КАРУСЕЛЬНОЕ ВЕТРОКОЛЕСО

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветродвигателям с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра - Карусельное ветроколесо - (KB). В качестве аналога примем Карусельное ветроколесо (патент RU 2498109, C2, F03D 3/00 20.012013 г, Бюлл. 31), которое содержит установленные на вертикальной оси не менее трех симметрично расположенных рамочных Г-образных махов зажатых между двумя разделительными плоскостями, обеспечивающими более эффективное использование воздушного потока в пределах каждого яруса, n таких ярусов - комплектов, расположены вдоль основной оси вращения карусельного ветроколеса (КВ), причем верхняя разделительная плоскость n-1 яруса является нижней для n-го яруса. Махи каждого верхнего яруса смещены относительно махов ближайшего нижнего на угол

α=2π/ к n - (1),

где к - количество махов на одном ярусе, n - количество ярусов.

1. К недостаткам прототипа относится необоснованно сложная конструкция. Рамочные махи, как самостоятельные детали, на каждом ярусе зажаты между двумя разделительными плоскостями, а лопасти шарнирно на осях закреплены в махах. Но ведь проще оси лопастей шарнирно на осях закрепить непосредственно на разделительных плоскостях, жестко связанных с основным валом.

2. При анализе работы прототипа (см. его Фиг. 1) очевидно, что в 4-м квадранте относительно вектора воздушного потока (ВП) - т.е. в зоне 270-360 градусов момент вращения от каждого маха равен нулю. Это вызывает неравномерность вращения КВ и для ликвидации этого отрицательного явления вводится несколько ярусов, усложняя конструкцию КВ.

В качестве прототипа предлагается Карусельное ветроколесо по патенту RU 2659680, С2, F03D 3/00, 09.03.2016 г, которое содержит ветроколесо имеющее лопасти и демферы, расположенные между двумя плоскостями, на которых закреплены лопасти с возможностью поворота вокруг оси. При чкм лопасти и демпферы непосредственно закрепляются в виде комплектов на хордах верхнего и нижнего дисков, используемых в качестве плоскостей. Каждый комплект из лопастей и демпферов в любой точке круговой траектории движения имеет лопасти, действующие в рабочем режиме, и лопасти в режиме флюгерования, а расстояние между осями соседних лопастей комплекта и размеры лопастей выполнены такими, что в рабочем режиме зазоры между соседними лопастями отсутствуют, а зазоры между кромками лопастей параллельных дискам и самими дисками выполнены минимальными. Наряду с очевидными достоинствами прототипа:

1. Использование 100% ометаемой площади.

2. Равномерность движения КВ даже при одном ярусе.

3. Сравнительная простота конструкции.

4. Расширенный диапазон рабочих скоростей воздушного потока (из-за наличия вставок).

5. Существенным недостатком этого известного КВ является сравнительно низкий коэффициент использования ветроэнергии (Ср-Си Пи фактор по международным правилам). Применение в прототипе плоских лопастей не позволяет более эффективно использовать энергию действующего воздушного потока (ВП).

На Фиг. 1 проиллюстрирована идея КВ-прототипа, в котором плоские лопасти 1 расположены на штангах 3 с равными углами между ними, зонами переключения 4, действующими на лопасти силами F. Для того чтобы обеспечить 100% "ометаемой площади" и заданное направление вращения ветроколеса, его лопасти 1 в первом и четвертом квадрантах (0-90, 270-360 градусов) относительно вектора воздушного потока, должны быть перпендикулярны своим штангам 3 и находиться левее их относительно вала 2 и правее своих штанг 3 относительно вала 2 во втором и третьем квадрантах (90-180, 180-270 градусов). На рисунке также показано действие сил F от ВП в различных точках круговой траектории при формировании вращающего момента одного знака в соответствии с выбранным направлением вращения. Показаны зоны переключения 4, где происходит переход одних лопастей в рабочий режим, а других в режим флюгерования.

Задачей предполагаемого изобретения является более эффективный съем энергии с единицы «ометаемой» площади при сохранении идеи расположения аэродинамических крыльев 1 (вместо лопастей 1). Применение в КB вместо плоской лопасти крыла по Фиг. 2, имеющего в сечении соответствующий аэродинамический профиль, создает дополнительные подъемную силу и момент, позволяет с учетом конструктивных идей прототипа (наличие 2-х комплектов крыльев 1 и демпферов 6 к каждому крылу при наличии штанг 3, основного вала КB 2, зоны переключения 4) существенно увеличить коэффициент использования ветроэнергии Ср. Очень важен для ветроустановок с вертикальным валом и аэродинамическими крыльями (типа Дарье) вопрос переключения (инверсии) крыльев при переходе каждого крыла по Фиг. 2 из зоны 270-0-90 градусов при заданном направлении вращения КВ в зону 90-180-270 градусов. Очевидно, что без инверсии в зоне переключения крыло будет развивать тормозной, паразитный момент. В известном патенте - СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТЕКУЩЕЙ СРЕДЫ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ КРЫЛЬЯМИ (RU №2589569, С2, F03D 3/06, Опубликовано 10.07.2016 г, Бюлл. № 19) при движении по окружности в зонах изменения формы крыльев на симметричную, - 90 градусов +Δ и 270 градусов +Δ относительно вектора ВП (где - Δ зона изменения формы крыла при изменении характера момента) форма каждого крыла автоматически изменяется скачком в Δ - зонах, после чего снова формируется рабочий момент.

На Фиг. 3 дана примерная конструкция крыла из этого патента, инверсирующего свою форму в определенных зонах круговой траектории, где отображены отдельны детали в конструкции контрольного крыла. Его ось 7, закрылок 9, электротриггер 15, узел изменения формы крыла 16, передняя аэродинамическая обшивка крыла 17, задняя подвижная аэродинамическая обшивка крыла 18, их оси поворота 19, контроллер с серводвигателем 20, ось закрылка 24. Особенностью предлагаемой конструкции KB является автоматическая смена комплектов крыльев одной конфигурации на инверсную как раз в зонах переключения -4 (Δ), т.е отсутствует необходимость в усложнении конструкции крыльев, использовании электроники и вычислительной техники.

На Фиг. 4 изображено предлагаемое КB, которое состоит из - вертикального основного вала - 2, к которому гайками - 5, и упорными кольцами -7 закреплены верхний - 3 и нижний - 4 диски, на которых находится остальная часть конструкции КB и (лопасть)-аэродинамическое крыло - 1, причем по разрезу А-А Фиг. 3 дана Фиг. - 4.

На Фиг. - 5 изображены детали KB для варианта 3-х хорд. Показано направление ВП и направление вращения KB стрелкой ω. Показан вал - 2, упорное кольцо - 7, нижний диск - 4 и комплект крыльев и демпферов - 8, расположенных на каждой хорде - 9, причем углы между хордами равны и для варианта трех хорд - 60 градусов. Из Фиг. 4 видно, что каждый комплект 8 из крыльев - 1 и демпферов - 6 в любой точке круговой траектории движения имеет крылья - 1, действующие в рабочем режиме (при упоре на демпферы 6) и создающие вращательный момент для вала - 2, крылья - 1 другой половины комплекта 8 на хорде действуют в режиме флюгерования (в этом режиме крыло свободно от упора на демпферы и не создает никакого вращающего момента относительно основного вала - 2), т.е. вращательный момент каждого комплекта - 8 не прерывается (именно это обеспечивает равномерность вращения, предложенного КВ). Расстояния между осями - 5 соседних крыльев - 1 на хорде - 9 и размеры крыльев выполнены такими, что в рабочем режиме зазоры между соседними крыльев отсутствуют. Зазоры между кромками крыльев параллельных дискам и дисками выполнены минимальными и такими, что допускают свободное перемещение крыльев относительно дисков.

Встречаясь с поверхностями крыльев - 1 (имеющего в сечении соответствующий аэродинамический профиль), ВП обозначенный стрелкой на Фиг. 5 и имеющий произвольное направление, за счет создаваемого ВП скоростного напора поворачивает крылья - 1 вокруг их осей - 5. При этом часть крыльев - 1 каждого комплекта - 8 на хорде - 9 переходит в рабочий режим, прижимается ВП к демпферам - 6, создавая вращательный момент относительно вала - 2 КВ, в то время как крылья - 1 на другой половине каждого комплекта - 8, за счет создаваемого скоростного напора ВП переходят в режим флюгерования (в этом режиме крыло свободно от упора на демпферы и не создает никакого вращающего момента относительно основного вала - 2). Вследствие такого воздействия скоростного напора ВП на крылья -1 каждого комплекта - 8 на хордах - 9 возникает вращательный момент, приложенный к валу - 2 КВ и оно приобретает угловую скорость ω. Этот процесс повторяется при движении каждого комплекта - 8 по круговой орбите. Таким образом обеспечивается постоянство момента и направления вращения вала - 2 и обеспечивается более эффективный съем энергии с единицы «ометаемой» площади.

Сравнительно простая и эффективная конструкция предлагаемого КВ при мощности 3-10 квт может найти широкое применение в коттеджах, индивидуальных хозяйствах, дачах, особенно при отсутствии промышленной сети или ее дефиците, как в Крыму. Необходимо отметить, что замена плоских лопастей на аэродинамические крылья существенно повышает его эффективность относительно прототипа, а особенности конструкции, предполагающие автоматическую инверсию формы крыльев в зонах, определяемых вектором воздушного потока, делают его более эффективным, чем классические ветроустановки Дарье.