Вітрова турбіна з вертикальною віссю обертання

Реферат: UA 107188 U UA 107188 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вітроенергетики і стосується вітроенергетичних установок з вертикальною віссю обертання з поворотними вертикальними лопатями. Багато років проводяться експериментальні та теоретичні дослідження особливостей будови та функціонування вітрових турбін з вертикальною віссю обертання. В [1] детально розглянуті практично всі типи конструкцій і особливості роботи таких типів вітрових турбін, теоретичні підходи до розрахунків та результати випробувань моделей і натурних зразків вітрових турбін. У різних країнах зареєстровані численні патенти конструкцій вітрових турбін. Відома "Вітросилова установка" [2], що містить ротор з вертикально розташованим валом, з яким за допомогою траверс і цапф зв'язані вертикальні лопаті, які оснащені вертикальними осями з шарнірними кільцями, за допомогою яких вони закріплені на траверсах з можливістю повороту навколо цих осей, і встановленими на нижніх кінцях лопатей додатковими осями з вилками та роликами, які стикуються з кільцеподібною напрямною у формі жорсткого обода, що має у плані форму окружності і з'єднана з механізмом керування положення лопатей ротора таким чином, що має можливість лінійного переміщення уздовж лінії дії вітрового потоку, електрогенератор з електромагнітною муфтою на кінці його вала, а також апаратуру керування вітросиловою установкою з програмним пристроєм, причому механізм керування положення лопатей ротора містить встановлені на поворотній платформі горизонтально-лінійні електромагнітні двигуни, якорі яких з'єднані з вертикальними стійками, жорстко закріпленими на основі кільцеподібної напрямної, повздовжні осі якорів знаходяться на одній лінії та під прямим кутом до осі обертання вітроротора, при цьому на поворотній платформі встановлені електромагнітно-пружинні фіксатори положення якорів, а механізм повороту платформи містить встановлений на нерухомій основі електродвигун з циліндричною шестірнею на кінці ротора, яка знаходиться у зчепленні з круговим зубчастим кільцем, розміщеним на нижньому зовнішньому краю поворотної платформи, апаратура керування вітросиловою установкою містить встановлені на вітроустановці і зв'язані з програмним пристроєм датчики контролю напрямку та швидкості вітру, швидкості обертання вітроротора, величини лінійного переміщення центра кільцеподібної напрямної відносно центральної осі обертання вітроротора, кутового переміщення поворотної платформи. Недоліком цієї розробки є складність керування системою повороту вертикальних лопатей, причому механізм повороту не враховує оптимальність кутів атаки лопатей в залежності від розташування лопатей по траєкторії кругового руху в залежності від кутів повороту лопатей відносно вертикально розташованого вала. Крім того, ролики, які стикуються з кільцеподібною напрямною у формі жорсткого обода, по траєкторії руху витримують різні силові динамічні завантаження, а також відкриті для запилення. Запропонована конструкція неминуче приводить до виходу зі строю роликів, що потребує періодичної заміни роликів та направляючого обода. Найбільш близьким по технічній суті є прийнята за прототип "Вітрова турбіна з вертикальною віссю (Vertical Axis Wind Turbines)», що наведена в [1] в розділі 7 на фотографіях 7.2, 7.4, 7.6, і складається з трьох вертикальних поворотних лопатей, які шарнірно закріплені в носовій точці профілю по центру лопаті на радіальних горизонтальних підтримуючих кронштейнах, що мають обтічну форму і обертаються навколо вертикально розташованого вала, який встановлено на вишці з тросовими розтяжками. Робочі вертикальні поворотні лопаті виконані в формі прямокутного крила малого подовження з аеродинамічним профілем NACA. Повороти лопатей на заданий кут атаки здійснюються за допомогою конструкції [3], що складається з циліндра, який розміщено усередині радіального горизонтального підтримуючого кронштейну поблизу лопатей, причому циліндр зістикований з монтажною косинкою, яка жорстко з'єднана з лопатою. На косинці шарнірно закріплено висувний шток циліндра кута повороту лопатей, який з іншого боку шарнірно закріплений на радіальному підтримуючому кронштейні. Недоліком прототипу є те, що лопаті закріплені на радіальних підтримуючих кронштейнах у носовій точці профілю. Це призводить до необхідності встановлення на лопаті противаги для стабільності обтікання профілю потоком. Крім того, лапаті мають незмінну жорстку форму з профілем, який оптимальний в узькому діапазоні чисел Рейнольдса. В основу поставлено задачу розробки ефективної принципово нової конструкції вітрової турбіни з вертикальною віссю, яка враховує не тільки деякі риси прототипу, а також включає принципи функціонування і морфології оптимальних плавцевих рушіїв гідробіонтів [4, 5]. Поставлена задача вирішується відповідно до корисної моделі, за рахунок того, що поворотна лопать закріплена на радіальному горизонтальному підтримуючому кронштейні в аеродинамічному фокусі профілю лопаті, а підтримуючий кронштейн ззовні закритий обтічником, що має сучасну аеродинамічну форму профілю, причому вздовж кронштейна профіль обтічника встановлено з суканням під кутом атаки, який зменшується до вертикального 1 UA 107188 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вала, на якому також ззовні встановлено обтічник, що має симетричну форму профілю і обертається навкруги вертикального вала, причому лопать складається з двох поворотних консолей, які розташовані зверху та знизу від подовжньої осі симетрії лопаті і формують вертикальне стріловидне крило малого подовження, контур передньої і задньої кромок якого може бути виконаним прямолінійним або криволінійним, а на кінцевих кромках лопаті встановлено поперечні вертикальні плоскості, причому кожна консоль лопаті складається з переднього двояко увігнутого лонжерона коробчастої форми, горизонтальні полиці якого виконані перфорованими, та з заднього порожнього герметичного лонжерона коробчастої форми, що з'єднаний з переднім лонжероном, при цьому на кінцевій вертикальній стінці заднього лонжерона періодично закріплені горизонтальні пластинки, товщина яких поступово зменшується по їх довжині, а кінцеві частини консолей поблизу подовжньої осі симетрії мають напівкруглі частини, які при нейтральному положенні лопаті стикуються з перехльостом, ззовні вся поверхня лопаті покрита еластичним матеріалом, що зменшує опір, причому передні лонжерони уздовж розмаху лопаті розділені на секції за допомогою тонких суцільних поздовжніх нервюр, а секції заповнені плинним середовищем, наприклад повітрям, що знаходиться під тиском, або спеціальною рідиною для забезпечення герметичності еластичного матеріалу при її порушенні, крім того, в кожній консолі обоє лонжерони закріплені на криволінійній нервюрі, що усередині має суцільний закруглений циліндричний виступ і опорний кронштейн, який шарнірно сполучений з порожнистим напівзамкненим центральним тілом, на якому ззовні зверху та знизу закріплено по одній листовій пружині, що вільними кінцями упираються у внутрішню поверхню нервюр, а вздовж подовжньої осі симетрії лопаті встановлена її центральна симетрична носова частина, яка має зверху та знизу закруглені виступи, що упираються в відповідні закруглені циліндричні виступи нервюр, причому центральна носова частина з'єднана з порожнистим напівзамкненим центральним тілом шарнірно за допомогою цапфи і має два круглі отвори, що розташовані вздовж горизонтальної подовжньої вісі симетрії лопаті симетрично відносно вертикальної осі цапфи і з'єднані між собою прямокутним прорізом, у якому розташовано кільце, що встановлено ззовні цапфи і закріплене на силовому стержні, який розташований в підтримуючому горизонтальному кронштейні, а скрізь круглі отвори проходять управляючі дві горизонтальні тяги, які з одного боку шарнірно сполучені зі штоками, що жорстко з'єднані з порожнистим напівзамкненим центральним тілом, а з іншого боку тяги виходять з двох управляючих циліндрів, які встановлені в підтримуючому горизонтальному кронштейні, в той же час на задній торцевій поверхні центральної носової частини встановлені дві листові пружини, що вільними кінцями упираються у внутрішню поверхню порожнистого напівзамкненого центрального тіла, крім того, на лопаті герметично закріплено три гофри, скрізь які проходять силовий стержень і тяги, а з іншого боку гофри герметично з'єднані з підтримуючим горизонтальним кронштейном, простір, розташований між внутрішньою поверхнею нервюр, порожнистим напівзамкненим центральним тілом і центральною носовою частиною, заповнений мастильним матеріалом. Суть пояснюється наступними кресленнями: Фіг. 1 представляє векторну діаграму аеродинамічних сил та моменту обертання, що виникають на профілі лопаті, в залежності від кута обертання лопаті навколо вертикальної вісі. Фіг. 2 представляє сили, що виникають на профілі при його обтіканні під кутом атаки. Фіг. 3 показує вигляд збоку запропонованої конструкції лопаті вітрової турбіни. Фіг. 4 представляє поперечний переріз А-А згідно з фіг. 3. Фіг. 5 показує вид Б згідно фіг. 3. Фіг. 6 представляє поперечний переріз В-В згідно з фіг. 3. Фіг.7 показує поперечний переріз Γ-Γ згідно з фіг. 3. На фіг. 1 наведено векторну діаграму аеродинамічних сил та моменту обертання, виникаючих на профілі лопаті 1, яка закріплена на радіальному горизонтальному підтримуючому кронштейні 2 у точці аеродинамічного фокусу профілю, в залежності від кута обертання лопаті навколо вертикальної осі 3 вертикально розташованого вала 4, за яким при обтіканні вітром формується аеродинамічний слід 5, для зменшення якого вертикальний вал 4 ззовні закритий обтічною поверхнею 6. Буквами А, В, С, Д позначені характерні точки на криволінійній траєкторії обертання профілю лопаті. На фіг. 1 позначені наступні вектори: U швидкість вітру, Uo - швидкість обертання лопаті, Up - результуюча швидкість обтікання лопаті, FL - підйомна сила, FD - сила опору, F - результуюча сила, що діє на лопать, Μ - момент обертання, який діє на лопать, навкруги аеродинамічного фокусу, φ - кут відхилення підтримуючого кронштейна 2 від нульового положення, яке позначено буквою Д, α - кут атаки, γ - кут між поздовжньою віссю радіального горизонтального підтримуючого кронштейна та хордою профілю лопаті. Круглою стрілкою позначено напрямок обертання лопаті. 2 UA 107188 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 На фіг. 2 наведено характерний розподіл сил, що виникають на профілі при його обтіканні під кутом атаки α. Сила опору FD спрямована вздовж напрямку результуючого потоку, що рухається зі швидкістю Up, а підйомна сила FL спрямована перпендикулярно напрямку сили опору. Проекція цих сил на хорду профілю лопаті дозволяє визначити результуючу силу, що обумовлює силу тяги лопаті, що обертається. На фіг. 3 наведено вигляд збоку запропонованої конструкції лопаті 1, що складається з двох поворотних консолей 7, які формують стріловидне крило малого подовження, контур передньої і задньої кромок якої може бути виконаним прямолінійним або криволінійним, наприклад, таким, що приведений в [4, 5]. Кожна консоль складається з переднього двояко увігнутого лонжерона коробчастої форми 8, горизонтальні полки 9 якого виконані перфорованими, та з заднього лонжерона коробчастої форми 10, що з'єднаний з лонжероном 8, а до кінцевої вертикальної стінки лонжерона 10 періодично прикріплені пластинки 11, товщина яких поступово зменшуються по їх довжині. Ззовні поверхня лопаті покрита еластичним матеріалом 12, що зменшує опір [6-8]. Лонжерон 8 уздовж розмаху крила лопаті 1 розділений на секції 13 за допомогою тонких суцільних поздовжніх нервюр 14, причому секції 13 заповнені плинним середовищем, наприклад повітрям, що знаходиться під тиском, яке забезпечує збереження симетричної форми профілю лопаті 1 при нульовому куту атаки. Плинним середовищем може бути також спеціальна рідина, яка забезпечує автоматичне закриття негерметичності в випадку пошкодження еластичного матеріалу 12. В кожній консолі 7 лонжерони 8 і 10 закріплені на криволінійній нервюрі 15, що усередині має закруглений циліндричний виступ 16 і опорний кронштейн 17, який шарнірно сполучений з порожнистим напівзамкненим центральним тілом 18, на якому ззовні зверху та знизу закріплено по одній листовій пружині 19, що вільними кінцями упираються у внутрішню поверхню нервюр 15. Вздовж подовжньої осі лопаті 1 встановлена центральна симетрична носова частина 20, яка має зверху та знизу закруглені виступи 21, які упираються в відповідні закруглені виступи 16 нервюр 15. Центральна носова частина 20 з'єднана з порожнистим напівзамкненим центральним тілом 18 шарнірно за допомогою цапфи 22 і має два круглі отвори, що розташовані вздовж горизонтальної подовжньої осі симетрії лопаті симетрично відносно вертикальної осі цапфи 22 і з'єднані між собою прямокутним прорізом, у якому розташовано кільце 23, що закріплене на радіальному горизонтальному підтримуючому кронштейні 2, а скрізь круглі отвори проходять управляючі дві горизонтальні тяги 24, які розміщені в радіальному горизонтальному підтримуючому кронштейні 2. На задній торцевій поверхні центральної носової частині 20 встановлені дві листові пружини 25, які упираються вільними кінцями у внутрішню поверхню напівзамкненого центрального тіла 18. Простір, розташований між внутрішньою поверхнею нервюр 15, порожнистим напівзамкненим центральним тілом 18 і центральною носовою частиною 20, заповнений мастильним матеріалом для зменшення тертя дотичних частин вказаних деталей. Масивна носова частина 20, вказаний мастильний матеріал, лонжерон 8, що заповнений повітрям або рідиною, і порожній герметичний лонжерон 10, що заповнений повітрям, дозволяють виконати правильне центрування лопаті 1, необхідне для стабільного руху лопаті в криволінійному потоці. Дві поворотні консолі 7 мають напівкруглі кінцеві частини 26 в районі подовжньої осі симетрії лопаті 1, причому при нейтральному положенні лопаті / ці частини обох консолей 7 стикуються з перехльостом. Стрілкою показано напрямок швидкості результуючого потоку Up. На фіг. 4 наведено поперечний переріз А-А згідно з фіг. 3. Центральна носова частина 20 ззовні закрита поверхнею нервюр 15, а вся лопать покрита еластичним матеріалом 12. В хвостовій частині перерізу зображено напівкруглу кінцеву частину 26, усередині якої знаходиться пластинка 11. На центральній носовій частині 20 позаду встановлені дві листові пружини 25. Порожнисте напівзамкнене центральне тіло 18 обертається навкруги цапфи 22, на якій посередині розташоване кільце 23, що закріплено на силовому стержні 27, яке змонтоване на радіальному горизонтальному підтримуючому кронштейні 2, що ззовні закрите обтічною поверхнею 28, профіль якого показано суцільною лінією. В обтічній поверхні 28 на підтримуючому кронштейні 2 встановлено механізм, який складається з двох циліндрів 29 (на фіг. 4 показаний правий циліндр), що переміщають тяги 24 скрізь круглі прорізі, які виконані в носовій частині 20. Тяги 24 шарнірно сполучені зі штоками 30, що жорстко з'єднані з центральним тілом 18, причому шарніри розташовані вздовж поздовжньої вісі симетрії лопаті. На лопаті 1 герметично закріплено три гофри 31 (на фіг.4 показаний правий гофр), які встановлено навкруги двох тяг 24 і силового стержня 27, з іншого боку, три гофри 31 герметично з'єднані з підтримуючим кронштейном 2. Ці гофри не дозволяють, з одного боку, потрапляти пилу всередину лопаті, а з іншого боку, перешкоджають витікати з лопаті мастильного матеріалу. Лінією 32 показано напрямок руху закруглених виступів 16 при повороті 3 UA 107188 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 лопаті. Штрих пунктирними лініями показано положення подовжньої осі симетрії лопаті при її поворотах. Стрілкою показано напрямок швидкості результуючого потоку Up. На фіг. 5 наведено вигляд Б згідно з фіг. 3. На кінцевих кромках 33 лопаті 1 встановлено поперечні вертикальні плоскості 34 для полегшення формування кінцевих вихорів для зменшення індуктивного опору лопаті. На фіг. 6 наведено поперечний переріз В-В згідно з фіг. 3. Форма центральної носової частині 20 у місці розташування закруглених виступів 21 така, що дозволяє при коливаннях лопаті закругленим виступам 16 зісковзувати по похилій поверхні виступів 21 до горизонтальної частини поверхні носової частині 20. Зверху і знизу показані дві поворотні консолі 7 лопаті 1. На фіг. 7 наведено поперечний переріз Γ-Γ згідно з фіг. 3. Двояко увігнутий передній лонжерон коробчастої форми 8, задній лонжерон коробчастої форми 10 і періодично закріплені пластинки 11 формують твердий каркас лопаті 1, який ззовні покритий еластичним матеріалом 12. Стрілкою показано напрямок результуючого потоку, що рухається зі швидкістю Up. Запропонований пристрій працює наступним чином. На фіг. 1 наведено векторну діаграму аеродинамічних сил та моменту обертання лопаті 1 при умові, що швидкості вітру та обертання лопаті навколо вертикальної осі 3 вертикально розташованого вала 4 постійні. Але навіть при обертанні лише однієї лопаті картина обертання значно складніша. Профіль лопаті рухається в криволінійному потоці, тому в примежовому шарі на поверхні лопаті виникають більш складні і недостатньо дослідженні когерентні вихрові структури. В цьому напрямку відомі, наприклад, експериментальні дослідження, в яких зафіксована складні форма і структура примежового шару на лопаті, що обертається [9-11]. Крім того, з кінцевої кромки профілю лопаті зноситься в потік вихрова пелена, яка закручується по краях лопаті в пару подовжніх вихрових джгутів. Ці вихрові структури при обертанні лопаті в напрямку з точки С до точки А (фіг. 1) вітровим потоком зносяться вниз по потоку. Якщо турбіна має, наприклад, 3 лопаті, то ці вихрові структури натікають на профіль лопаті 1 та підтримуючий кронштейн 2 при їх обертанні з точки А до точки С, що приводить до деформації силового поля на профілі лопаті в зазначеному шляху траєкторії лопаті. Для зменшення негативного впливу на потік, що набігає на профіль лопаті 1 при її обертанні, радіальний горизонтальний підтримуючий кронштейн 2 ззовні закрито обтічною поверхнею 28 (фіг. 4). Проте з цього профілю буде таким же чином зноситься нижче по потоку зазначені вище вихрові структури, причому їх інтенсивність буде залежити від місця лопаті по траєкторії руху. Наприклад, інтенсивність буде мінімальною в точках Д, Б і максимальною в точках А, С. Якщо вертикальний вал 4 (фіг. 1) виконати у вигляді симетричного круглого циліндра, то за ним буде формуватися вихровий слід 5 під впливом вітрового потоку у формі доріжки Кармана. Це буде суттєво впливати на вектори сил та момент в точці В. Щоб зменшити цей вплив, вертикальний вал 4 ззовні закритий обтічником 6, профіль якого симетричний і має мінімальний опір, причому під впливом вітру цей обтічник повертається навкруги вертикального вала 4 як флюгер. Крім того, профіль лопаті знаходиться під впливом нестаціонарного потоку не тільки за рахунок зазначених вище факторів, а також за рахунок нестаціонарності вітру (непостійність швидкості, напрямку та турбулентності вітру, дощ, сніг). На фіг. 1 наведено векторну діаграму аеродинамічних сил та моменту обертання при умові постійної швидкості вітру та умовно вибраного співвідношення швидкості вітру та швидкості обертання. При зміні співвідношення цих швидкостей величини сил та моменту будуть іншими, проте закономірність їх формування по траєкторії руху лопаті будуть залишатися однаковими. В таблиці показані ці закономірності: ά - кут між напрямком швидкості обертання лопаті Uo та хордою профілю лопаті, кути φ і γ позначений вище. В усіх місцях по траєкторії руху лопаті, окрім точок А, С, кут атаки α, позначений відхиленням хорди профілю лопаті від напрямку результуючої швидкості Up, постійний і дорівнює 20°÷25°. При таких значеннях α сучасні профілі мають максимальне значення коефіцієнта підйомної сили. Таблиця Залежність кутів ά і γ від кута повороту φ обертання лопаті Точка φ, град ά, град γ, град Д А В С Д 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 +5 +7,5 +5 0 -1 -7,5 5 0 +7,5 0 -10 0 +5 100 100 95 90 90 80 85 90 100 90 80 90 100 4 UA 107188 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Аналіз величини векторів на фіг. 1 вказує, що від точки А до точки С зростають Up і FL, а момент Μ діє від носика профілю до його хвостової частини. Від точки С до точки А значення Up і FL зменшуються, а момент Μ змінює напрямок дії - від хвостової частини профілю до його носика. Від точки В до точки Д значення Up і FL зростають і найбільші, а від точки Д до точки В значення Up і FL зменшуються і найменші. З фіг. 2 витікає, чим менше сила опору профілю лопаті і чим більше підйомна сила, яка виникає на вибраній формі профілю лопаті, тим більша тяга, що виникає на лопаті, що обертається. З фіг. 1 та таблиці витікає, що по траєкторії руху лопаті значення підйомної сили змінюється по складному закону. Закономірності коливання підйомної сили, що виміряні в [1], подібні приведеному коливанню підйомної сили на фіг. 1 в залежності від φ, але в [1] і в подальших розробках для спрощення конструкції знайдені закономірності коливання підйомної сили усереднюють у вигляді синусоїдальної закономірності, що суттєво зменшує ефективність роботи вітрової турбіни. Згідно з фіг. 1, 2 запропонована корисна модель заснована на приведених в таблиці закономірностях. Крім того, для зростання ефективності роботи вітрової турбіни з вертикальною віссю обертання необхідно від точки Д до точки В збільшувати розмах і змінювати форму профілю лопаті. Для рівномірності швидкості лопаті по траєкторії руху можливо від точки В до точки Д зменшувати розмах лопаті. Наведені аналіз і висновки реалізовані в конструкції, що зображена на фіг. 3 при нульовому куті атаки в положенні, що показане на фіг. 1 буквами А, С. Розглянемо роботу запропонованої вітрової турбіни, починаючи з положення лопаті в точці Д (фіг. 1). На верхньому кінці вертикального вала 4, як і в прототипі, встановлено флюгер і датчик швидкості. Вітрова турбіна забезпечена електронною апаратурою для керування її роботою. Сигнали з вказаних двох датчиків обробляється цією апаратурою, після чого блок керування поворотом лопаті отримує необхідний сигнал. При цьому тяга 24, що розташована на фіг. 4 праворуч, втягується, наприклад, в управляючий циліндр 29, що розташований в підтримуючому кронштейні 2, до положення, коли профіль лопаті відхилиться на ά=+5° (дивись таблицю). Тяга 24 шарнірно сполучена зі штоком 30, який жорстко з'єднаний з центральним тілом 18, і таким чином, при втягуванні тяги 24, центральне тіло 18 повертається навкруги цапфи 22. Нервюри 15 (фіг. 3) обох консолей 7 лопаті 1 за допомогою кронштейнів 17 шарнірно сполучені з центральним тілом 18, тому одночасно повертаються на той же кут ά, при цьому виступи 16 рухаються по траєкторії 32 (фіг. 4) вздовж поверхні виступів 21 (фіг. 3, 6), що являють собою частину центральної носової частини 20 (фіг. 3), листові пружини 25 якої упираються у внутрішню поверхню центрального тіла 18. За рахунок жорсткості цих пружин носова частина 20 повертається з запізненням по порівнянню з центральним тілом 18. При цьому виступи 16 спускаються по бокових поверхнях виступів 21 (фіг. 6). За рахунок цього передня частина нервюр 75 нахиляються в напрямку до подовжньої осі лопаті, причому нахил прискорюється за рахунок дії пружин 19. Консолі 7 займають положення, що показано на фіг. 3 штрих-пунктирною лінією, а кінцеві частини 26 консолей розходяться, при цьому збільшується розмах і площа поверхні лопаті. Це означає, що зменшується індуктивний опір і зростає підйомна сила лопаті. Одночасно під дією швидкісного натиску результуючого потоку, що рухається зі швидкістю Up (фіг. 7), рідина, що заповнює двояко увігнутий лонжерон коробчастої форми 8 і прилеглу область, яка обмежена зовнішньою еластичною оболонкою 12, перетікає скрізь пористу поверхню горизонтальних полиць 9 з напірної поверхні до верхньої не напірної поверхні профілю. Це призводить до деформації носової частини, а також до відхилення хвостової частини профілю лопаті, що дозволяє сформувати ефективну S-подібну форму профілю, яка залежить від величини швидкісного натиску, а також механічних характеристик еластичного матеріалу. Відомо, що S-подібна форма профілю дозволяє формувати на профілі більші значення підйомної сили у порівнянні з традиційними формами профілю. Конструкцію еластичного матеріалу необхідно виконати згідно, наприклад, [6-8]. Це дозволить зменшити опір лопаті, а разом з S-подібністю форми профілю суттєво підвищити ефективність вітрової турбіни. Відомо, що при збільшенні розмаху лопаті, при встановленні на кінцевій кромці 33 лопаті поперечних плоскостей 34 (фіг. 5), а також, якщо контур передньої і задньої кромок лопаті виконати криволінійним, все це полегшує формування кінцевих вихрових джгутів і зменшує індуктивний опір лопаті. Обтічна поверхня 28, що закриває кронштейн 2, (на фіг. 4 показано суцільною лінією) має сучасну форму профілю, наприклад, NACA 2415, причому вздовж кронштейна 2 профіль встановлено з суканням під кутом атаки, який зменшується до осі обертання 3 (фіг. 1). Це дозволяє, з одного боку, при обертанні формуватися на поверхні 28 (фіг. 4) підйомної сили, яка 5 UA 107188 U 5 10 15 20 25 30 35 40 нейтралізує момент, що формується на лопаті за рахунок ваги лопаті та відстані її від осі обертання, і стабілізувати рух лопаті по траєкторії, а з іншого боку, така форма обтічної поверхні 28 дозволяє здобути на кронштейні 2 додаткову силу тяги згідно з фіг. 2, що дозволяє підвищити силу тяги лопаті. Симетричний обтічник 6 (фіг. 1), що встановлено на вертикальному валу 4, обертається вільно навкруги вертикального вала 4 під впливом швидкісного напору як флюгер, або під впливом сигналів з електронної апаратури, що дозволяє зменшити слід за валом і підвищити ефективність вітрової турбіни. Програмне забезпечення електронної апаратури дозволяє при обертанні лопаті за рахунок невеликих переміщень тяг 24 згідно з закономірністю, що наведена в таблиці, змінювати кут ά в необхідному діапазоні позитивних і негативних значень. Програмне забезпечення дозволяє враховувати широкий діапазон величин швидкості вітру та швидкості обертання лопаті, які фіксуються відповідними датчиками. При втягуванні тяг 24, що розташована на фіг. 4 праворуч і ліворуч, профіль лопаті повертається на необхідний нульовий або позитивний чи негативний кут. Наявність двох циліндрів 29, що розташовані в кронштейні 2 і висувають або втягують тяги 24, збільшує надійність роботи вихрової турбіни по порівнянню з прототипом. Флюгер надає сигнал, який дозволяє зафіксувати запрограмований початок чергування закономірностей, що наведені в таблиці, і сигнал якого надсилається в кожну лопать, що встановлена на вітровій турбіні. Джерела інформації: 1. В.K. Kirke. Evaluation of Self-Starting Vertical Axis Wind Turbines for Stand-Alone Applications. PhD Thesis, School of Engineering, Griffith University, Brisbane, Australia. - April 1998. – 338 p. 2. Патент на винахід України № 84319 С2, МПК F03D 7/06 (2006.01). Вітросилова установка. Автори – Гребеніков В.В., Довгій С.О., Каян В.П., Кочін В.О. Опубліковано 10.10.2008. Бюл. № 19. 3. Australian Patent # 631500 В.K. Kirke. Improved variable pitch vertical axis wind turbine. 19 March 1993. 4. С.В. Перший. Основы гидробионики. - Ленинград: "Судостроение". - 1988. – 263 с. 5. Авторськое свидетельство СССР № 529104 МПК В63Н1/36, В63В1/32. Плавниковый движитель. Автор - Бабенко В.В. Опубликовано 25.09.76. Бюл. № 35. 6. Авторськое свидетельство СССР № 483538 МПК F15D1/12. Демпфирующее покрытие. Авторы - Бабенко В.В., Козлов Л.Ф., Коробов В.И. Опубликовано 05.09.75, - Бюл. № 33. 7. Авторськое свидетельство СССР № 597866 МПК F15D1/12. Регулируемое демпфирующее покрытие. Авторы - Бабенко В. В., Козлов Л. Ф., Коробов В. И. Опубликовано 15.03.78. Бюл. № 10. 8. Авторськое свидетельство СССР № 802672 МПК F15D1/12. Демпфирующее покрытие для твердых тел. Авторы - Бабенко В.В., Юрченко Η.Φ. Опубликовано 7.02.81, - Бюл. N 5. 9. Vrishank Raghav, Narayanan Komerath. An Exploration of Radial Flow on a Rotating Blade in Retreating Blade Stall //J. of the American Helicopter Society, 58. - 2013. - 022005-1-022005-10. 10. Vrishank Raghav and Narayanan Komerath. Instability of the radial flow over a rotating disk in a separated edgewise stream //Physics of Fluids, 25. - 2013.-111701-1-111707-10. 11. Vrishank Raghav and Narayanan Komerath. Advance ratio effect on the flow structure and unsteadiness of the dynamic-stall vortex of a rotating blade in steady forward flight //Physics of Fluids, 27. - 2015. - 027101-1-027101-15. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 60 Вітрова турбіна з вертикальною віссю обертання, що складається з трьох вертикальних поворотних лопатей, які шарнірно закріплені в носовій точці профілю лопаті по її центру на радіальних горизонтальних підтримуючих кронштейнах, що мають обтічну форму і обертаються навколо вертикально розташованого вала, а вертикальні поворотні лопаті виконані у формі прямокутного крила малого подовження з аеродинамічним профілем, поворот яких на заданий кут атаки здійснюється за допомогою конструкції, що розташована усередині радіальних горизонтальних підтримуючих кронштейнів в районі стикування з поворотними лопатями і складається з циліндра, що шарнірно закріплений, з одного боку, на радіальних підтримуючих кронштейнах, а висувний шток циліндра, з іншого боку, шарнірно закріплений на поворотних лопатях, який відрізняється тим, що поворотна лопать закріплена на радіальному горизонтальному підтримуючому кронштейні в аеродинамічному фокусі профілю лопаті, а підтримуючий кронштейн ззовні закритий обтічником, що має сучасну аеродинамічну форму профілю, причому вздовж кронштейна профіль обтічника встановлено з суканням під кутом 6 UA 107188 U 5 10 15 20 25 30 35 атаки, який зменшується до вертикального вала, на якому також ззовні встановлено обтічник, що має симетричну форму профілю і обертається навкруги вертикального вала, причому лопать складається з двох поворотних консолей, які розташовані зверху та знизу від подовжньої осі симетрії лопаті і формують вертикальне стріловидне крило малого подовження, контур передньої і задньої кромок якого може бути виконаним прямолінійним або криволінійним, а на кінцевих кромках лопаті встановлено поперечні вертикальні плоскості, причому кожна консоль лопаті складається з переднього двояко увігнутого лонжерона коробчастої форми, горизонтальні полиці якого виконані перфорованими, та з заднього порожнього герметичного лонжерона коробчастої форми, що з'єднаний з переднім лонжероном, при цьому на кінцевій вертикальній стінці заднього лонжерона періодично закріплені горизонтальні пластинки, товщина яких поступово зменшується по їх довжині, а кінцеві частини консолей поблизу подовжньої осі симетрії мають напівкруглі частини, які при нейтральному положенні лопаті стикуються з перехльостом, ззовні вся поверхня лопаті покрита еластичним матеріалом, що зменшує опір, причому передні лонжерони уздовж розмаху лопаті розділені на секції за допомогою тонких суцільних поздовжніх нервюр, а секції заповнені плинним середовищем, наприклад повітрям, що знаходиться під тиском, або спеціальною рідиною для забезпечення герметичності еластичного матеріалу при її порушенні, крім того, в кожній консолі обидва лонжерони закріплені на криволінійній нервюрі, що усередині має суцільний закруглений циліндричний виступ і опорний кронштейн, який шарнірно сполучений з порожнистим напівзамкненим центральним тілом, на якому ззовні зверху та знизу закріплено по одній листовій пружині, що вільними кінцями упираються у внутрішню поверхню нервюр, а вздовж подовжньої осі симетрії лопаті встановлена її центральна симетрична носова частина, яка має зверху та знизу закруглені виступи, що упираються в відповідні закруглені циліндричні виступи нервюр, причому центральна носова частина з'єднана з порожнистим напівзамкненим центральним тілом шарнірно за допомогою цапфи і має два круглі отвори, що розташовані вздовж горизонтальної подовжньої осі симетрії лопаті симетрично відносно вертикальної осі цапфи і з'єднані між собою прямокутним прорізом, у якому розташоване кільце, що встановлене ззовні цапфи і закріплене на силовому стержні, який розташований в підтримуючому горизонтальному кронштейні, а скрізь круглі отвори проходять управляючі дві горизонтальні тяги, які з одного боку шарнірно сполучені зі штоками, що жорстко з'єднані з порожнистим напівзамкненим центральним тілом, а з іншого боку тяги виходять з двох управляючих циліндрів, які встановлені в підтримуючому горизонтальному кронштейні, в той же час на задній торцевій поверхні центральної носової частини встановлені дві листові пружини, що вільними кінцями упираються у внутрішню поверхню порожнистого напівзамкненого центрального тіла, крім того, на лопаті герметично закріплено три гофри, крізь які проходять силовий стержень і тяги, а з іншого боку гофри герметично з'єднані з підтримуючим горизонтальним кронштейном, простір, розташований між внутрішньою поверхнею нервюр, порожнистим напівзамкненим центральним тілом і центральною носовою частиною, заповнений мастильним матеріалом. 7 UA 107188 U 8 UA 107188 U 9 UA 107188 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10