1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) B (11) 29206
(51) F03D 1/06 (2012.01)
F03D 3/06 (2012.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
(21) 2013/0932.1
(22) 12.07.2013
(45) 17.11.2014, бюл. №11
(76) Шайкенов Блок; Шайкенов Ержан Блокович
(56) KZ 2013/0652.1, 17.05.2013
WO 02/08600 A1, 31.01.2002
DE 19733372 C1, 07.01.1999
SU 1816892 A1, 23.05.1993
(54) ВЕТРОКОЛЕСО ШАЙКЕНОВА
(57) Изобретение относится в ветроэнергетике, в
частности к использованию энергии ветра для
выработки энергии с применением горизонтально
осевых ветровых турбин.
Техническим результатом нового 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 ветроколеса лопасти
имеют форму хоккейной клюшки и состоит из двух
частей: короткой корневой и длинной крыловидной.
Короткая корневая часть на расстоянии 1,5-4,5 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.
Короткий коленный отдел имеет
цилиндрическую форму, изготавливается из
высококачественной стали и в свою очередь
собирается из двух частей: осевой и рукавной.
Кормовой конец осевого участка соединяется к
головке установки или через центральный диск с
основным валом двигателя, а в торцевой конец
рукавного участка соединяется крыловидная
лопасть. Противоположные концы осевой и
рукавной частей имеют косо скошенную форму,
края их снабжены боковыми бортами,
соответственно конфигурациям они соединяются
углом и крепятся болтами.
Для преодоления проблемы «перелома» на
изгибах на месте соединения осевой и рукавной
частей, высокие борта со стороны внутреннего
изгиба имеют стальное утолщение и обе части
короткого коленного отдела стягиваются тросами.
Длинная крыловидная часть лопасти соединяется с
рукавной частью корневого отдела через шарнирно
кольцевые установки.
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)29206

2. 29206
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. 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. Оба 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
основного вала ветродвигателя, что обычно требует
удлинения длины лопастей для повышения
мощностей ветроустановки.
Задачей изобретения - создание конструкции
ветроколеса (ротора), 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 в головке перпендикулярно к
горизонтальному валу, для эффективного
использования набегающего свободного потока
ветра, в новой конструкции ротора, лопасть имеет
форму наподобие хоккейной клюшки (фиг.3). В
нашей конструкции ротора, лопасть состоит из двух
частей: короткой с коленным изгибом корневой
части, сложенной из осевого и рукавного участков и
длинной крыловидной части (фиг.1а, 1б, фиг.2.
фиг.3). Угловой изгиб лопасти имеют 30-45°
относительно первичной оси прикрепления к
головке осевого участка и обратно направлен,
против направления вращения лопастей (фиг.2, 3).
Определение угла изгиба относительно оси
корневого крепления к головке, на стыке
соединения осевого и рукавного участков под углом
30-45° основаны на оптимальности создания
высокого сопротивления к потоку набегающего
ветра на плоскости крыловидной лопасти
(соединенной к рукавному участку) с целю
получения более сильного эффекта от двойной
рычажной системы конструкции ветроколеса и
обеспечения технической прочности стыка на
коленном изгибе. Обеспечение прочности при угле
изгиба менее 30° сопряжено техническими
проблемами, поскольку при этом возрастает

3. 29206
3
давление силы тяжести крыловидной части на
изгиб, усиленное вращающим моментом
аэродинамического напора ветра и воздействия
скручивающего эффекта встречного ветра на
крыловидную часть лопасти. Увеличение угла более
чем 45° на коленном изгибе лопасти ветроколеса,
усиливая сопротивление к ветровому потоку,
создает дополнительную аэродинамическую
нагрузку, снижая эффект двойной рычажной
системы.
Изготовление целостного короткого коленного
отдела в производственных условиях усложнено по
технологическим причинам. Поэтому производство
новой конструкций коленного отдела лопасти
заключается в изготовлении в отдельности осевой
(фиг.1а) и рукавной частей (фиг.1б). Обе участки
короткого коленного отдела изготавливается из
прочной стали.
Размеры и длина осевой и рукавной частей
короткого колена зависит от принципов
использования и планированной мощности
ветродвигателя. Для получения высокой
эффективности от конструктивных особенности
лопастей рычажной формы с двумя точками опоры
(плечами) приложения силы, предлагается
конструктивные варианты ротора «Қайқы желқалақ
Шайкенова» (Ветроколесо Шайкенова), где осевая
часть коленного отдела с длиной 1,5-4,5 м от
главного вала двигателя (1/10-1/20 части длины
лопасти) значительно выступает за пределы головки
двигателя (фиг.3,2). При обеспечении прочности
всей конструкции лопасти и соединения осевой,
рукавной и крыловидной частей ветроколеса,
длинное рычажное колено сообщает высокую
механическую силу, при относительно малой длине
лопасти. При длине лопастей современно
используемых у ветроустановок, рассчитанную на
конкретную мощность, при применении нашей
системы ветроколеса (ротора), мощность
ветродвигателя могут возрасти в несколько
значительную величину.
На фиг.1 показаны схематическое строение
осевого (фиг. 1а) и рукавного (фиг.1б) участков
короткого коленного отдела лопасти: головка
двигателя 1, цилиндрический остов осевой части 2,
стенка ее проема 3, высокий бортовой выступ 4 для
соединения осевой и рукавной частей, отверстия на
краях борта 5 для крепления осевой и рукавной
частей болтами, дополнительное стальное усиление
борта и стенки на изгибе 7, цилиндрический остов
рукавной части 9, кольцевые опоры 10, конец
рукавного участка 11 для соединения с
крыловидной лопастью, место соединения осевой
части 12 с проемом головки и через него с главным
валом двигателя.
Корневой конец осевого участка имеет полую
цилиндрическую форму (фиг.1а, 2), соединяется
(фиг.3, 12) к головке двигателя 1 или через
центральный диск с главным валом, выступающего
в головке двигателя. Наружный конец осевой части
со стороны изгиба имеет эллипс образную форму,
косо скошенную по линии 1/2 дуги между осевой
линией корневой и рукавной частью, проходящей
через точку их пересечения. Короткая сторона скоса
при этом находится на внутренней стороне от
направления вращения, а длинная - на стороне
вращения (фиг.1а). По всему периметру
цилиндрического проема имеется борт 4 для
крепления обеих частей. Высокая сторона борта,
находящаяся во внутренней части изгиба усилена
дополнительным стальным отливом 7. Боковая и
обратная стороны имеют невысокий кант,
заполняющий переход между цилиндрической
стенкой и бортом. На высоком борту проделаны
отверстия 5 для крепления.
Рукавный участок короткой коленной части
могут быть несколько короче, чем осевой участок
или равный ему. Рукавный участок имеет
цилиндрическую полость (фиг.1б) и по конструкции
фактически повторяет как зеркальное отражение
осевого участка. Отличие остова 9 рукавной части
заключается в наличии трех кольцевых выступов
(фиг.1б, 10; фиг.2, 10) которые служат для
установки подшипников (фиг.2, 13), опоры
выступов кормового вала крыловидной лопасти 15 и
опорного фланца 16 для прочного соединения
устройств. Конец рукава со стороны осевой части
также имеет скос с короткой стенкой внутрь и
высокий борт (фиг.1б, 4), а со стороны изгиба
усилен дополнительным стальным утолщением 7.
По периметру борта рукавной части проделаны
расчетное количество отверстий 5 для их
соединения с осевым участком.
На фиг.2 показана схема соединения осевой и
рукавной частей короткого коленного отдела и
возможный вариант соединения его с корневым
валом крыловидной лопасти ветроколеса по
следующей последовательности: стальной остов
осевой 2 и рукавной 9 частей, высокие борта 4
обрамляющие по краям цилиндрической втулки,
отверстия 5 и болты 6 крепко соединяющие обеих
частей, дополнительное стальное усиление 7 на
внутренней стороне изгиба, тросы 8, стягивающие
осевую и рукавную части, цилиндрический остов
рукавной части 9, кольцевые опоры 10, подшипники
13, цилиндрический вал крыловидной лопасти 14,
кольцевые выступы крепления 15, опорный фланец
16, концевая основная опора вала 17, корневое
утолщение остова лопасти 18, болты крепления 19
концевой части вала и корневого конца лопасти,
крыловидная лопасть 20, распорная балка крыла 21
из стекловолокна с композитными материалами,
торцевой запорный диск 22, эксцентрик 23,
стопорная гайка 24, гидравлическое устройство 25
поворота крыла, болты крепления 26 запорного
диска и опорного выступа.
Для обеспечения прочности соединения с
рукавом, кормовая часть крыловидной лопасти
снабжена полым стальным валом (фиг.2, 14) с
опорными кольцевыми выступами 15, для
крепления на кольцевых выступах 10 рукава
короткого колена, через подшипниковые устройства
13 и опорного фланца 16, который может состоят из
двух половинок. Полая крыловидная лопасть 20
внутри имеет распорную балку 21, изготовленную
из алюминиевого сплава или стекловолокна с

4. 29206
4
композитными материалами. Верхний конец
цилиндрического вала имеет опорный расширенный
борт 17, через который вал соединяется с остовом
крыла 18 лопасти с помощью крепежных болтов 19
(US Patent 4,412,784 от 01.11.1983, изобретение
ФРГ; DE 197 33 372 Cl F03D 1/06, 07.01.1999). В
корневой конец цилиндрического вала крыла
приваривается утолщенное металлическое
устройство с приспособлениями для крепления. Он
имеет цилиндрическую форму, куда вдевается
торцевой запорный диск 22, которые крепятся
болтами к опорному выступу рукава 26. Вал затем
переходить в восьмигранно звездную грань и
оканчивается винтовой резьбой для крепления
стопорной гайкой 24 всей системы к остову
короткого вала лопасти. Граненая часть вала служит
для крепления через кольцевой эксцентрик 23,
гидравлического поворотного механизма 25
(JP4104037 В2, 18.06.2008, кл. F03D 1/06, возможно
и других), что обеспечивает поворота крыловидной
лопасти вдоль ее оси и положения крыловидной
части при разной скорости ветрового потока.
На фиг. 3 показана схема собранной лопасти
Ветроколеса, которая состоит из головки
ветродвигателя 1, остова осевого участка 2, остова
рукавного участка 9, стального утолщения бокового
борта 7, стягивающих тросов осевого и рукавного
участков 8, конец рукава 11 для соединения с
длинной крыловидной лопастью 20, соединение
осевого участка 12 с головкой двигателя и главный
вал двигателя 27.
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.1а, 7; 1б, 7; фиг.2, 7; фиг.3, 7)
отливом высокого борта осевой и рукавной частей.
Дополнительно они прочно стягиваются тросами
(фиг.2, 8; фиг.3, 8), для снижения нагрузки на изгиб
и на соединения осевой и рукавной частей
короткого колена. Применение для прочного
соединения осевой и рукавной части тросов
является надежным укреплением на растягивающую
силу длинной крыловидной лопасти под влиянием
тяжести и ветрового напора. Использование тросов
уже проверенный путь соединения при стройке
висячих мостов, испытывающих подобные
нагрузки. Бортовые стальные усиления на краях
осевого и рукавного частей короткого колена
обеспечивают надежность от слома при
скрючивающем моменте от фронтового воздействия
напора ветра.
Ключевым моментом в выработке энергий с
использованием ветра является повышение
коэффициента улавливания кинетической энергии
свободно проходящего ветра. 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.
Применение ветроколеса нашей конструкции
дает дополнительный силовой эффект намного
превышающей, чем при использовании 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 передаточных механизмов,
гондолы и опоры ветродвигателей. Это позволит
повысить 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 и
длинной крыловидной частей, при этом короткая
кормовая часть, состоящая из осевого и рукавного
участков, на расстоянии 1,5-4,5 м от корневого
прикрепления к головке осевого участка имеет
коленный изгиб под углом 30-45º, обратно
направленный против вращения ветроколеса, а в
торцевой конец рукавного участка соединяется
крыловидная лопасть, осевой и рукавный участки
имеют цилиндрическую форму, изготавливаются из
стали высокого качества, их концы на месте
соединения обеих участков имеют обратно
скошенную форму, образуют коленный изгиб с

5. 29206
5
заданным углом, они соединены через краевые
борта болтами.
2. Ветроколесо по п.1, отличающееся тем, что в
месте соединения осевой и рукавной частей, борта
со стороны внутреннего изгиба имеют стальное
утолщение, а поддерживающие коленный изгиб
тросы стянуты между осевым и рукавным
участками короткой коренной части лопасти.
Верстка А. Сарсекеева
Корректор Р. Шалабаев