1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) B (11) 28871
(51) F03D 3/06 (2006.01)
F03D 1/06 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
(21) 2013/0652.1
(22) 17.05.2013
(45) 15.08.2014, бюл. №8
(76) Шайкенов Блок; Шайкенов Ержан Блокович
(56) ЕР 1923 567 А2, F03D 1/06, 21.05.2008
(54) ВЕТРОКОЛЕСО 1
(57) Изобретение относится в ветроэнергетике, в
частности к использованию энергии ветра для
выработки энергии с применением горизонтально
осевых ветровых турбин.
Техническим результатом изобретения является
повышение коэффициента использования энергии
ветра, благодаря особой конструкции ветряного
колеса, снижения расхода материалов и веса
ветровой установки.
Это достигается тем, что для эффективного
использования набегающего свободного потока
ветра, в новой конструкции лопасти ветроколеса,
состоит из двух частей: короткой корневой и
длинной крыловидной частей. Короткая корневая
часть изготавливается из высококачественной стали
и на расстоянии 1,5-3,5 м от корневого
прикрепления к основному валу ветродвигателя,
имеет изгиб на 30-45° относительно первичной оси
прикрепления. Угловой изгиб обратно направлен,
против направления вращения лопастей. Длинная
крыловидная часть лопасти соединяется с рукавным
участком короткой корневой части через шарнирно
кольцевые установки. Для предотвращения
скручивающего момента лопасти при сильном
ветряном напоре, с внутренней стороны коленного
изгиба короткой корневой части усиливается
дополнительным стальным утолщением, осевая и
рукавные части также стягиваются тросами для
снижения нагрузки на изгиб. Лопасти наклонены
вперед на 8-10° напротив ветрового потока, для
исключения повреждения лопастей и опоры
ветроустановки.
В изобретенной конструкции применяется
принцип рычага с двумя (плечами) точками
приложения сил находящееся в одной стороне, где
основная длинная часть лопасти, через короткое
колено действуют на вращающий элемент - на
основной вал с дополнительным силовым эффектом,
что дает возможность использования мощных
генераторов энергии.
(19)KZ(13)B(11)28871
2. 28871
2
Изобретение относится в ветроэнергетике, в
частности к использованию энергии ветра для
выработки энергии с применением горизонтально
осевых турбин в ветроэнергетических установках
малой, средней и большой мощности с
использованием трехлопастного ротора. Основным
элементом ветроэнергетической установки,
превращающим кинетическую энергию ветрового
потока, является конструктивные особенности
ветрового колеса.
В современных роторных системах,
аэродинамическую нагрузку ветра для сообщения
ветроколесам вращательного движения, выполняют
лопасти с крыловидным профилем, постепенно
суживающиеся к концевой части. Поток свободно
натекающего ветра встречает значительное
сопротивление, ударяясь о поверхности крыла и
косо перемещаясь, создает нарастающую нагрузку,
более сильную в концевой части. Кинетическая
энергия, сообщаемая ветровым потоком тем
значительнее, чем длиннее крыловидная часть
лопасти. Поэтому для увеличения мощности
ветродвигателей стремятся увеличивать длину
лопастей. А это влечет собою ряд взаимосвязанных
друг с другом проблем, в первую очередь усиления
прочности всех систем ветростанции. Непременно
это требует увеличения массы опор, ветроколеса,
гондолы и привлечения специальной тяжелой
техники для установки ветроустановки и
проведения текущих ремонтов. В конечном счете,
это приводит к удорожанию ветростанции и
стоимости получаемой энергии.
Известно ветроколесо ветроэнергетической
установки горизонтально-осевого типа (WO
02/08600 А1, 31.01.2002, кл. F03D 1/06), где в
корневой части лопасти устанавливаются пластины,
направляющие ветряные потоки в широкую зону
крыла, которые отражается от поперечной косо
искривленной пластины и обеспечивает высокую
плотность потока ветра в расширенной части
лопасти. Кроме того по всей длине плоскость крыла
имеет полукружную кривизну, вогнутую с
наветренной стороны. Потоки ветра, плавно обтекая
по плоскости крыла и по восходящей кривизне, при
достижении края лезвия создает напряженность с
высоким давлением в зоне срыва потока ветра у
края лопасти. Обе эти приспособления направлены
на усиление крутильной силы ветроколеса.
Известно ветроколесо (GB 2068 472 А, от 02.02.
1981) ветроэнергетических установок, снабженное
дополнительным устройством, установленное вдоль
крыла в суженном крае лопасти, в виде косой
пластины, имеющее цель для создания более
сильного лобового сопротивления на пути ветрового
потока. Оно имеет угловое расположение,
относительно наветренной плоскости и
конфигурацию от прямого до легкой дуги кривизны
в наветренную сторону и обратно направленной.
Наличие этой пластинчатой установки также
направлено на концентрацию напора ветра на
наветренной плоскости крыла, усиливая крутильный
момент.
Известно ветроколесо энергетических установок
с горизонтальной осью вращения (ЕР 1923 567 А2,
от 21.05.2008, кл. F03D 1/06), имеющее после
корневой рукоятки наклон лопастей на наветренную
сторону на 8-10°, от вертикальной плоскости, что
предохраняет от разрушения концов лопастей при
возможном касании об опоры во время сильных
порывов ветра. Лопасти такого ветроколеса при
внезапном порыве ветра могут принять только
вертикальное положение, но верхушки лопастей не
достигают опоры двигателя.
Однако все перечисленные нами патентные
изобретения относятся к ветроколесам с прямой
осью лопастей, вертикально соединенной с головкой
и основным валом двигателя.
Недостатком традиционно применяемых
ветроколес является прямое силовое вращение
осевого вала ветродвигателя, что обычно требует
удлинения длины лопастей для повышения
мощностей ветроустановки.
Задачей изобретения - создание конструкции
ветроколеса, эффективно использующего
кинетическую энергию свободно набегающего
движения ветра с уловом, превышающим, более чем
16/27 общеизвестного удельного коэффициента
(Янсон,2007, Ветроустановки, Изд. МГТУ
им.Баумана). В изобретенной нами конструкции
применяется принцип рычага с двумя (плечами)
точками приложения сил находящееся в одной
стороне, где основная длинная часть лопасти, через
короткое колено действуют на приводной
механический элемент - на основной вал
ветродвигателя с дополнительным силовым
эффектом, что дают возможность использования
мощных генераторов энергии.
Техническим результатом изобретения является
повышение коэффициента использования энергии
ветра, благодаря особой конструкции ветряного
колеса, снижения расхода материалов и веса
ветровой установки.
Это достигается тем, что вместо традиционно
применяемой лопасти с прямой осью,
установленной перпендикулярно к горизонтальному
валу, для эффективного использования набегающего
свободного потока ветра, в новой конструкции
ротора, лопасть имеет форму наподобие хоккейной
клюшки (фиг.2). В изобретенной конструкции
ротора, лопасть состоит из двух частей: короткой с
коленным изгибом корневой части (фиг1. 6) и
длинной крыловидной части (фиг.2. 11).
На фиг.1 показаны схема изображения головки
ветродвигателя и конструкция короткой части
ветроколеса; на фиг.2 - схема собранной в целом
лопасти ветроколеса; на фиг.3 - схема соединения
корневого вала длинной крыловидной лопасти с
рукавной частью короткой коленной части
ветроколеса; на фиг.4 - концевая часть крыловидной
лопасти с килем.
Ветроколесо состоит (фиг.1, фиг.2) из головки 1,
армированного стекловолоконного обода 2,
центрального стального диска 3, главного вала
двигателя 4, стального остова короткой коленной
части лопасти с осевой (фиг.2. 6) и рукавной (фиг.2.
3. 28871
3
7) частью, стальным усилением места изгиба 8 и
стягивающих осевую и рукавную части тросовых
канатов (фиг.1, 9; фиг.3, 4), стекловолоконного
покрытия короткой коленной и крыловидной частей
лопасти (фиг. 3,1).
Короткая корневая (коленная) часть лопасти на
расстоянии 1,5-3,5 м от главного вала двигателя
имеет изгиб на 30-45°. Это место ее условно делит
на осевую часть (фиг.1, 6), которая жестко
прикрепляется к центральному диску (фиг.1.3, фиг.
2.3), соединенного с основным валом 4
ветродвигателя и в рукавную часть (фиг.1, 7; фиг. 2,
7), в которую соединяется крыловидная лопасть
(фиг.2, 11; фиг.3, 7). Рукавная часть могут быть
несколько короче, чем осевая часть или равной ей.
Угловой изгиб лопасти имеют 30-45° относительно
первичной оси прикрепления и обратно направлен,
против направления вращения лопастей (фиг.1 и
фиг.2). Вся короткая корневая часть лопасти
изготавливается из стали высокого качества, что
составляет внутреннюю остов трубной основы с
наружной армированной стекловолоконной
оболочкой (фиг.3, 1).
Известное опасение вызывает наличие изгиба в
лопасти и соответственно прочность колена лопасти
на скручивающий эффект напора ветра, в
особенности при усилении силы ветра. В новой
конструкции ветроколеса, аэродинамическое
давление ветра на крыловидную часть лопасти
передаются через колено на месте изгиба. При этом
короткая корневая часть и изгиб колена испытывают
давление в двух направлениях. Первое в
вертикальном направлении силы тяжести
крыловидной части, усиленное вращающим
моментом аэродинамического напора ветра и
второе, воздействие скручивающего эффекта,
обусловленное действием встречного ветра на
крыловидную часть лопасти. Эти действия тем
ощутимее, чем больше длина лопастей.
Техническая прочность изгиба лопасти и
преодоление проблемы «перелома» на коленном
изгибе под тяжестью и силы сопротивления
ветровым потокам, действующего на длинную
крыловидную часть лопасти, достигается тем, что со
стороны изгиба усиливается дополнительным
стальным (фиг.1, 8; фиг.3, 3) соединением осевой и
рукавной частей. Дополнительно они прочно
стягиваются тросами (фиг.1, 9; фиг.3, 4), для
снижения нагрузки на изгиб короткой корневой
части лопасти. Поэтому изгиб несколько утолщен.
Длинная часть лопасти имеет обычную
конструкцию, используемую в настоящее время в
малых, средних и мощных ветроустановках. В
отличие от них, крыловидная часть лопасти в нашей
конструкции крепится на наружном рукаве
короткого колена (фиг.2, 10). Соединение кормового
конца крыловидной лопасти с рукавной частью
короткого колена, осуществляется наличием
взаимно совпадающих конструктивных структур.
В фиг. 3 показаны стекловолоконное покрытие
короткого колена 1, остов осевой 2 и рукавной 5
части короткого колена, стальное усиление изгиба 3,
дополнительная тросовая стяжка 4, кольцевые
опоры цилиндрического рукава 6, корневой остов
крыловидной лопасти 7 с кольцевыми выступами 8,
опорный фланец 9, подшипники 10 для обеспечения
поворота по оси лопасти, торцевой запорный диск
11, эксцентрик 12, стопорная гайка 13 вала,
гидравлическое устройство 14, стягивающие
опорные устройства болты 15, длинное крыло
лопасти 16.
Рукавная часть после коленного изгиба имеет
цилиндрическую полость (втулку) (фиг. 3, 5) с тремя
кольцевыми выступами (фиг. 3, 6), которые служат
для установки подшипников 10, опоры выступов
кормовой части крыловидной лопасти 8 и опорного
фланца 9 для прочного соединения устройств.
Верхняя и нижняя части втулки рукава
расширенные, которые обеспечивают прочность
крепления крыловидной части и точность ее
положения при разной скорости ветра.
Для обеспечения прочности соединения с
рукавом, кормовая часть лопасти снабжена полым
стальным валом (фиг. 3, 7) с тремя опорными
кольцевыми выступами 8, для крепления на
кольцевых выступах 6 рукава короткого колена,
через подшипниковые устройства 10 и опорного
фланца 9. Верхняя часть цилиндрического вала
крепко соединены с остовом крыла лопасти
стальными арматурами (фиг.3, 7). В нижний конец
ее приваривается цельный металлический вал. Он
имеет цилиндрическую форму, куда вдевается
торцевой запорный диск (фиг.3, 11), которые
крепятся болтами 15 с опорными выступами рукава
6. Вал затем переходит в восьмигранно звездную
грань и оканчивается винтовой резьбой для
крепления всей системы к остову короткого колена
лопасти. Граненая часть вала служит для крепления
через кольцевой эксцентрик (фиг.3, 12),
гидравлического поворотного механизма 14, что
обеспечивает поворота крыловидной лопасти вдоль
ее оси, положения крыловидной части при разной
скорости ветрового потока и остановки. Для этих
целей возможно применение уже известных
изобретений гидравлических систем (JP4104037 В2,
18.06.2008, кл. F03D 1/06 и других).
Технический результат, получаемый
изобретением, направлен на придание большой
силы крутильного момента, сообщаемого
крыловидной частью лопасти, через колено рычага,
в отличие от классический прямых конструкции
лопасти ротора. В последних случаях значительная
часть кинетической энергии, получаемого
лопастями, расходуются на начальные пусковые
моменты вращения вала, нагруженного
механизмами генераторной системы и поддержания
его. А это очень велико, поскольку генерирования
механического движения в электрическую энергию
включают наличие ряда ступеней передаточных
систем. В то же время, наличие в нашей
конструкции ветроколеса рычажной колени с двумя
(плечами) точками приложения сил находящееся в
одной стороне (фиг.1, фиг.2), позволяет легкое
преодоление первичной нагрузки и обеспечивает
полноценную передачу всей кинетической энергии,
извлекаемой крыловидной частью лопасти.
4. 28871
4
Предлагаемое изменение конструкции лопастей не
усложняет и не нарушает аэродинамику
ветроколеса. Тем более, корневая (втулочная) часть,
как устойчивый остов конструкции в современных
роторах, до определенной длины имеет
округленную форму и фактически не участвует, в
ускорении вращения лопасти.
В изобретенной конструкции предусмотрено
также наклон лопасти на 8-10° против направления
ветра, начиная с места прикрепления к
центральному валу. С этой целью центральный диск
также имеет чашеобразную форму, который вместе
с лопастью находится в прямой оси. Это
необходимо для обеспечения в некоторой степени
гибкости длинной части лопасти при постоянном
воздействии движения ветра и предотвращения
повреждения лопастей и опоры ветроустановки при
сильных порывах ветра.
Ключевым моментом в выработке энергий с
использованием ветра является повышение
коэффициента улавливания кинетической энергии
свободно проходящего ветра. Поток свободно
перемещающегося ветра в момент касания
поверхности крыла лопасти имеет более высокую
плотность, которая непосредственно за крылом
снижается и уравняется по прохождении
определенной дистанции позади ветроустановки.
Конструктивная особенность современного профиля
крыловидной лопасти рассчитана на эффект срыва
потока ветра с конического сужения крыла (более
сильного на второй половине длины),
обеспечивающего момент вращения колеса.
Недостатком этой конструкции является потеря
определенной массы ветрового потока, которые
неполноценно работают на повышение
энергетического баланса.
Для достижения значительной плотности
ветряного потока в области касания к поверхности
крыловидной части и обеспечения большого
аэродинамического эффекта ветряного потока в
пределах ометаемой площади, более выгодно
«улов» все большей массы, соответственно создания
значительной плотности ветра по всей длине крыла.
Положение длинной крыловидной части
лопастей с углом 30-45° к осевому прикреплению
корневой части лопасти, уже создает определенное
сопротивление к движению ветрового потока и
плотность его на плоскости крыла несколько
возрастает. Отличие изобретенной конструкции
лопастей (ветроколеса), основанного на принципе
рычага с двумя (плечами) точками приложения сил
находящееся в одной стороне, именно рассчитано на
создание большой плотности потока ветра и легкое
преодоление этого момента.
Как альтернативный вариант, предлагается
дополнительное конструктивное устройство в виде
киля (фиг. 4, 2), установленное на конце крыла 1,
поперечно к плоскости. Высота этого киля
составляет 45-50 см, что является значительным
препятствием для срыва ветряного потока с
концевых частей. Устройство имеет треугольную
форму, более низкую (высота 20-25 см) с
неветряной стороны, высокую и насколько
удлиненную на 20-25 см в задней части. При этом
основание киля несколько выступает кзади от края
крыла, а треугольное удлинение вытянуто в высокой
задней части. Наличие ограничительного киля на
конце лопасти выступающего с конца крыла,
создавая высокую плотность ветрового потока по
всей длине крыловидной части, обеспечивает
большой эффект действия на вращательные
механизмы ветродвигателя, соответственно и
возрастанию мощности генерации электроэнергии.
Для изготовления ветроэнергетической
установки используются системы передач
механического движения вала и генераторы,
имеющие общепризнанную эффективность с учетом
их стоимости. Применение к ним нами
изобретенной конструкции лопастей с изгибом,
разделенную на короткую с коленным изгибом и
длинную крыловидную части, в силу иного
передаточного отношения через принцип рычажной
системы с двумя (плечами) точками опоры
расположенной в одной стороне, дают
дополнительный силовой эффект намного
превышающей, чем при использований лопастей с
прямой конструкцией. При этом происходит
повышение коэффициента вращательной силы
ветрового потока, генераторов энергии, а также
создается возможность для уменьшения длины
лопастей, снижения массы гондолы и опоры
ветродвигателей. Это позволить повысит выработку
годовой удельной электроэнергии на единицу
ометаемой площади, снизить себестоимость
киловатт- часов энергии на затраченные материалы
и установки.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Ветроколесо, содержащее основной вал и
лопасти, отличающееся тем, что каждая лопасть
состоит из двух частей: короткой кормовой части с
осевым и рукавным участками и крыловидной
части, при этом короткая кормовая часть
изготовленная из стали высокого качества, на
расстоянии 1,5-3,5 м от корневого прикрепления
через центральный диск к главному валу осевого
участка, имеет коленный изгиб под углом 30- 45°,
направленный против вращения ветроколеса, где
рукавный участок короткой кормовой части имеет
втулку с тремя опорными кольцами, которая
соединяется с крыловидной частью лопасти,
корневой конец которой снабжен полым стальным
валом с тремя выступами для установки шарнирных
устройств, при этом вал соединен с остовом
крыловидной части стальными арматурами, а на
колленом изгибе короткой кормовой части
установлены гидравлические механизмы,
соединенные с концом крыловидной части через
эксцентрики, и стальной остов короткой части с
наружной стороны имеет армированную
стекловолоконную оболочку.
2. Ветроколесо по п.1 отличающееся тем, что
каждая лопасть имеет установленный на ее конце
вдоль направления, обтекаемого ветром,
треугольнообразный киль, высота которого
