Ветроэнергетическая установка

(73) Патентообладатель Лаврентьев Николай Алексеевич Хлебцевич Всеволод Алексеевич(56)2079702 1, 1997, Абрамовский Е.Р. и др. Аэродинамика ветродвигателей / Учеб. пособие. - Днепропетровск Днепропетровский государственный университет, 1987. - С. 167,1373860 А 1, 1988,1825893 А 1, 1993,333285 А 1, 1972,2101560 1, 1998.(57) Изобретение относится к механике к области конструирования ветроэнергетических установок и может быть использовано в различных областях хозяйственной деятельности. Ветроэнергетическая установка содержит генератор 1, вертикальную ось вращения 2, подшипники 3, лопасти 4, перемычки 5 и 6. Перемычки развернуты вдоль оси 2 относительно одна другой под углом. Угол разворота к длине оси обеспечивает винтовую крутку лопасти, шаг винта обеспечивающий соответствующее геометрическое заполнение сметаемой ротором поверхности. Чертеж описания фиг. 1 дан для помещения в реферат. 4323 1 Изобретение относится к механике, к области конструирования ветроэнергетических установок, и может быть использовано в различных областях хозяйственной деятельности. Известны конструкции ветроэнергетических установок, содержащие ротор барабанного типа с вертикальной осью вращения и прямыми лопастями, имеющий по меньшей мере две лопасти каплевидного аэродинамического сечения и генератор, кинематически связанный через редуктор с осью вращения ротора 1. Недостаток известных конструкций ветроэнергетических установок связан со значительными изменениями условий обтекания лопасти потоком за один оборот ротора с цикличностью в процессе эксплуатации свыше миллиона раз. Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ветроэнергетическая установка с ротором Дарье, имеющим вертикальную ось вращения с двумя и более лопастями, с криволинейными в вертикальной плоскости профилями каплевидного аэродинамического сечения. Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока, и генератор, кинематически связанный через редуктор с валом вращения ротора 2. Достоинство известной установки в достаточно высоком значении коэффициента использования энергии ветра до 0,30-0,35. Кроме того, ветродвигатели Дарье кинематически не нуждаются в механизме ориентации на ветер. Недостаток известной конструкции ветроэнергетической установки связан со значительными изменениями условий обтекания лопасти потоком за один оборот ротора с цикличностью в процессе эксплуатации свыше миллиона раз. Это приводит к снижению надежности в связи с резким выходом прямой вертикальной лопасти из зоны ламинарного ветрового потока в зону турбулентности за ветровым колесом, что сопровождается явлением одиночных рывков при малых оборотах ротора ветроколеса с последующим по мере увеличения оборотов возникновением автоколебаний, приводящих к резонансному разрушению как элементов ротора, так и корпуса редуктора, опоры или фундамента ветроустановки. В основу изобретения положена задача повышения надежности и конструктивной прочности ротора ветроколеса и установки в целом путем создания вихревого потока внутри ротора, обеспечивающего подтягивание ветрового потока внутрь конструкции ротора по принципу турбинного ветронасоса, а также плавного входа лопасти в наветренную и подветренную к ротору зонах. Поставленная задача достигается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая ротор с вертикальной осью вращения, имеющий, по меньшей мере, две лопасти каплевидного аэродинамического сечения и генератор, кинематически связанный через редуктор с валом ротора, согласно изобретению, лопасти выполнены с винтовой круткой вокруг вала ротора, имеют форму геликоида вращения и жестко связаны между собой, по меньшей мере, двумя перемычками, и с валом ротора, причем перемычка имеет форму горизонтальной лопасти с круткой от вала ротора к геликоидной лопасти. Изобретение поясняется чертежом, где фиг. 1 - изображает изобретение в трех проекциях с винтовой круткой геликоидных лопастей вдоль оси ротора - 90 фиг. 2 - с круткой 180 фиг. 3 - изображает схему воздействия ветрового потока на ротор с прямыми лопастями и формирование шлейфа на подветренной стороне за ротором фиг. 4 - изображает то же, что и фиг. 3, но для ротора с геликоидными лопастями, с винтовой крутки вдоль ротора. Ветроэнергетическая установка содержит генератор 1, вертикальную ось вращения 2, подшипники 3, лопасти 4, перемычки 5 и 6. Перемычки развернуты вдоль оси 2 относительно одна другой под углом. Угол разворота к длине оси обеспечивает винтовую крутку лопасти, шаг винта, обеспечивающий соответствующее геометрическое заполнение ометаемой ротором поверхности. Чем меньше шаг винта, больше крутка вертикальной лопасти, тем больше геометрическое заполнение и, соответственно, ниже стартовая скорость вращения по скорости ветра, и тем меньше вероятность возникновения автоколебаний. Автоколебания возникают по причине знакопеременных нагрузок при вращении ротора из наветренной плоскости в подветренную относительно ветрового потока. Ветроэнергетическая установка работает следующим образом. В исходной ситуации, когда ротор не вращается, ветровой поток может привести его во вращение при достижении определенной скорости ветра, создающей усилие на лопастях 4, достаточное для старта ротора. Известный ротор с прямыми лопастями, у которых крутка равна нулю по фиг. 3 - ротор Эванса, ротор Дарье, зачастую под воздействием ветра из стартовой позиции уравновешивается во флюгерном положении. В этом случае для пуска ротора помимо фронтального воздействия ветра нужно постороннее вращательное усилие на оси ротора. Например, в качестве пускателя можно использовать собственный генератор 1 в режиме электродвигателя. Увеличение количества лопастей приведет к увеличению инерционности и повышению стартовой скорости ветра, при этом остается вероятность уравновешенности и потери старта. 2 4323 1 После старта, по мере нарастания скорости ветра, повышается скорость вращения ротора, соответственно уменьшается прозрачность ротора, приводящая с наветренной стороны к уплотнению воздуха, а с подветренной стороны образуется разрежение в турбулентном режиме. Лопасть, вращаясь, попадает из зоны повышенного давления в зону разрежения, а затем снова в зону повышенного давления. При этом происходит скачкообразное изменение усилий как на лопасти, так и на оси ротора. Вращение ротора создает периодичность этого процесса, что может привести на определенных оборотах к автоколебаниям, и, как следствие, к разрушению ветроустановки. Ротор с лопастями 4, имеющими геликоидную форму, при вращении обеспечивает постоянный контакт с ветровым потоком как с подветренной стороны, так и с наветренной. В таком роторе отсутствует скачкообразный процесс фронтальных воздействий ветрового потока на лопасти и не вызывает автоколебаний. Кроме того, винтовое вращение лопастей 3 часть потока внутри ротора отводит к торцу в виде вихря или смерча,уменьшая этим уровень разрежения и турбулентность с подветренной стороны ротора, попутно увеличивая пропускную способность ометаемой ротором поверхности, соответственно геометрическое заполнение, и рост его производительности путем подсоса воздуха, т.е. увеличения пропускаемых объемов воздуха от ветрового потока. Промышленный макет ветроэнергетической установки прошел испытания в аэродинамической трубе. Использование предлагаемой геликоидной ветроэнергетической установки при сопоставимых технических параметрах с известными конструкциями обеспечит увеличение выработки энергии при улучшении качественных показателей по надежности и долговечности. Источники информации 1. Абрамовский Е.Р. и др. Аэродинамика ветродвигателей / Учеб. пособие. - Днепропетровск Днепропетровский государственный университет, 1987. - С. 167. 2.2079702 1, 1997. Ветроэнергетическая установка, содержащая ротор с вертикальной осью вращения, имеющий, по меньшей мере, две лопасти каплевидного аэродинамического сечения и генератор, кинематически связанный через редуктор с валом ротора, отличающаяся тем, что лопасти выполнены с винтовой круткой вокруг вала ротора, имеют форму геликоида вращения и жестко связаны между собой, по меньшей мере, двумя перемычками и с валом ротора, причем перемычки имеют форму горизонтальной лопасти с круткой от вала ротора к геликоидной лопасти. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.