротора. Образующая выгнутой боковой поверхности дугообразной лопасти расположена в плоскости, которая параллельна оси вращения ротора. Верхний край выгнутой боковой поверхности дугообразной лопасти связан с краем вогнутой боковой поверхности дугообразной лопасти, которая выполнена параллельно ее выгнутой боковой поверхности.

Недостаток известного ротора состоит в том, что при его использовании энергетический поток взаимодействует с фронтальным препятствием и на вогнутую поверхность лопастей действует преимущественно турбулентный энергетический поток, что приводит к увеличению потерь энергии энергетического потока.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и принятым авторами за прототип является универсальный ротор Онипко (патент РФ №2550718, авторы Онипко А.Ф., Василенко С.Н., Онипко А.А.), содержащий как минимум две дугообразные лопасти, которые расположены вокруг оси вращения ротора и каждая из которых связана с крепежным элементом, расположенным вдоль оси вращения ротора, образующая выгнутой боковой поверхности дугообразной лопасти расположена близко к плоскости, которая параллельна оси вращения ротора, верхний край выгнутой боковой поверхности дугообразной лопасти связан с краем вогнутой боковой поверхности дугообразной лопасти, при этом вогнутая поверхность дугообразной лопасти без крутых изгибов и углов наклонена от оси вращения ротора в направлении к основанию этой лопасти, связь края вогнутой боковой поверхности дугообразной лопасти с верхним краем выгнутой боковой поверхности дугообразной лопасти выполнена под углом, противоположный край вогнутой боковой поверхности дугообразной лопасти связан под углом с выгнутой боковой поверхностью смежной дугообразной лопасти.

Однако известный из пат. РФ №2550718 универсальный ротор имеет низкий коэффициент использования энергии ветра, т.к. такой ротор не позволяет обеспечить вращение индуктора и якоря приводимой электрической машины-генератора в противоположные стороны от одного источника кинетической энергии, например ветра. Вследствие этого существенно снижается эффективность приводимой во вращение источником кинетической энергии генераторной установки в целом, снижается ее коэффициент полезного действия (КПД).

Кроме того, максимально эффективное использование энергии набегающего воздушного потока может быть достигнуто только в том случае, когда направление скорости набегающего воздушного потока (например, ветра) совпадает с осью вращения ветроколеса, а известный из пат. РФ №2550718 универсальный ротор не может самостоятельно ориентироваться в набегающем воздушном потоке. Для установки оси вращения известного универсального ротора по направлению набегающего воздушного потока необходимо применять специально разработанную конструкцию генератора, интегрированную в тело ротора, с достаточно тяжелым узлом установки ротора на опоре ветрогенераторной установки.

Задачей предлагаемого изобретения является создание модульного ветроколеса, позволяющего повысить эффективность преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения.

Технический результат заявленного изобретения - повышение коэффициента использования энергии ветра, увеличение продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока за счет самоориентации модульного ветроколеса в набегающем воздушном потоке.

Технический результат достигается тем, что в модульном ветроколесе, содержащем дугообразные лопасти, которые расположены вокруг оси вращения ветроколеса, каждая из которых связана с крепежным элементом, расположенным вдоль оси вращения ветроколеса, вдоль оси вращения ветроколеса устанавливаются передний и задний валы, а модульное ветроколесо выполняется с возможностью установки на опоре посредством узла крепления (опора и узел крепления в состав модульного ветроколеса не входят) и состоит из переднего и заднего модулей одинаковой массы, при этом передний модуль выполняется аппроксимированным в форму конуса и жестко закрепляется на переднем валу, а задний модуль выполняется аппроксимированным в форму усеченного конуса с диаметром усеченной части, равным диаметру основания переднего модуля, и жестко закрепляется на заднем валу, при этом передний конец переднего вала выполняется с возможностью установки в узле крепления опоры, а его задний конец выполняется выступающим за основание переднего модуля с возможностью крепления к переднему приводному валу двухроторного генератора (в состав модульного ветроколеса не входит), при этом передний конец заднего вала выполняется выступающим за усеченную часть заднего модуля с возможностью крепления к заднему приводному валу двухроторного генератора, а его задний конец выполняется с возможностью установки в узле крепления опоры, причем каждый модуль выполняется с возможностью свободного вращения вокруг продольной оси вращения модульного ветроколеса, а модульное ветроколесо выполняется с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси, на которой находится его центр масс, при этом направление восходящих спиралей дугообразных лопастей заднего модуля выполняется встречным по отношению к направлению восходящих спиралей дугообразных лопастей переднего модуля, а количество заходов восходящих спиралей дугообразных лопастей в каждом модуле выполняется равным трем, причем угол закручивания каждой спирали равен 360°.

Более эффективное преобразование кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения достигается за счет повышения коэффициента использования энергии ветра модульного ветроколеса и самоориентации его в набегающем воздушном потоке, позволяющей максимально увеличить продольную составляющую скорости набегающего воздушного потока - удерживать ее равной горизонтальной составляющей скорости набегающего воздушного потока.

Самоориентация модульного ветроколеса в набегающем воздушном потоке, позволяющая максимально увеличить продольную составляющую скорости набегающего воздушного потока, обеспечивается тем, что модульное ветроколесо, выполненное с возможностью установки на опоре посредством узла крепления (опора и узел крепления в состав модульного ветроколеса не входят), выполнено с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси, на которой находится его центр масс, а передний и задний модули ветроколеса имеют одинаковую массу (условие балансировки модульного ветроколеса на опоре ветрогенераторной установки, не входящей в состав модульного ветроколеса), но разные геометрические размеры (диаметр основания переднего модуля равен диаметру усеченной части заднего модуля, а диаметр основания заднего модуля больше диаметра его усеченной части (по определению усеченного конуса). Вследствие большего диаметра заднего модуля его аэродинамическое сопротивление набегающему воздушному потоку выше, чем аэродинамическое сопротивление переднего модуля. Вследствие этого вокруг вертикальной оси OY опоры создается момент сил, который разворачивает модульное ветроколесо в положение, при котором моменты сил вокруг вертикальной оси OY, действующие на передний и задний модули, становятся равными по величине и противоположными по направлению, то есть уравновешиваются. При этом модульное ветроколесо занимает положение, при котором горизонтальная составляющая вектора скорости набегающего воздушного потока (ветра) направлена параллельно продольной оси ОХ модульного ветроколеса. Таким образом, продольная (эффективная) составляющая скорости набегающего воздушного потока удерживается равной горизонтальной составляющей скорости набегающего воздушного потока, а поперечная (неэффективная) составляющая скорости набегающего воздушного потока равна нулю.

Повышение коэффициента использования энергии ветра модульным ветроколесом достигается также следующим образом.

Предлагаемое модульное ветроколесо состоит из переднего и заднего модулей. Передний модуль, выполненный аппроксимированным в форму конуса и жестко закрепленный на переднем валу, преобразует кинетическую энергию набегающего воздушного потока (ветра) в механическую энергию вращения. Создаваемый при этом момент вращения M₁ передается на вал переднего ротора приводимого генератора, сообщая ему угловую скорость ω₁.

Задний модуль также преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения. Создаваемый при этом момент вращения М₂ передается на вал заднего ротора приводимого генератора, сообщая ему угловую скорость ω₂.

За счет того, что каждый модуль выполнен с возможностью свободного вращения вокруг продольной оси вращения модульного ветроколеса, а направление восходящих спиралей дугообразных лопастей заднего модуля выполнено встречным по отношению к направлению восходящих спиралей дугообразных лопастей переднего модуля, передний и задний модули вращаются с противоположными по направлению скоростями.

За счет того, что вдоль оси вращения модульного ветроколеса установлены передний и задний валы, при этом передний модуль жестко закреплен на переднем валу, задний конец которого выполнен выступающим за основание переднего модуля с возможностью крепления к приводному валу переднего ротора двухроторного генератора, а задний модуль закреплен на заднем валу, передний конец которого выполнен выступающим за усеченную часть заднего модуля с возможностью крепления к приводному валу заднего ротора двухроторного генератора, роторы генератора, приводимые во вращение предлагаемым модульным ветроколесом при реализации этой возможности, также имеют противоположные по направлению скорости вращения.

Таким образом, суммарная мощность на обоих валах ветроколеса, передаваемая на приводные валы переднего и заднего роторов приводимого генератора, увеличивается (а значит, увеличивается коэффициент использования энергии ветра). Соответственно увеличивается момент вращения, увеличивая взаимную скорость вращения роторов при неизменной продольной горизонтальной составляющей скорости (ветра).

Коэффициент использования энергии ветра определяется по формуле

где Р - мощность на валу ветроколеса, Вт, Р_вп - мощность набегающего воздушного потока, воздействующего на ветроколесо, Вт.

где V - скорость набегающего воздушного потока, км/ч, S - площадь ветроколеса, ометаемая ветром, м², ρ - плотность воздуха, кг/м³.

Таким образом, при одной и той же продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока (ветра) суммарный момент вращения, создаваемый модульным ветроколесом, увеличивается, увеличивая взаимную скорость вращения переднего и заднего роторов приводимого генератора. Это позволяет повысить напряжение, генерируемое двухроторным генератором, приводимым во вращение предлагаемым модульным ветроколесом, а следовательно, увеличить его полезную мощность.

Генерируемое в генераторе за счет преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения с помощью известного универсального ротора напряжение пропорционально скорости вращения ротора (индуктора или якоря) относительно неподвижного корпуса (якоря или индуктора) и определяется формулой

где С - конструктивный коэффициент; ω₁ - скорость вращения ротора относительно неподвижного корпуса, об/мин; Ф - магнитный поток возбуждения, Вб.

Генерируемое за счет преобразования механической энергии вращения напряжение в двухроторном генераторе, приводимом во вращение предлагаемым модульным ветроколесом, пропорционально сумме скорости вращения переднего ротора (индуктора или якоря) двухроторного генератора, равной скорости вращения переднего модуля, и скорости вращения заднего ротора (якоря или индуктора) двухроторного генератора, равной скорости вращения заднего модуля, относительно их общей оси симметрии (продольной оси вращения):

где С - конструктивный коэффициент; ω₁ - скорость вращения переднего ротора (индуктора или якоря) двухроторного генератора относительно продольной оси вращения, об/мин; ω₂ - скорость вращения заднего ротора (якоря или индуктора) генератора относительно продольной оси вращения, об/мин; Ф - магнитный поток возбуждения.

Увеличение коэффициента использования энергии ветра достигается также путем увеличения мощности, передаваемой модульным ветроколесом на вал заднего ротора двухроторного генератора, приводимого во вращение задним модулем модульного ветроколеса, за счет дополнительного увеличения скорости его вращения. Это обеспечивается тем, что набегающий воздушный поток, закрученный тремя восходящими спиралями дугообразных лопастей, выполненных с углом закручивания каждой спирали 360°, переднего модуля, аппроксимированного в форму конуса, отбрасывается на три восходящие спирали дугообразных лопастей, выполненных с углом закручивания каждой спирали 360°, заднего модуля, аппроксимированного в форму усеченного конуса с диаметром усеченной части, равным диаметру основания переднего модуля. За счет того, что направление восходящих спиралей дугообразных лопастей заднего модуля выполнено встречным по отношению к направлению восходящих спиралей дугообразных лопастей переднего модуля, скорость вращения ω₂₁ заднего модуля, определяемая продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока, складывается со скоростью вращения ω₂₂, определяемой скоростью вращения закрученного восходящими спиралями дугообразных лопастей переднего модуля воздушного потока. Суммарная скорость вращения заднего модуля относительно продольной оси вращения равна

где ω₂₁ - скорость вращения заднего модуля (заднего ротора), обусловленная величиной продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока, об/мин; ω₂₂ - скорость вращения заднего модуля (заднего ротора), обусловленная скоростью вращения воздушного потока, закрученного восходящими спиралями дугообразных лопастей переднего модуля, об/мин.

Таким образом, суммарная скорость вращения заднего модуля относительно продольной оси вращения увеличивается, увеличивая скорость вращения заднего ротора приводимого двухроторного генератора.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого модульного ветроколеса с приводимым во вращение двухроторным генератором ветрогенераторной установки.

Модульное ветроколесо содержит дугообразные лопасти и состоит из переднего 2 и заднего 4 модулей одинаковой массы, при этом передний модуль 2 выполнен аппроксимированным в форму конуса и жестко закреплен на переднем валу 1, установленном вдоль оси вращения ветроколеса, а задний модуль 4 выполнен аппроксимированным в форму усеченного конуса с диаметром усеченной части, равным диаметру основания переднего модуля 2, и жестко закреплен на заднем валу 5, установленном вдоль оси вращения ветроколеса. Передний конец переднего вала 1 выполнен с возможностью установки в узле крепления опоры 6 (опора и узел крепления в состав модульного ветроколеса не входят), а его задний конец выполнен выступающим за основание переднего модуля 2 с возможностью крепления к переднему приводному валу двухроторного генератора 3 (в состав модульного ветроколеса не входит). Передний конец заднего вала 5 выполнен выступающим за усеченную часть заднего модуля 4 с возможностью крепления к заднему приводному валу двухроторного генератора 3 (в состав предлагаемого модульного ветроколеса не входит), а его задний конец выполнен с возможностью установки в узле крепления опоры 6. Каждый модуль выполнен с возможностью свободного вращения вокруг продольной оси ОХ вращения модульного ветроколеса, а модульное ветроколесо выполнено с возможностью свободного вращения вокруг вертикальной оси OY, на которой находится его центр масс. Направление восходящих спиралей дугообразных лопастей заднего модуля 4 выполнено встречным по отношению к направлению восходящих спиралей дугообразных лопастей переднего модуля 2, а количество заходов восходящих спиралей дугообразных лопастей в каждом модуле равно трем, причем угол закручивания каждой спирали равен 360°.

Модульное ветроколесо работает следующим образом. Набегающий воздушный поток, параллельный поверхности Земли, ометает конструкцию ветроколеса под некоторым углом к его продольной оси ОХ. Передний 2 и задний 4 модули ветроколеса имеют одинаковую массу (условие балансировки модульного ветроколеса на опоре 6 ветрогенераторной установки), но разные геометрические размеры (диаметр основания переднего модуля 2 равен диаметру усеченной части заднего модуля 4, а диаметр основания заднего модуля 4 больше диаметра его усеченной части (по определению - усеченного конуса)). Вследствие большего диаметра заднего модуля 4 его аэродинамическое сопротивление набегающему воздушному потоку выше, чем аэродинамическое сопротивление переднего модуля 2. Вследствие этого вокруг вертикальной оси OY ветрогенераторной установки возникает разворачивающий момент сил, который разворачивает модульное ветроколесо в положение, при котором моменты сил вокруг вертикальной оси OY, действующие на передний 2 и задний 4 модули, становятся равными по величине и противоположными по направлению, то есть уравновешиваются. При этом модульное ветроколесо занимает положение, при котором горизонтальная составляющая вектора скорости набегающего воздушного потока (ветра) направлена параллельно продольной оси ОХ модульного ветроколеса.

Одновременно с этим воздушный поток (ветер), набегая на восходящие спирали дугообразных лопастей переднего 2 и заднего 4 модулей, выполненных аппроксимированными в форму конуса и в форму усеченного конуса соответственно, создает момент вращения вокруг продольной оси ОХ.

Так как направление восходящих спиралей дугообразных лопастей заднего модуля 4 выполнено встречным по отношению к направлению восходящих спиралей дугообразных лопастей переднего модуля 2, угловые скорости вращения переднего ω₁ и заднего ω₂ модулей также направлены встречно.

Полезной нагрузкой переднего 2 и заднего 4 модулей ветроколеса могут быть соответственно передний и задний роторы генератора ветрогенераторной установки, на которых установлены индуктор и якорь (или якорь и индуктор - в зависимости от конструкции двухроторного генератора). Встречное вращение роторов, а соответственно индуктора и якоря генератора, увеличивает относительную скорость вращения магнитного поля в рабочем зазоре генератора, тем самым позволяя повысить его энергоэффективность и получить номинальные выходные параметры при малых скоростях ветра.

Момент вращения, создаваемый передним модулем 2 ветроколеса, через передний вал 1, передний конец которого выполнен с возможностью установки в узле крепления опоры 6, а задний конец выполнен выступающим за основание переднего модуля 2 с возможностью крепления к переднему приводному валу двухроторного генератора 3, передается на передний приводной вал генератора 3 и приводит во вращение с угловой скоростью ω₁ передний ротор генератора 3 (индуктор или якорь - в зависимости от конструкции генератора).

Момент вращения, создаваемый задним модулем 4 ветроколеса, через задний вал 5, передний конец которого выполнен выступающим за усеченную часть заднего модуля 4 с возможностью крепления к заднему приводному валу двухроторного генератора 3, а ее задний конец выполнен с возможностью установки в узле крепления опоры 6, передается на задний приводной вал генератора 3 и приводит задний ротор генератора 3 (якорь или индуктор - в зависимости от конструкции генератора) во вращение с угловой скоростью ω₂, направленной противоположно угловой скорости ω₁. В результате этого индуктор и якорь генератора 3 вращаются в противоположные стороны, модульное ветроколесо преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения (а генератор 3 при его подсоединении к модульному ветроколесу, соответственно, механическую энергию в электрическую) с большей эффективностью.

Одновременно набегающий воздушный поток, закрученный тремя восходящими спиралями дугообразных лопастей, выполненных с углом закручивания каждой спирали 360°, переднего модуля, аппроксимированного в форму конуса, отбрасывается на три восходящие спирали дугообразных лопастей, выполненных с углом закручивания каждой спирали 360°, заднего модуля 4, аппроксимированного в форму усеченного конуса с диаметром усеченной части, равным диаметру основания переднего модуля 2. За счет того, что направление восходящих спиралей дугообразных лопастей заднего модуля 4 выполнено встречным по отношению к направлению восходящих спиралей дугообразных лопастей переднего модуля 2, скорость вращения ω₂₁ заднего модуля, определяемая продольной составляющей скорости набегающего воздушного потока, складывается со скоростью вращения ω₂₂, определяемой скоростью вращения закрученного восходящими спиралями дугообразных лопастей переднего модуля 2 воздушного потока. Тем самым суммарная скорость вращения заднего модуля 4 увеличивается. Увеличение скорости вращения заднего модуля 4 приводит к увеличению полезной мощности, передаваемой на задний приводной вал приводимого во вращение модульным ветроколесом двухроторного генератора, а соответственно, и к увеличению скорости вращения заднего ротора двухроторного генератора.

Генерируемое в генераторе за счет преобразования механической энергии вращения с помощью предлагаемого модульного ветроколеса напряжение пропорционально сумме скорости вращения переднего ротора (индуктора или якоря), равной скорости вращения переднего модуля 2, и скорости вращения заднего ротора (якоря или индуктора) генератора, равной скорости вращения заднего модуля 4, относительно их общей оси симметрии (продольной оси вращения) и определяется по формуле (4).

Скорость вращения заднего ротора (якоря или индуктора) генератора относительно продольной оси вращения определяется по формуле (5).

Предлагаемое изобретение, выполняя функцию ветроколеса, как и прототип, в то же время в отличие от него позволяет увеличить коэффициент использования энергии ветра при неизменной скорости набегающего воздушного потока (ветра) и, как следствие, повысить эффективность преобразования кинетической энергии набегающего воздушного потока в механическую энергию вращения, а затем при присоединении к модульному ветроколесу двухроторного генератора с большей эффективностью преобразовать полученную механическую энергию вращения в электрическую.