Ветродвигатель с лопастями "банан", способ регулирования частоты вращения ветротурбины

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветродвигателям с вертикальной осью вращения. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования энергии ветра лопастями ветротурбины с вертикальной осью вращения за счет применения нового профиля лопасти и нового способа генерирования энергии и эффективного регулирования частоты вращения ветротурбины и величины крутящего момента. Ветродвигатель содержит вращающуюся ветротурбину, лопасти которой выполнены в виде аэродинамических профилей, где каждый профиль лопасти ветротурбины выполнен симметричным и образован двумя плавными кривыми различной степени кривизны одного знака, при этом ось симметрии проходит по середине длины профиля лопасти ветротурбины. Причем каждая лопасть состоит из двух или нескольких частей, соединенных между собой вертикальными шарнирами с возможностью принудительного поворота любой части лопасти. Кроме того, разработан новый способ регулирования частоты вращения ветротурбины, в котором лопасти ветротурбины при изменении скорости ветра радиально перемещают, меняя расстояние между лопастью и осью вращения ветротурбины, а при ураганах принудительно приближают лопасти к оси вращения ветротурбины и разворачивают вокруг вертикальной оси лопасти, образуя из лопастей легкообтекаемую поверхность. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, в частности к ветродвигателям, и может быть использовано для получения механической и электрической энергии. Известна лопасть ветроколеса, содержащая перо, поперечное сечение которого выполнено в виде обтекаемого профиля с отогнутым носком на наветренной стороне, профиль выполнен в виде эллипсоида вращения, а наветренная сторона - в виде кривой, описываемой функцией плотности логарифмически нормального распределения (см. SU, 1740767 A1, кл. F 03 D 1/06, 15.06.1992).

Недостатком этой лопасти является то, что она мало эффективна в условиях меняющегося направления движения воздушного потока.

Известна ветряная мельница, содержащая ротор, смонтированный на подшипниках в верхней и нижней неподвижных опорах. Верхняя и нижняя опоры связаны между собой посредством радиально расположенных лопаток, а ротор оснащен верхним и нижним дисками, которые соединены тремя лопастями, имеющими симметричное сечение, с закругленной передней и заостренной задней кромками (см. US, 4162410 А, кл. F 03 D 9/00, 1979).

Недостатком этой ветряной мельницы является то, что ее лопасти имеют закругленную переднюю и заостренную заднюю кромки, что не может быть эффективно в условиях изменяющегося направления движения воздушного потока по отношению к самой лопасти.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа ветродвигатель, содержащий вращающуюся ветротурбину, лопасти которой выполнены в виде аэродинамических профилей, где входная закругленная кромка лопасти расположена на большем расстоянии от оси вращения турбины, чем задняя заостренная кромка, при этом наружная грань лопасти образует оптимальный угол атаки с измененным направлением движения воздушного потока (см. RU, 7453 U1, кл. F 03 D 3/04, 16.08.1998).

Недостатком этого устройства является то, что лопасти ветротурбины имеют фиксированные относительно самой лопасти входную и выходную кромки. Это мешает эффективно использовать энергию ветра при применении таких лопастей в ветродвигателях с вертикальной осью вращения ветротурбины, так как лопасть, находясь с наветренной и с подветренной сторон, меняет входную кромку на выходную, а выходную - на входную по отношению к направлению движения воздушного потока. При этом, находясь с подветренной стороны ветротурбины, лопасть препятствует ее вращению.

Единый технический результат заключается в повышении коэффициента использования энергии ветра лопастями ветротурбины с вертикальной осью вращения за счет применения нового профиля лопасти и нового способа генерирования энергии и эффективного регулирования частоты вращения ветротурбины и величины крутящего момента.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном ветродвигателе, содержащем вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью вращения, лопасти которой выполнены в виде аэродинамических профилей, где входная закругленная кромка лопасти расположена на большем расстоянии от оси вращения турбины, чем задняя заостренная кромка, при этом наружная грань лопасти образует оптимальный угол атаки с измененным направлением движения воздушного потока и поворотные щиты, экранирующие лопасти, согласно изобретению, профиль лопасти ветротурбины выполнен симметричным и образован двумя плавными кривыми различной степени кривизны одного знака, при этом ось симметрии проходит посередине длины профиля лопасти ветротурбины.

Каждая лопасть состоит из двух или нескольких частей, соединенных между собой вертикальными шарнирами с возможностью принудительного поворота любой части лопасти.

Известен способ регулирования частоты вращения ротора турбины ветродвигателя, в котором поворотные щиты, экранирующие лопасти при усилении ветра, поворачиваются и частично прикрывают лопасти, что позволяет регулировать частоту вращения вала, а при буревых ветрах поворотные щиты полностью смыкают между собой, преграждая путь ветра к лопастям (см. SU, 1257275 А1, кл. F 03 D 3/00, 15.09.1986).

Недостатком такого способа регулирования частоты вращения ротора является то, что он малоэффективен, а при ураганных ветрах создается большая ветровая нагрузка вначале на поворотные щиты, которые передают ее на стойки поддерживающей конструкции.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования частоты вращения ротора турбины ветродвигателя, в котором поворотные щиты, экранирующие лопасти при усилении ветра поворачиваются и частично прикрывают лопасти, что позволяет регулировать частоту вращения вала, а при буревых ветрах поворотные щиты полностью смыкают между собой, преграждая путь ветра к лопастям, согласно изобретению лопасти ветротурбины при изменении скорости ветра радиально перемещают, меняя расстояние между лопастью и осью вращения ветротурбины, а при ураганах принудительно приближают лопасти к оси вращения ветротурбины и разворачивают вокруг вертикальной оси лопасти, образуя из лопастей легкообтекаемую поверхность.

На фиг.1 изображена схема ветродвигателя в плане с ветронаправляющими экранами и ветротурбиной с лопастями "Банан". (Пунктирной линией показано положение свободноповорачивающихся ветронаправляющих экранов при изменении направления ветра на 90°).

На фиг.2 изображена схема ветродвигателя в плане с ветронаправляющими экранами и ветротурбиной с лопастями "Банан", образующими легкообтекаемую поверхность при ураганных потоках ветра. (Пунктирной линией показано положение лопастей "Банан" в рабочем режиме).

На фиг.3 изображена лопасть ветротурбины "Банан".

Ветродвигатель с лопастями "Банан" содержит ветротурбину 1 с вертикальной осью вращения 2, лопасти 3, вертикальную ось 4 поворота частей лопасти 3, направляющие 5 перемещения лопасти 3, ветронаправляющие экраны 6 и оси поворота 7 ветронаправляющих экранов 6.

Ветродвигатель работает следующим образом. При появлении ветра воздушный поток 8 направляется к ветротурбине 1 через ветронаправляющие экраны 6, которые увеличивают скорость ветра и концентрируют его поток на лопастях 3 ветротурбины 1. Поворот ветротурбины 1 на 180° меняет входную кромку лопасти 3 на выходную и, наоборот, выходную кромку на входную. Однако такое изменение не влияет на работу лопастей 3, так как они симметричны.

Наличие шарнира, расположенного на оси симметрии лопасти 3, позволяет принудительно поворачивать половинки лопасти 3 относительно друг друга и изменять общую кривизну лопасти 3 и ее угол атаки, что позволит регулировать эффективность работы лопасти 3 в изменяющемся по направлению и силе ветровом потоке. Причем поворот половинок лопасти 3 может производить как одновременно, так и каждую половинку в отдельности. При ураганных порывах ветра 9 лопасти 3 ветротурбины 1 перемещают по радиальным направляющим 5 к оси вращения 2 ветротурбины 1 и разворачивают вокруг собственной оси вращения 4 лопасти 3, образуя легкообтекаемую поверхность.

1. Ветродвигатель, содержащий вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью вращения, лопасти которой выполнены в виде аэродинамических профилей, где входная закругленная кромка лопасти расположена на большем расстоянии от оси вращения турбины, чем задняя заостренная кромка, при этом наружная грань лопасти образует оптимальный угол атаки с измененным направлением движения воздушного потока, и поворотные щиты, экранирующие лопасти, отличающийся тем, что профиль лопасти ветротурбины выполнен симметричным и образован двумя плавными кривыми различной степени кривизны одного знака, при этом ось симметрии проходит по середине длины профиля лопасти ветротурбины.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая лопасть состоит из двух или нескольких частей, соединенных между собой вертикальными шарнирами с возможностью принудительного поворота любой части лопасти.

3. Способ регулирования частоты вращения ротора турбины ветродвигателя, в котором поворотные щиты, экранирующие лопасти при усилении ветра поворачиваются и частично прикрывают лопасти, что позволяет регулировать частоту вращения вала, а при буревых ветрах поворотные щиты полностью смыкают между собой, преграждая путь ветра к лопастям, отличающийся тем, что лопасти ветротурбины при изменении скорости ветра радиально перемещают, меняя расстояние между лопастью и осью вращения ветротурбины, а при ураганах принудительно приближают лопасти к оси вращения ветротурбины и разворачивают вокруг вертикальной оси лопасти, образуя из лопастей легкообтекаемую поверхность.