Карусельное ветроколесо
Владельцы патента RU 2498109:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к ветроэнергетике. Карусельное ветроколесо содержит установленные на вертикальной оси Г-образные махи, лопасти, упорные рамки и демпферы. Махи состоят из радиального маха и аналогичного по конструкции маха, дополнительно установленного перпендикулярно радиальному. Лопасти шарнирно закреплены в махах с возможностью поворота. Ось вращения каждой лопасти в махах совпадает с ее ближайшей боковой кромкой. Лопасти в рабочем режиме прижаты к упорным рамкам, закрепленным параллельно плоскости каждого маха через демпферы к его конструкции. Во флюгерном режиме лопасти принимают направление воздушного потока без ограничений. Рамочные махи зажаты между двумя разделительными плоскостями, конструктивно образующими один ярус. N таких ярусов расположены вдоль основной оси ветроколеса. Верхняя разделительная плоскость n-1 яруса является нижней разделительной плоскостью n-го яруса. Махи каждого верхнего яруса смещены относительно махов ближайшего нижнего на угол α=2π/kn, где k - количество махов на одном ярусе (k≥3), n - количество ярусов (n≥2). Изобретение направлено на повышение эффективности, равномерности вращения, надежности и упрощение конструкции ветроколеса. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветродвигателям с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра.
Известно карусельное ветроколесо, содержащее вертикальный вал и закрепленные на нем рамочные махи, на которые шарнирно установлены плоские прямоугольные лопасти, работающие в двух режимах: рабочем-лопасти прижаты к упорам, причем с целью повышения надежности при штормовом ветре упоры имеют некоторые демпферы, расположенные на махах со стороны вертикальной оси; флюгерном - лопасти по мере движения в этом режиме вращаются в диапазоне от 0 до 180 градусов (см. А.С. CCCP, SU, 1017814 A, кл. F03D 3/00, 05.01.1982).
Известно карусельное ветроколесо, содержащее вертикальный вал и закрепленные симметрично к нему махи, на которые шарнирно закреплены плоские прямоугольные поворотные лопасти и упоры. Махи установленные n ярусами, причем на каждом ярусе больше двух махов. Комплект махов каждого верхнего яруса смещен относительно комплекта махов нижнего яруса на угол α=π/2n, где n - количество ярусов (см. А.С. CCCP, SU, 1663226 A1, кл. F03D 3/06, 25.04.1989).
Основным недостатком рассмотренных выше устройств является невысокий КПД, т.к. используется только 50% энергии ветрового потока, попадающего на «ометаемую» площадь рассматриваемого устройства, содержащее к (k>3) установленных на вертикальной оси махов. Кроме того, при увеличении количества ярусов n угол сдвига а между махами нижнего яруса и верхними уменьшается, создавая ассиметрию конструкции и провоцируя неравномерность. При виде сверху получаем сгущение проекций Известно карусельное ветроколесо (Патент Российской федерации RU 2202048, кл. F03D 3/00, 17.02.1998), которое принято за прототип. Оно содержит несколько Г-образных махов, состоящих из радиального маха и аналогичного по конструкции маха, дополнительно установленного перпендикулярно радиальному и названному панелью, с плоскими прямоугольными лопастями, ограничителями и упорами, причем каждый упор и каждый ограничитель поворота лопасти установлен в панели маха параллельно оси вращения лопасти. Область взаимодействия упора с лопастью находится в плоскости маха, а ограничителя поворота - в плоскости, проходящей через ось вращения лопасти под углом 90 градусов. Для усиления жесткости конструкции махи могут быть соединены между собой межмаховыми фиксирующими планками. Лопасти, выполненные плоскими, закреплены шарнирно с возможностью поворота вокруг оси (ось закреплена на листе с удалением от кромки на 1/10…1/3 длины лопасти), непосредственно на горизонтальных стержнях радиальных махов или дополнительных панелей, жестко скрепленных с радиальными махами.
К недостаткам указанного ветроколеса следует отнести:
- недоиспользование мощности воздушного потока, так как лопасти имеют ограничители поворота на 90 градусов и полностью не флюгеруются в нерабочем флюгерном режиме, создавая сопротивление вращению ветроколеса;
- неравномерность вращения ветроколеса, в связи с тем, что комплекты Г-образных махов параллельны и при этом возникают большие пульсации момента из-за изменения положения махов относительно направления ветрового потока, Увеличение же количества махов в одной плоскости с этой целью усложнит конструкцию и снизит кпд ветроколеса;
- его невысокую надежность, так как с учетом разной скорости ветрового потока на разной высоте в рассматриваемой конструкции ветроколеса требуется завысить прочность лопастей, а также в этом ветроколесе отсутствует штормовая защита, обязательная для реально действующих ветроустановок;
- низкая эффективность ветроколеса из-за схождения части ветрового потока с движущейся лопасти не только на внешнем ее крае, но и на верхнем и нижнем;
- сложность общей конструкции ветроколеса
Задачей изобретения является увеличение эффективности ветроколеса за счет повышения снимаемой мощности с единицы «ометаемой» площади воздушного потока, повышение равномерности вращения ветроколеса за счет снижения пульсаций момента на его оси, упрощения общей конструкции ветроколеса и повышения надежности за счет создания защиты ветроколеса от штормовых ветров и сильных порывов ветра.
Эта задача достигается за счет того, что карусельное ветроколесо, содержащее установленные на вертикальной оси Г-образные махи, состоящие из радиального маха и аналогичного по конструкции маха, дополнительно установленного перпендикулярно радиальному, лопасти, шарнирно закрепленные в махах с возможностью поворота, снабжено демпферами и упорными рамками, а ось вращения каждой лопасти в махах совпадает с ее ближайшей боковой кромкой, при этом лопасти в рабочем режиме прижаты к упорным рамкам, закрепленным параллельно плоскости каждого маха через демпферы к его конструкции, а во флюгерном режиме принимают направление воздушного потока без ограничений.
Также рамочные махи могут быть зажаты между двумя разделительными плоскостями, конструктивно образующими один ярус.
К тому же n таких ярусов могут быть расположены вдоль основной оси ветроколеса, при этом верхняя разделительная плоскость n-1 яруса является нижней разделительной плоскостью n-го яруса, махи каждого верхнего яруса смещены относительно махов ближайшего нижнего на угол
α=2π/kn,
где k - количество махов на одном ярусе (k≥3),
n - количество ярусов (n≥2).
На фиг.1 изображено предлагаемое карусельное ветроколесо, например, двухъярусное (n=2) без верхней разделительной плоскости для удобства описания конструкции.
На фиг.2 изображен вид по сечению A-A карусельного ветроколеса по фиг.1.
На фиг.3 изображено ветроколесо из n-2 ярусов по фиг.1 без разделительных плоскостей для большей наглядности (показано положение лопастей на разных ярусах и на разных участках махов при заданном направлении ветрового потока).
Предлагаемое ветроколесо (фиг.1) содержит не менее трех рамочных Г-образных махов 1, закрепленных на вертикальной оси 2 карусельного ветроколеса, и несколько лопастей 3, шарнирно закрепленных на каждом махе 1. Ось вращения 4 каждой лопасти 3 совпадает с ее ближайшей боковой кромкой. В рабочем режиме лопасти 3 прижаты к упорным рамкам 5, закрепленным параллельно плоскости каждого маха 1 через демпферы 6 к его конструкции, при скорости ветра, превышающей допустимые значения, они обеспечивают параллельное движение упорных рамок 5 на расстояние меньшее ширины лопасти 3, что приводит к появлению зазоров между лопастями, уменьшает "парусность" лопастей и способствует снижению отбираемой мощности. Такое расположение лопастей 3, упорных рамок 5 и демпферов 6 позволяет упростить общую конструкцию ветроколеса.
Для более эффективного использования ветроколесом воздушного потока 7 и повышения надежности конструкции при штормовых порывах ветра Г-образные махи 1 зажаты между двумя разделительными плоскостями 8, конструктивно образующими один ярус (фиг.3). Для повышения равномерности вращения при постоянной скорости ветра n таких ярусов, расположены вдоль основной оси вращения ветроколеса, причем верхняя разделительная плоскость n-1 яруса является нижней разделительной плоскостью n-го яруса.
Махи каждого верхнего яруса смещены относительно махов ближайшего нижнего на угол
где к - количество махов на одном ярусе (k>3), n - количество ярусов (n>2). Выполнение условия (1) обеспечивает симметрию конструкции и повышение равномерности вращения рассматриваемого карусельного ветроколеса за счет уменьшения зоны изменения положения махов относительно направления ветрового потока.
Карусельное ветроколесо работает в двух режимах.
В рабочем режиме - лопасти 3 отдельных Г-образных махов 1 прижаты к упорной рамке 5, закрепленной параллельно плоскости каждого из махов 1, к его конструкции через демпферы 6, которые при скорости воздушного потока, превышающего предельно допустимое значение сжимаются, упорная рамка 5 отходит от рабочего положения на некоторое расстояние, но всегда меньшее ширины лопасти 3, между лопастями появляются зазоры, давление воздушного потока 7 на махи 2 и всю конструкцию ветроколеса снижается.
Во флюгерном режиме - лопасти 3 по мере движения в этом режиме вращаются в диапазоне от 0 до 180 градусов, принимают направление воздушного потока 7 и не имеют никаких ограничителей.
Таким образом, предлагаемая конструкция карусельного ветроколеса позволяет увеличить его эффективность за счет большей мощности, снимаемой с единицы «ометаемой» площади воздушного потока, обеспечить защиту конструкции ветроколеса от штормовых и сильных порывов ветра за счет создания ярусов, а также повысить равномерность вращения ветроколеса и снизить пульсации момента на оси ветроколеса за счет махов в ярусах, сдвинутых на определенный угол, повысить надежность за счет упрощения конструкции махов и связи их между собой через разделительные плоскости.
1. Карусельное ветроколесо, содержащее установленные на вертикальной оси Г-образные махи, состоящие из радиального маха и аналогичного по конструкции маха, дополнительно установленного перпендикулярно радиальному, лопасти, шарнирно закрепленные в махах с возможностью поворота, отличающееся тем, что оно снабжено упорными рамками и демпферами, а ось вращения каждой лопасти в махах совпадает с ее ближайшей боковой кромкой, при этом лопасти в рабочем режиме прижаты к упорным рамкам, закрепленным параллельно плоскости каждого маха через демпферы к его конструкции, а во флюгерном режиме принимают направление воздушного потока без ограничений.
2. Карусельное ветроколесо по п.1, отличающееся тем, что рамочные махи зажаты между двумя разделительными плоскостями, конструктивно образующими один ярус.
3. Карусельное ветроколесо по п.2, отличающееся тем, что n таких ярусов расположены вдоль основной оси ветроколеса, причем верхняя разделительная плоскость n-1 яруса является нижней разделительной плоскостью n-го яруса, махи каждого верхнего яруса смещены относительно махов ближайшего нижнего на угол
α=2π/kn,
где k - количество махов на одном ярусе (k≥3),
n - количество ярусов (n≥2).
