RU2328620C1 - Лопасть роторного ветродвигателя и ветродвигатель - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области использования ветровой энергии, а именно к ветродвигателям с вертикальным расположением ротора. Лопасть роторного ветродвигателя выполнена удобообтекаемой формы и установлена с зазором к оси вращения, причем лопасть выполнена изогнутой винтообразно, имеет встречный наклон и снабжена, по меньшей мере, тремя вихреобразующими козырьками на внутренней стороне, при этом вихреобразующие козырьки выполнены в виде скрученного относительно своей оси полуцилиндра и установлены с попутным наклоном. Ветродвигатель содержит вертикальную ось вращения и профилированные лопасти, закрепленные между верхней и нижней крышками, имеющими форму круга. Лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и осью, выполнены изогнутыми по вертикали, установлены с встречным наклоном к потоку ветра и снабжены закрепленными на их внутренней стороне, по меньшей мере, тремя вихреобразующими козырьками, имеющими профиль винтообразно изогнутого полуцилиндра, выполненного с возможностью направления потока через зазор между лопастью и осью. Конструкция лопасти и ветродвигателя обеспечивают более полный отбор кинетической энергии ветра, уменьшение негативного влияния неуправляемых вихрей ветропотока, образующихся между лопастями, а также повышение КПД. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относится к области использования ветровой энергии, а именно к ветродвигателям с вертикальным расположением ротора.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом является лопасть к роторному ветродвигателю, состоящая из двух образующих одно целое частей головной удобообтекаемой формы, части, ограниченной цилиндрическими поверхностями, постепенно сужающейся и имеющей в сечении криволинейно-каплевидную форму и в конце сливающейся с хвостовой, имеющей вид плоского листа, частью, параллельной хвостовой части противоположной лопасти, каковая форма лопасти придана с целью повышения реактивного действия струи воздуха, вытекающей из канала, образованного указанными двумя лопастями и торцевыми дисками ротора (см. Авторское свидетельство СССР N 46491, кл. F03D 3/06, 1936).

Недостатком известной лопасти является недостаточно полный отбор кинетической энергии ветра. Стекающий с лопасти ветропоток может иметь еще достаточно большой запас неизрасходованной на вращение лопасти кинетической энергии, который не используется, что снижает коэффициент полезного действия, а также способствует созданию неуправляемых вихрей по всей внутренней кромке на задней стороне лопасти, что в свою очередь также приводит к снижению эффективности использования известной лопасти, что снижает КПД ее использования.

Задачей изобретения является повышение эффективности использования лопасти.

Техническим результатом является обеспечение более полного отбора кинетической энергии ветропотока, уменьшение негативного влияния стекающего с лопасти ветропотока, повышение КПД использования лопасти.

Указанный результат достигается тем, что лопасть роторного ветродвигателя, выполненная удобообтекаемой формы, и установленная с зазором к оси вращения, выполнена изогнутой, имеет встречный наклон и снабжена, по меньшей мере, тремя вихреобразующими козырьками на внутренней стороне, при этом вихреобразующие козырьки выполнены в виде скрученного относительно своей оси полуцилиндра.

Кроме того, лопасть выполнена изогнутой винтообразно, вихреобразующие козырьки установлены с попутным наклоном своей оси.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом является ветродвигатель, содержащий ветровую турбину с вертикальной осью вращения, турбина образована из N профилированных осесимметричных лопастей, соединенных верхней и нижней крышками, имеющими форму круга, и расположена внутри направляющей системы, образованной из К неподвижных осесимметричных направляющих створок, закрепленных верхней и нижней крышками, причем каждая из лопастей ветровой турбины представляет собой часть боковой поверхности цилиндра с образующей, параллельной оси вращения ветровой турбины, поперечное сечение каждой из направляющих створок имеет профиль в виде синусоиды, при этом внешние и внутренние кромки лопастей ветровой турбины в сечении соответственно установлены по окружности и ориентированы так, чтобы обеспечить плавное перетекание воздуха с направляющих створок на лопасти ветровой турбины, а направляющие створки расположены равномерно по окружности и своими осями установлены под углом к линиям ее радиусов так, чтобы обеспечить перетекание воздушного потока с одной лопасти на другую (см. RU 2168059 С2, кл. F03D 3/04, опубл. 2001.05.27).

Недостатком известного ветродвигателя является недостаточно полное использование кинетической энергии ветра. Стекающий с лопастей ветропоток имеет еще достаточный запас неизрасходованной на вращение кинетической энергии, которая не используется, что снижает коэффициент полезного действия ветродвигателя. Кроме того, наличие границы между выпуклой и вогнутой поверхностью соседних лопастей способствует созданию вихрей вдоль оси турбины и на вогнутой поверхности соседней лопасти, снижающих эффективность отбора кинетической энергии ветропотока. Вышеуказанное уменьшает эффективность ветродвигателя в целом, снижая его КПД. Реально КПД подобного известного ветродвигателя составляет 0,1-0,14.

Кроме того, формирование вихрей между лопастями, негативно влияющих на эффективность ветродвигателя, зависит от силы ветра, что определяет жесткую зависимость скорости вращения лопастей от силы ветра, и как следствие сужает диапазон возможных скоростей ветра, для которых может быть использован известный ветродвигатель, уменьшая регион использования, то есть уменьшает область его применения.

Задачей изобретения является повышение эффективности ветродвигателя и расширение области его применения.

Техническим результатом является обеспечение более полного отбора кинетической энергии ветра, уменьшение негативного влияния неуправляемых вихрей ветропотока, образующихся между лопастями, повышение КПД ветродвигателя.

Указанный результат достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем вертикальную ось вращения и профилированные лопасти, закрепленные между верхней и нижней крышками, имеющими форму круга, лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и осью, выполнены изогнутыми по вертикали, установлены с встречным наклоном к потоку ветра и снабжены закрепленными на их внутренней стороне, по меньшей мере, тремя вихреобразующими козырьками, имеющими профиль винтообразно изогнутого полуцилиндра, выполненного с возможностью направления потока через зазор между лопастью и осью.

Кроме того, лопасти выполнены вогнутыми,

- лопасти выполнены изогнутыми винтообразно,

- ветродвигатель выполнен имеющим, по меньшей мере, три лопасти,

- вихреобразующие козырьки установлены с попутным наклоном своей оси.

Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на Фиг.1 показана лопасть роторного ветродвигателя, на Фиг.2 - схема вихреобразующего козырька, на Фиг.3 - схема ветродвигателя, вид сбоку, на Фиг.4 - горизонтальное сечение ветродвигателя, вид сверху, на Фиг.5 - продольное сечение фрагмента лопасти с вихреобразующими козырьками.

Лопасть 1 роторного ветродвигателя выполнена удобообтекаемой формы, закреплена с зазором к вертикальной оси 2 вращения, выполнена изогнутой винтообразно по вертикали, имеет встречный наклон к горизонтальному потоку ветра и снабжена, по меньшей мере, тремя вихреобразующими козырьками 3 на внутренней стороне, при этом ввихреобразующие козырьки выполнены в виде скрученного относительно своей оси 4 полуцилиндра и установлены с попутным наклоном своей оси так, чтобы ветропоток сбегал вниз и в сторону внутреннего края лопасти.

На лопасть 1 воздействует ветер 6 с направлением, указанным стрелками.

Лопасть роторного ветродвигателя работает следующим образом.

Поток 6 ветра (на чертежах показан стрелками), обдувая лопасть ветродвигателя, воздействует на лопасти. Так как лопасть расположена с встречным наклоном к ветропотоку, то ветропоток сбегает вниз к вихреобразующему козырьку, наполняя его как желоб до образования вихрей, которых образуется столько, сколько вихреобразующих козырьков смонтировано на лопасти. Ветропоток уходит по вихреобразующему козырьку вниз к внутреннему краю лопасти и далее с поверхности лопасти через зазор между лопастью и осью закрученным в вихри, образованные в козырьках. Сформированные вихри могут быть направлены на внутреннюю сторону другой лопасти, продолжая отдавать свою кинетическую энергию, при этом отдача более эффективна из-за концентрированности вихревого потока.

Наличие вихреобразующих козырьков обеспечивает управляемость и стабилизацию стекающего ветропотока, который становится вихревым и направленным, что способствует стабилизации вращения лопасти. Прохождение ветропотока по вихреобразующим козырькам обеспечивает повышение отбора его кинетической энергии, а направленность этих потоков способствует снижению флуктуационных завихрений за внутренней кромкой лопасти и, как следствие, уменьшению негативного влияния стекающего с лопасти ветропотока.

Таким образом, предлагаемая лопасть обладает большей эффективностью по сравнению с прототипом, так как обеспечивает более полный отбор энергии кинетической энергии ветропотока, уменьшение негативного влияния стекающего ветропотока, повышение КПД использования лопасти.

Ветродвигатель содержит вертикальную ось 2 вращения и профилированные лопасти 1, верхнюю 5 и нижнюю 8 крышки, имеющие форму круга, лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и осью, выполнены изогнутыми, то есть имеющими переменный профиль, по вертикали и снабжены закрепленными на их внутренней стороне, по меньшей мере, тремя вихреобразующими козырьками 3, имеющими профиль винтообразно изогнутого полуцилиндра, установленного с попутным наклоном своей оси, так чтобы закрученный в вихри ветропоток стекал к внутреннему краю лопасти.

Ось с верхней и нижней крышками и закрепленными между ними лопастями установлена вертикально посредством шарнирного соединения на стойке 7 и кинематически соединена с приводом электрогенератора (на чертеже не показан).

Лопасти имеют вогнутый профиль, изогнуты винтообразно и установлены с встречным наклоном к ветру.

Ветродвигатель выполнен имеющим, по меньшей мере, три лопасти.

Ветродвигатель работает следующим образом.

Поток ветра (на чертежах показан стрелками), обдувая ветродвигатель, воздействует на лопасти. Так как каждая лопасть расположена с встречным наклоном, ветропоток движется вниз, сбегает к вихреобразующему козырьку, наполняя его как некий желоб до образования вихрей, которых образуется столько, сколько вихреобразующих козырьков смонтировано на лопасти. Вихрь, который образовался в козырьке, стекает по вихреобразующему козырьку вниз к внутреннему краю лопасти и далее через зазор между лопастью и осью вращения направляется благодаря наличию зазора между внутренней кромкой лопасти и осью, на внутреннюю часть другой лопасти, при этом "пятка" вихря - самая сильная его часть, влияет на другую лопасть более существенно, чем просто стекающий ветропоток, из-за концентрированности сформированного в козырьках вихревого потока.

Винтообразный изгиб вихреобразующего козырька способствует концентрации вихревого потока и направлению его в сторону оси вращения и через зазор на внутреннюю поверхность другой лопасти, для продолжения отбора его кинетической энергии.

Наличие вихреобразующих козырьков обеспечивает управляемость и стабилизацию ветропотока, стекающего с лопастей, который становится вихревым и направленным, тем самым способствует стабилизации вращения лопастей ветродвигателя и снижению зависимости скорости его вращения от силы ветра, в особенности при больших скоростях ветра, расширяя диапазон и регион использования ветродвигателя.

При испытании ветродвигателя, КПД при самых приближенных расчетах составило не менее 0,4-0,45.

Таким образом, предлагаемый ветродвигатель более эффективен по сравнению с прототипом и имеет более широкую область применения, так как он обеспечивает более полный отбор кинетической энергии ветропотока, повышение КПД ветродвигателя, а также обеспечивает уменьшение флуктуационных завихрений стекающего с лопастей потока, преобразуя их в направленные вихревые потоки, что уменьшает зависимость скорости вращения лопастей от силы ветра.

Claims (6)

1. Лопасть роторного ветродвигателя, выполненная удобообтекаемой формы и установленная с зазором к оси вращения, отличающаяся тем, что лопасть выполнена изогнутой винтообразно, имеет встречный наклон и снабжена, по меньшей мере, тремя вихреобразующими козырьками на внутренней стороне, при этом вихреобразующие козырьки выполнены в виде скрученного относительно своей оси полуцилиндра и установлены с попутным наклоном своей оси.

2. Ветродвигатель, содержащий вертикальную ось вращения, и профилированные лопасти, закрепленные между верхней и нижней крышками, имеющими форму круга, отличающийся тем, что лопасти установлены с зазором между внутренней кромкой и осью, выполнены изогнутыми по вертикали, установлены с встречным наклоном к потоку ветра и снабжены закрепленными на их внутренней стороне, по меньшей мере, тремя вихреобразующими козырьками, имеющими профиль винтообразно изогнутого полуцилиндра, выполненного с возможностью направления потока через зазор между лопастью и осью.

3. Ветродвигатель по п.2, отличающийся тем, что лопасти выполнены вогнутыми.

4. Ветродвигатель по п.2, отличающийся тем, что лопасти выполнены изогнутыми винтообразно.

5. Ветродвигатель по п.2, отличающийся тем, что ветродвигатель выполнен имеющим, по меньшей мере, три лопасти.

6. Ветродвигатель по п.2, отличающийся тем, что вихреобразующие козырьки установлены с попутным наклоном своей оси.

Images