СПОСОБ РАБОТЫ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ ТИПА ВНИП-2 Российский патент 1998 года по МПК F03D3/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике.

Известен способ работы ветродвигателя турбобашенного типа, включающий операции воэдухозабора с любого румба дуновений и ввода ветровых токов снизу в вертикальный тракт круглой вытяжной башни, причем с увеличенной споростью, а также операцию быстрого вращения турбинного колеса этими струями с последующим выносом масс отработавшего воздуха в атмосферу через верхний башенный срез.

Конструкция, связанная со способом-аналогом, не имеет снаружи каких-то подвижных частей. Трансмиссия ее проста. Двигатель позволяет получать электроэнергию при весьма крепких ветрах, причем без утраты надежности во время урагана (патент США N 4508973, кл. 290-5, 1985).

Недостаток этого способа состоит в том, что он исключает возможность использования энергии не только слабого ветра, но и свежего. Потребовались усовершенствования описанного способа. Однако, прежде чем перейти к изложению прототипа, целесообразно вспомнить широко применяющийся способ обезвреживания токсичных отходов технологии нефтепереработки (так называемые горящие факелы).

Этот способ включает операции ввода очень легких газообразных выбросов под чрезвычайно малым напором, причем снизу в вертикальный тракт вытяжной трубы, а также подъема газовых масс вверх с использованием конвективных сил.

Способ включает операцию беспрерывного сжигания горючих компонентов этой газовой смеси на верхнем срезе трубы в атмосфере окружающего воздуха.

Значительная масса веществ после сгорания изменяется и утрачивает изначальные ядовитые свойства. Остальные выбросы, сильно разогреваясь, улетучиваются в верхние слои атмосферы, смешиваются с воздушной средой (Политехнический словарь. М. 1960).

Недостатком является то, что сжигание происходит открытым коптящим пламенем и, следовательно, не совсем до полной нейтрализации. Поэтому трубы приходится делать весьма высокими. Впрочем, подобный выход нельзя считать идеальным. Загрязнения распространяются на большую площадь. Удушливые запахи преследуют людей в радиусе десятков километров.

Высокая труба помеха для авиации. Да и утилизировать тепловую энергию нельзя. Организовать же горение в тракте трубы трудно и дорогостояще. Ведь температура факела велика и стенки тракта могут быстро прогореть. Подтверждение тому систематические разрушения оголовка башни.

Вместе с тем известен более совершенный способ работы ветродвигателя турбобашенного типа (проект ВНИП-2). Способ этот также включает операции воэдухоэабора с любого румба и ввода ветровых токов снизу в вертикальный тракт вытяжной круглой трубы, причем с увеличенной скоростью. Предусмотрена и операция быстрого вращения турбинного колеса указанными струями с последующим выносом воздуха в окружающую среду через верхний башенный срез.

Отличием является то, что воздушный поток перед вступлением в турбину сильно закручивают посредством вертикальных перегородок, изогнутых по винтовым линиям. Поток же воздуха, отработавший в турбине, отсасывают с помощью ветра и эжектирующего оголовка, который охватывает вершину вытяжной башни.

В результате повышается коэффициент использования ветровой энергии. Двигатель получает способность утилизировать силу не только самых крепких ветров, но и более слабых, энергию свежего ветра. При этом расширяется способность стабилизации мощности ветряка при шквалах. Изначальная же надежность конструкции сохраняется (SU, авторское свидетельство N 1657723, 1989 и N 1768492, 1990, кл. F 03 D 3/04).

К недостатку способа-прототипа относится неспособность вырабатывать электроэнергию при очень слабых ветрах, а также то, что турбина двигателя не в полной мере использует энергию "остаточного вихря". Это завихрение, выстилающее гладкие стенки тракта, остается частично после прохождения турбины закрученными струями воздуха. Оно проявляется над турбинным колесом и поднимается неким торнадо по тракту к оголовку.

Неоходимо устраннить недостатки известного ветряка, наделить его свойством более надежно, экологически чисто обезвреживать газообразные горючие отходы тех или иных технологических процессов, в том числе химической промышленности.

Целью изобретения является, во-первых, повышение экологичности и надежности технологии обезвреживания горючих выбросов методом сжигания с полным сгоранием, причем без разрушения конструкции. Во-вторых, обретение электровыработки при очень слабых ветрах. Словом, утилизация тепла упомянутого горения. В-третьих, сокращение высотного габарита вытяжных труб.

Цель достигается тем, что в известном способе работы ветродвигателя типа ВНИП-2, включающем операции воздухоэабора с любого румба, разгона и закрутки ветровых токов в кольцевом заборнике, ввода этих спиралеподобных струй снизу в вертикальный тракт вытяжной башни, а также операцию вращения турбинного колеса указанным вихрем с последующим выносом отработавшего воздуха в атмосферу путем воздействия ветра на эжектирующий оголовок башенной трубы, к процессу восхождения воздушного вихря по тракту добавляют операцию ввода горючих газообразных отходов той или иной технологии, причем и тех выбросов, что не имеют напора вовсе.

При этом ввод отходов осуществляется следом за проходкой турбины упомянутым вихрем и в зону пониженного давления указанного остаточного завихрения. Причем добавочный ввод ориентирован по ходу набегающих воздушных токов, а горючие газы сжигают беспрерывно факелом в окружении пристеночного слоя воздуха, выстилающего тракт в вихревом движении.

При этом вращение турбинного колеса и упомянутого термозащитного слоя в периоды очень слабых ветров (например, ≤ 4 м/с) производится посредством как воздушных масс, затекающих в заборник под воздействием ветра, так и энергии скоростного подъема высокотемпературных продуктов горения в башенном тракте и вытяжной работы эжектирующего оголовка.

Когда же наступает штилевая погода, то подсос воздуха через эаборник и вращение вихря в тракте осуществляется только силой подъема горячих продуктов, имеющих в этом случае наибольшую температуру. Такая тяга в башне много сильней той, которая обычно бывает в высотной дымовой трубе.

Если ветер становится сильнее, высокотемпературное ядро восходящего потока размывается на дальних подступах к оголовку. Остаточный же вихрь при подходе к эжектору исчезает в любой ситуации. Энергия вихря растрачивается на образование пристеночного слоя, на питание горящего факела свежим воздухом, на создание единого смесевого тока, поднимающегося к эжектору.

На фиг.1 изображен схематичный общий вид ветряка ВНИИ-2, работающего по предлагаемому способу, на фиг. 2 ввод горючих выбросов в зону пониженного давления и остаточный вихрь показаны, на фиг.3 эпюры температур по тракту.

Двигатель состоит из вытяжной башни 1 (фиг. 2) и воздушной турбины 2, которая заключена в тракт "т" указанной башенной трубы. Внизу башни находится кольцевой заборник 3. Верхняя оконечность вытяжной трубы охвачена эжектирующим оголовком 4.

Серединный участок башни выполнен в виде диффузора 5. В стенки последнего встроены газовводные патрубки 6. Они выступают в тракт со всех сторон горизонта (фиг. 1, 2). Предусмотрено и пусковое запальное устройство 7. Кинематически турбина сцеплена с электрогенератором 8.

Ветряк ВНИП-2 применительно к беспрестанно горящему факелу нефтепереработки работает так. Газы при помощи патрубков 6 (фиг. 1) поступают в зону "р", которая расположена на оси тракта "т" и непосредственно за турбиной 2. Беспрерывно воспламеняясь в указанной зоне от высокотемпературных продуктов, эти газы сгорают в окружающей среде воздуха. Устремляясь ввысь с большой скоростью, такие продукты во время штиля и очень слабого ветра подсасывают воздушную среду снизу, из заборнижа 3.

Турбина укороченным стекателем своего колеса затеняет зону "р", а турбинные лопатки при тихой погоде выполняют функции "безветрового завихрителя". Экранирование указанной зоны понижает местное давление среды, позволяет стабилизировать воспламенение.

Закрутка дает возможность сформировать в условиях штиля восходящий по стенкам тракта вихрь "в" (фиг. 2). Такой "лопаточный" вихрь не так уж слаб. Ведь подсос воздуха снизу силен, т.к. здешний факел (см. стрелку "а" на фиг. 1) на целый порядок горячее подъемной среды в высотной дымовой трубе.

Подобным завихрителем можно удержать высокотемпературный факел на вертикальной оси тракта, осуществлять нормальное питание факела свежим воздухом, защищать стенки башни от перегрева. Пристеночный слой условно обозначен стрелками "б". А восходящие смесевые массы при этом истекают из трубы ввысь "свечкой".

С появлением легких дуновений ветра на уровнях оголовка 4 и заборника вращающий момент на турбинном колесе увеличивается и электрогенератор 8 вступает в действие. Вихрь "в" при этом уже более мощный, т.к. в его создании доминируют теперь не лопатки турбины, а суживающиеся спирально изогнутые каналы кольцевого заборника.

Уход среды из вытяжной башни обеспечивается не только самими облегченными массами газовоздушной смеси. Решающую роль все больше выполняет преобразованная ветровая струя "у". Она энергично помогает выносу воздуха "д" из трубы на подветренную сторону эжектирующего оголовка. Башня уже не будет слишком высокой.

Обгар кромки верхнего среза башни исключен (см. график). Если температура продуктов сгорания в факеле при штиле изменяется по высоте трубы некой кривой t_о (фиг. З), то при крепком ветре эта зависимость становится иной, характеризуется линией t_к. Нагрев же стенок согласно температурной зависимости t_c в принципе почти не меняется, остается на отметке, безопасной для конструкции.

Устойчив и процесс горения. Полнота сгорания тут полная и по сути не зависит от ветрового режима. Включения, которые горят с трудом, разрушаются за счет термических перепадов, путем распыления струей "у". Шумность в норме.

Итак, предлагаемый способ работы ветродвигателя даст возможность не только расширить диапазон электровыработки, утилизировать энергию очень слабых ветров. Он также открывает путь к практическому повышению экологичности и надежности некоторых существующих технологий. При этом потребляться могут газообразные отходы легче атмосферной среды, а также те, что тяжелее.

Использование: ветроэнергетика. Сущность изобретения: в процессе восхождения воздушного вихря по тракту двигателя добавляют операцию ввода горючих газообразных отходов, причем и тех выбросов, которые не имеют напора, при этом ввод отходов осуществляется следом за проходкой турбины упомянутым вихрем и в зону пониженного давления указанного остаточного завихрения, причем добавочный ввод в зону разрежения позволяет перемешать газы с воздушной средой и сжечь их беспрерывным факелом в окружении пристеночного воздуха, при этом вращение турбинного колеса и упомянутого слоя в периоды очень слабых ветров производится посредством как воздушных масс, затекающих в заборник под воздействием ветра, так и энергии скоростного подъема продуктов горения и вытяжной работы эжектирующего оголовка. 3 ил.

Способ работы ветродвигателя типа ВНИП-2, включающий операции воздухозабора с любого румба, разгона и закрутки ветровых токов в кольцевом заборнике, ввода этих спиральных струй снизу в вертикальный тракт вытяжной башни, а также операцию вращения турбинного колеса указанным вихрем с последующим выносом отработавшего воздуха в атмосферу путем воздействия ветра на эжектирующий оголовок башенной трубы, отличающийся тем, что к процессу восхождения воздушного вихря по тракту добавляют операцию ввода горючих газообразных отходов, причем и тех выбросов, которые не имеют напора вовсе, при этом ввод отходов осуществляют следом за проходкой турбины упомянутым вихрем и в зону пониженного давления указанного остаточного завихрения, а горючие газы сжигают беспрерывным факелом в окружающем пристеночном воздухе, выстилающем тракт в вихревом движении, причем вращение турбинного колеса и упомянутого термозащитного слоя в периоды очень слабых ветров производится посредством как воздушных масс, затекающих в заборник под воздействием ветра, так и энергии скоростного подъема высокотемпературных продуктов горения в башенном тракте и вытяжной работы эжектирующего оголовка.