Ветроустановка с цилиндрическим ротором

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроустановкам с цилиндрическим ротором, ветрозаборником и ветроотражателем. Предложена конструкция и соотношение размеров основных плоскостей ветрогенератора. Повышается эффективность и надежность конструкции в широком диапазоне ветровых скоростей. Область техники Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроустановкам с цилиндрическим ротором. Уровень техники Известны установки с цилиндрическим ротором, включающие ветрозаборник, ветроотборник и флюгер, например, по патентам США 4017204; 5009569; 4189280; 10199; 4260325. Патент США 4017204 от 12.04.1977 г. Отличия: горизонтальное расположение оси ротора ветрогенератора относительно земли,количество и пропорции лопастей ротора различны,соотношение ширины лопасти к диаметру ротора другое,ветрогенератор располагается непосредственно на поверхности земли,конструкция, геометрия и пропорции ветроотбойника, ветрозаборника, флюгера также другие,отсутствие отгиба и крыльев. Недостатки: задний кожух ротора создает большое сопротивление воздушному потоку. Ротор и кожух становятся непродувными, почти как плоское, плотное препятствие с небольшой щелью внизу. Площадь этой прорези равна максимум 1,5 площади лопасти ротора (фиг. 1, 2), что делает данную модель малоэффективной. На роторе работают под нагрузкой 1,5 лопасти. Остальной ветровой поток обходит конструкцию ветрогенератора; расположение ветрогенератора на поверхности земли делает его менее эффективным, поскольку скорость ветра здесь меньше, чем на высоте из-за препятствий (постройки, лес). Если поднимать ветрогенератор на высоту, то нужна очень материалоемкая мачта; нерациональная и материалоемкая конструкция ветрозаборника, ветроотбойника и флюгеров в сравнении с выполняемыми ими функциями. Патент США 5009569 от 23.04.1991 г. Отличия: горизонтальное расположение оси ротора ветрогенератора относительно земли,количество и пропорции лопастей ротора различны,соотношение ширины лопасти к диаметру ротора другое,ветрогенератор располагается непосредственно на поверхности земли,конструкция, геометрия и пропорции ветроотбойника, ветрозаборника, флюгера также другие,отсутствие отгиба и крыльев. Недостатки: недостатки такие же, как указано выше и дополнительно продувается только одна лопасть ротора,флюгер расположен в ветровой тени. Ветрогенератор будет не стабильно ориентирован на ветер, он будет раскачиваться с амплитудой около 50,также флюгер расположен на земле, что не дает возможности поднять ветрогенератор над землей. Патент США 4189280 от 19.02.1980 г. Ветровой генератор с цилиндрическим ротором расположен горизонтально, имеются ветрозаборник и ветроотражатель. Отличия и недостатки те же, как указано выше. Кроме того, такая конструкция не может работать. Закрыто сквозное протекание воздушного потока. Он не может вернуться себе на встречу. Ветер будет обтекать конструкцию ветрогенератора как сплошное препятствие похожее на стену.(фиг. 1 А). США 10199 от 29 июня 1929 г. Принцип действия ветрового двигателя, запатентованного 29 июня 1929 г., почти такой же - создание ветровой тени на одну сторону лопастного ротора и сброс воздушного потока на другую сторону ротора. Конструктивные недостатки. При наличии ветроотбойника, направляющего воздушный поток на активные стороны лопастей ротора, отсутствует ветрозаборник, что заставило автора сместить вертикальную плоскость флюгера (руля) от плоскости оси вращения ротора. Но он расположен в ветровой тени ротора, это неизбежно повлечет поворот плоскости флюгера (руля) на значительный уголк направлению ветрового потока, чтобы уравновесить возникающую силу на ветроотбойнике (фиг. 1 В). Из этого чертежа видно, что угол атакиветрового потока относительно ветроотбойника становится невыгодным. Чем больше угол , тем больше угол . Ветроотбойник борется с флюгером, создавая нагрузку на ось, и плохо выполняет свое второе назначение - сброс воздушного потока на лопасть ротора. Основные отличия. 1. Конструкция лопастей. Лопасти значительно осложняют конструкцию ротора, а также и его стоимость и, на мой взгляд, не увеличивают крутящий момент в сравнении с предполагаемым расположени-1 019215 ем лопастей ротора. Соотношение ширины лопастей к диаметру ротора 1/3, а также их количество и форма являются оптимальными. 2. Отсутствует ветроотбойник. 3. Флюгер расположен в ветровой тени ротора и смещен в противоположную сторону от ветроотбойника. Патент US 4260325 от 07.1973 г. В патенте US 4260325 от 07.1973 г. изображен ветрогенератор с использованием ветроотбойника и ветрозаборника. Конструктивные недостатки. Ветроотбойник такой конфигурации недобирает примерно 1/3 воздушного потока, вследствие чего не уравновешивает ветрозаборник и дает меньше воздушного потока на лопасти ротора. Из-за этого флюгер имеет изогнутую форму в сторону ветроотбойника. При таком расположении ветроотбойника,ветрозаборника, флюгера, их форм и размеров стабильная ориентировка по ветру вызывает большие сомнения (фиг. 1 С). Силы F1 и F2 приблизительно равны, а их плечи h1 и h2 явно разные. Изогнутый флюгер частично находится в ветровой тени от конусного колпака. Конструкция и форма лопастей значительно усложнена. Поскольку эффективность ротора зависит от объема захватываемого воздушного потока и площади обдуваемых активных лопастей, можно конструкцию ротора упростить. Применение колесного подшипника у основания ротора не эффективно (обычные подшипники обладают меньшим коэффициентом трения) и его работа в снежных или пыльных условиях значительно усложнена. Очень громоздкая и материалоемкая опорная конструкция (основание ротора, мачты, растяжки). Таким образом, существующие конструкции являются громоздкими и неустойчивыми и имеют низкую эффективность преобразования энергии ветра во вращательный момент ротора. Задача изобретения Задачей изобретения является создание высокоэффективного ветрогенератора с надежной конструкцией, работающего в широком диапазоне ветровых скоростей. Сущность изобретения Задача решается следующим образом. Ветроустановка с цилиндрическим ротором и ветронаправляющим устройством, включающим ветрозаборник, ветроотбойник и флюгер, установленные на поворотной оси, характеризуется тем, что ротор имеет 6-10 лопастей при следующем соотношении размеров элементов: отношение ширины лопасти к ее длине равно 1:4-1:8, предпочтительно 1:4; отношение ширины лопасти В к диаметру ротора равно 1:2-1:5, предпочтительно 1:3; угол атаки ветрана плоскости ветроотбойника С и ветрозаборника D составляет 32-40, углыисоставляют 22-28; произведение проецируемой на ветер ширины ветрозаборника Ld на плече Pd создаваемой ветром силы Fd равна произведению проецируемой на ветер ширины ветроотбойника Lc на плече Рс создаваемой силы Fc отношение произведения площади флюгера Sn на плече Ph создаваемой ветром силы к произведению части площади ветроотбойника Sc на плече Рс создаваемой ветром силы должно быть больше 1,5 Предпочтительно, если ротор имеет 8 лопастей. Ветроустановка также характеризуется тем, что ширина ветрозаборника Ld=0,25 диаметра ротора,Pd=2,5 Ld, ширина ветроотбойника Lc=0,42 диаметра ротора, а Рс=0,9 Lc. Предпочтительно, чтобы лопасти ротора были выполнены вогнутыми. Ветроустановка дополнительно может содержать верхнее и нижнее крылья R1 и R2, причем крылья имеют следующие размеры: ширина крыла равна 0,15-0,25 диаметра ротора,длина крыла равна 0,3-0,6 диаметра ротора. Ветроустановка дополнительно характеризуется тем, что флюгер выполен поворотным в плоскости поворотной оси в положениях перпендикулярно и параллельно поворотной оси. Перечень чертежей На фиг. 1 представлены схемы ветрогенераторов с цилиндрическим ротором из существующего уровня техники; на фиг. 2 представлена схема ветрогенератора с цилиндрическим ротором с представлением ветрового потока; на фиг. 3 представлена схема ветрогенератора с цилиндрическим ротором с установленными раз-2 019215 мерными линиями; на фиг. 4 представлена схема ветрогенератора с цилиндрическим ротором с установленными размерными линиями; на фиг. 5 представлена схема ветрогенератора с цилиндрическим ротором в положении со сложенным флюгером; на фиг. 6 представлен общий вид ветрогенератора с цилиндрическим ротором. Описание примеров осуществления Заявляемая конструкция относится к ветрогенераторам с цилиндрическим ротором. Ротор состоит из вогнутых лопастей (обознач. буквой В на фиг. 2-4), закрепленных на оси вращения (обознач. буквой А на фиг. 2-4). На этой же оси А посредством шарниров располагается жесткая конструкция, в которую входят ветроотбойник (обознач. буквой С на фиг. 2-4) с отгибом (обознач. буквой R на фиг. 2-4),ветрозаборник (обознач. буквой D на фиг. 2-4),флюгер (обознач. буквой Н на фиг. 2-5),крылья сверху ротора и снизу ротора (обознач. буквами R1 и R2, фиг. 2-4). Эта конструкция и ротор могут вращаться на оси относительно друг друга. Внизу оси располагается электрогенератор (обознач. буквой G на фиг. 2-4). Внизу ротора мачта-опора ветрогенератора крепится тремя растяжками (обознач. буквой Е на фиг. 4), расположенными под углом 120 относительно друг друга. Пропорции и соотношение. Отношение ширины лопасти (обознач. буквой В на фиг. 2-4) к ее длине равно приблизительно 1/4. Отношение ширины лопасти В к диаметру ротора равно приблизительно 1/3. Угол атаки ветра на плоскости ветроотбойника С и ветрозаборник D (обознач. буквойна фиг. 1 а) составляет 32-40. Произведение проецируемой на ветер ширины ветрозаборника (обознач. Ld на фиг. 3) на плече(обознач. Pd на фиг. 3) создаваемой ветром силы (обознач. Fd на фиг. 3) равна произведению проецируемой на ветер ширины ветроотбойника (обознач. Lc на фиг. 3) на плече (обознач. Рс на фиг. 3) создаваемой силы (обознач. Fc на фиг. 2). где Ld равно 0,25 диаметра ротора, Pd=2,5 Ld, Lc равно 0,42 диаметра ротора, Рс=0,9 Lc. Отношение произведения площади флюгера (обознач. Sn на фиг. 4) на плече (обознач. Pn на фиг. 4) создаваемой ветром силы к произведению части площади ветроотбойника (обознач. Sc на фиг. 3) на плече (обознач. Рс на фиг. 4) создаваемой ветром силы должно быть больше 1,5. Ветроотбойник С заканчивается по всей плоскости отгибом (обознач. буквой R на фиг. 2), проецируемая на ветер величина которого равна 0,2 Lc. Верхнее и нижнее крылья (R1 и R2 фиг. 2; 4) имеют размеры: ширина крыла равна 0,4-0,8 ширины лопасти ротора, длина крыла равна 0,8-1,2 ширины лопасти ротора. Наибольший коэффициент использования ветра, соответственно, и наибольшая мощность ветрогенератора возникает при движении центров лопастей со скоростью 1,1 м/с при скорости ветра 3,5 м/с; 2 м/с при скорости ветра 6 м/с. Принцип работы Ветроотбойник С (фиг. 2) защищает от воздушного потока выгнутые стороны лопастей ротора и направляет его на вогнутые стороны лопастей ротора. Ветрозаборник D (фиг. 2) захватывает воздушный поток и направляет также на вогнутые стороны лопастей ротора. При давлении ветра на ветроотбойник и ветрозаборник возникают силы Fc/Fd (фиг. 2). Расположение и пропорции ветроотбойника и ветрозаборника позволяют сохранить равновесие конструкции (ветроотбойник, ветрозаборник, флюгер) при действии ветра. Флюгер Н (фиг. 2) ориентирует конструкцию навстречу воздушному потоку. Как видно на фиг. 2,давление воздушного потока воздействует на четыре лопасти 1, 2, 3, 4 цилиндрического ротора, создавая крутящий момент на ось А. Вращение через мультипликатор передается на генератор G (фиг. 2) увеличения устойчивости при сильных ветрах. Ветроотбойник С (фиг. 2) заканчивается отгибом R (фиг. 2),который помогает уравновесить ветрозаборник и создает разряжение в районе лопастей пассивной зоны ротора. Крылья R1 и R2 также создают разряжение в районе лопасти пассивной зоны ротора. Флюгер Н (фиг. 2-3) может опускаться параллельно оси ротора А, поворачиваясь вокруг шарнира Z(фиг. 2-3). При ураганных ветрах флюгер опускается и конструкция ветрогенератора занимает положение с наименьшим сопротивлением воздушному потоку, а ротор может продолжать работать в облегченном режиме (фиг. 5). Такое положение конструкции (ветроотбойник, ветрозаборник, флюгер) по отношению к ветру уменьшит нагрузку на опорную мачту без остановки электрогенератора. Таким образом, заявляемый ветрогенератор с цилиндрическим ротором имеет существенные отличия от существующих и характеризуется следующими признаками: форма, количество и размеры лопастей; оптимальное соотношение ширины лопасти к диаметру ротора 1/3, а соотношение ширины и длины лопасти 1/4; форма и расположение ветроотбойника. форма и расположение флюгера; опорная конструкция ротора; отгиб и крылья. Такая совокупность признаков не известна из уровня техники, который имеет довольно длинную историю. Отсутствие сведений о таких соотношениях и параметрах установок свидетельствует об изобретательском уровне. Промышленная применимость очевидна из-за простоты конструкции. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ветроустановка с цилиндрическим ротором с лопастями и ветронаправляющим устройством,включающим ветрозаборник, ветроотбойник и флюгер, установленные на поворотной оси, отличающаяся тем, что ветроустановка имеет следующие соотношения размеров элементов: отношение ширины лопасти к ее длине равно 1:4-1:8, предпочтительно 1:4; отношение ширины лопасти В к диаметру ротора равно 1:2-1:5, предпочтительно 1:3; угол атаки ветрана плоскости ветроотбойника С и ветрозаборника D составляет 32-40, углыизахвата отраженных потоков ветроотбойника и ветрозаборника составляют 22-28; произведение проецируемой на ветер ширины ветрозаборника Ld на плече Pd создаваемой ветром силы Fd равна произведению проецируемой на ветер ширины ветроотбойника Lc на плече Рс создаваемой силы Fc отношение произведения площади флюгера Sn на плече Ph создаваемой ветром силы к произведению части площади ветроотбойника Sc на плече Рс создаваемой ветром силы должно быть больше 1,5 2. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем, что ширина ветрозаборника Ld=0,25 диаметра ротора,Pd=2,5 Ld, ширина ветроотбойника Lc=0,42 диаметра ротора, а Рс=0,9 Lc. 3. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем, что лопасти ротора выполнены вогнутыми. 4. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит верхнее и нижнее крылья R1 и R2, имеющие размеры: ширина крыла равна 0,15-0,25 диаметра ротора, длина крыла равна 0,30,6 диаметра ротора. 5. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем, что флюгер выполнен поворотным в плоскости поворотной оси в положениях перпендикулярно и параллельно поворотной оси.