Документ описывает патент на изобретение ветроколеса, предназначенное для эффективного использования ветерной энергии с помощью особой конструкции лопастей, состоящих из короткой корневой и длинной крыловидной части. Изобретение улучшает коэффициент использования энергии ветра, снижает расход материалов и вес ветроустановки, позволяя использовать более мощные генераторы. Технические достижения обеспечиваются за счет применения принципа рычага и новаторских характеристик конструкции лопастей, которые уменьшают нагрузку на основные компоненты ветроустановки.

1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) B (11) 28870
(51) F03D 1/06 (2006.01)
F03D 3/06 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
(21) 2013/0673.1
(22) 20.05.2013
(45) 15.08.2014, бюл. №8
(76) Шайкенов Блок; Шайкенов Ержан Блокович
(56) ЕР 1923 567 А2, кл. F03D 1/06, 21.05.2008
(54) ВЕТРОКОЛЕСО 2
(57) Изобретение относится к 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 с осевым
и рукавным участками и длинной крыловидной
частей. Короткая корневая часть изготавливается из
высококачественной стали и на выходе от обода
головки осевого участка, 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 корневой короткой части усиливается
дополнительным стальным утолщением, осевая и
рукавная 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)28870

2. 28870
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, 31.01.2012, 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 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
ветроколеса применяется принцип рычага с двумя
(плечами) точками приложения сил находящееся в
одной стороне, где основная длинная часть лопасти,
через короткое колено действует на приводной
механический элемент - на основной вал
ветродвигателя с дополнительным силовым
эффектом, что дает возможность для использования
мощных генераторов.
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
свободно натекающего потока ветра, в нашей
конструкции ротора, лопасть имеет форму
наподобие хоккейной клюшки (фиг.2). В новой
конструкции ротора, лопасть состоит из двух
частей: короткой с коленным изгибом корневой
части (фиг.1, 5, 8) и длинной крыловидной части
(фиг.2, 11).
На фиг. 1 показаны схема изображения головки
ветродвигателя и конструкция короткой части
лопасти 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) из головки 1,
армированного стекловолоконного обода 2,
центральной стальной диски 3, главного вала
двигателя 4, стального остова короткой коленной

3. 28870
3
части лопасти с осевой 5 и рукавной 8 частью,
стальным усилением места изгиба 6 и стягивающих
рукавную часть и диск головки тросовых канатов 7
(на фиг.2, 9; фиг.3, 4), стекловолоконного покрытия
короткой рукавной части 9 (на фиг.2, 7), проема
короткого колена 10, для соединения с крыловидной
лопастью (фиг.2, 11).
Лопасти состоят из двух частей: короткой
корневой и длинной крыловидной частей (фиг.1,
фиг.2). В Ветроколесе 2 изгиб на 30-45° короткого
коленного отдела находится на границе его из
головки (фиг.1, фиг.2) ветродвигателя. Угловой
наклон изгиба обратно направлен, против
направления вращения колеса.
Короткая корневая (коленная) изготовляется
отдельно из особо прочной стали. Место изгиба
условно делит ее на осевую часть (фиг.1, 5), которая
жестко прикрепляется к центральному диску (фиг.1,
3; фиг.2, 3), соединенного с основным валом 4
ветродвигателя и в рукавную часть (фиг. 1, 8; фиг.3,
5), в которую через проем (фиг.1,10) соединяется
крыловидная лопасть (фиг.2, 11; фиг.3, 16).
Рукавная часть могут быть равной осевой или
несколько длиннее, поскольку длина осевой части
зависит от 1/2 размера диаметра головки. Рукавная
часть имеет стекловолоконную оболочку (фиг.1, 9).
Место соединения ее с головкой расширенная,
поэтому головка имеет округленно треугольную
форму.
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, 6; фиг.2, 8; фиг.3, 3) соединением
осевой и рукавной частей. Дополнительно рукавная
часть прочно стягивается тросами (фиг.1, 7; фиг.2,
9; фиг.3, 4) к краю центрального диска головки 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 ветродвигателах. В
отличие от них, крыловидная часть лопасти в нашей
конструкции крепится на наружном рукаве
короткого колена (фиг.1,10, 8; фиг.3, 5). Соединение
кормового конца крыловидной лопасти с рукавной
частью короткого колена, осуществляется наличием
взаимно совпадающих конструктивных структур.
На фиг. 3 показаны центральный диск 1 головки
ветродвигателя, осевая часть 2 короткой корневой
части лопасти, стальное усиление места изгиба 3,
тросовые канаты 4 стягивающие рукавную часть
короткого колена с центральным диском головки,
стальной остов рукава 5, кольцевые опоры 6
цилиндрического рукава, кормовой остов 7
крыловидной лопасти с кольцевыми выступами 8,
опорный фланец 9, подшипники 10 для обеспечения
поворота вдоль оси лопасти, торцевой запорный
диск 11, эксцентрик 12, стопорная гайка вала 13,
гидравлическое устройство 14, стягивающие болты
15, длинное крыло лопасти 16, стекловолоконная
оболочка головки и рукава 17.
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 к рукаву.
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
является продолжением остова крыла лопасти,
который составляет стальную арматуру крыла
(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 переходить 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 и
положения крыловидной части при разной скорости
ветрового потока.
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

4. 28870
4
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. Как
известно, 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° относительно к осевому
прикреплению корневой части лопасти, уже создает
определенное сопротивление к движению ветрового
потока и плотность его на плоскости крыла
несколько возрастает. Отличительной особенностью
изобретенной конструкции лопастей (ветроколеса),
основанного на принципе рычага с двумя (плечами)
точками приложения сил находящееся в одной
стороне, именно является - создание большой
плотности потока ветра и легкое преодоление этого
момента.
Предлагаемое изменение конструкции лопастей
не усложняет и не нарушает аэродинамику
ветроколеса. В данном варианте конструкции
ротора снимаются возражения о действии
скручивающего эффекта при сильном напоре ветра
на лопасти, так как конфигурация лопастей не
подвергаются изменению, т.е. сохраняют прямую
удлиненную форму. Наличие стального усиления на
изгибе короткой корневой части лопасти и
дополнительное стягивание рукава тросами к
центральному диску обеспечивает прочность ротора
при сильных напорах ветра. Короткий рукав,
выступающий за пределы головки, как устойчивый
остов конструкции, имеет округленную форму,
является как бы продолжением крыловидной части.
Длина осевой части короткого колена лимитируется
диаметром головки ветродвигателя. Тем не менее,
наличие изгиба в коротком колене, создают две
точки опоры (плеча) при передаче вращательной
силы крыловидными лопастями, сообщая более
высокую механическую работу.
Как альтернативный вариант, предлагается
дополнительное конструктивное устройство в виде
киля (фиг.4, 2), установленного 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, 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, проходящего
через ометаемую площадь, что дает возможность
использования мощных 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.

5. 28870
5
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 длинной
крыловидной части, при этом короткая кормовая
часть, изготовленная из стали высокого качества,
имеет коленный изгиб под углом 30-45°, на границе
выхода осевого участка из обода головки
ветродвигателя, направленный против вращения
ветроколеса, где коренной конец осевого участка
прикреплен к основному валу двигателя через
центральный диск, а рукавный участок короткой
кормовой части имеет втулку с тремя опорными
кольцами, в наружный конец его соединяется
крыловидная часть лопасти, корневой конец
которого снабжен полым стальным валом с тремя
выступами для установки шарнирных устройств,
при этом вал соединен с остовом крыловидной
части стальными арматурами, а в коленном изгибе
короткой кормовой части со стороны рукавного
участка установлены гидравлические механизмы,
соединенные с концом крыловидной части через
эксцентрики, и стальной остов короткой части с
наружной стороны иметь 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
составляет 45-50 см в задней удлиненной части и
20-25 см - с наветренной стороны.

6. 28870
6
Верстка А. Сарсекеева
Корректор Р. Шалабаев