Изобретение относится к ветряным двигателям для привода электрических генераторов, винтов водяных движителей водных транспортных средств-ветроходов привода водяных насосов и других целей.
Известны ветродвигатели со свободно вращающимся воздушным винтом или ветровым колесом (далее по тексту "воздушный винт" или просто "винт"), которые используются как ветряные мельницы, ветроэлектроэнергоустановки, или для привода водяных насосов и т.д.
Наибольшую мощность, которую может отобрать свободно вращающийся винт от мощности набегающего потока в сформированной винтом струе будет при снижении скорости потока перед винтом на 1/3 и за винтом еще на 1/3. Наибольшая мощность Tmax и сила упора винта F, соответствующего этой мощности по (1) будут равны:
Tmax= ρ•f•v3•8/27 F = ρ•f•v2•4/9. ,
Здесь:
ρ = 0,125 кг(с)•c2/m4 - средняя величина плотности воздуха на уровне земли;
f m2 - вели чина площади сечения, ометаемого винтом;
V m/c - скорость набегающего потока вне зоны воздействия винта на поток.
Как известно полная мощность потока Tп, ограниченного цилиндром с площадью поперечного сечения f будет равна:
T=m•V2/2= ρ•f•v3/2. .
Здесь:
m = ρ•f•v , - секундная масса воздуха, проходящая через сечение f. Поэтому максимально возможная мощность от полной мощности Tп составляет величину Tmax/Tп= 16/27=0,5928. Это т.н. "идеальная" максимально возможная мощность винта с КПД n=1, когда не учитываются дополнительные потери энергии, возникающие на границе струи в зоне активного воздействия винта на струю за счет ничем не стесненного перетекания воздуха повышенного давления перед винтом в зону пониженного давления за винтом, минуя плоскость вращения винта. Если оценить с учетом отмеченного КПД винта, n≤=>0,7, то реальная максимально возможная механическая мощность Tм, снимаемая с винта от полной мощности потока Tп составит уже величину:
Tм/Tп=Tmaxп/Tп≤0,7•16/27=0,415
Таким образом, свободно вращающийся винт может преобразовать в механическую энергию меньше половины энергии, заключенной в струе потока сечение f. Поэтому получение требуемой механической мощности в таких ветродвигателях достигается за счет увеличения ометаемой винтом площади f, т.е. увеличением диаметра винта до 30 m и более и поднятием винта на значительную высоту до 60 m и более, где скорость набегающего потока несколько больше, чем у земли.
Увеличение диаметра воздушного винта приводит к непропорционально большему увеличению его массы, усложнению и увеличению стоимости изготовления и монтажа винта и ветродвигателя в целом, существенному увеличению эксплуатационных расходов.
Известны ветродвигатели с принудительным формированием набегающего на винт воздушного потока, которое достигается ограничением потока трубой и размещением винта внутри трубы.
Наиболее близким аналогом ветродвигателя предлагаемой ветроэлектроэнергетической установки является ветроэнергетическая установка (2), содержащая воздушный винт, установленный в наименьшем сечении горизонтальной аэродинамической трубы с открытыми и равными по величине входным и выходным сечениями, устройство ориентирования на направление действия ветра и другие вспомогательные устройства. В качестве нагрузки воздушного винта применен электрический генератор, ротор которого через мультипликатор состыкован с валом воздушного винта. Диаметр воздушного винта установки d=2,8 м, ометаемая винтом площадь f1=6,17 м2. Величина площади входного сечения f0=16 м2. Отношение площадей Δ1 = f0/f1, которое можно определить, как коэффициент концентрации плотности мощности ветровой энергии ветроэнергетической установки, будет равен:
Δ1= f0/f1= 16/6,17 = 2,6, ,
Известно размещение подобной ветроэнергетической установки на тороидальном привязном аэростате, внутренняя поверхность тора которого образует аэродинамическую трубу и на водном транспортном средстве, с механической передачей мощности воздушного винта на водяной винт.
Наиболее близким аналогом предлагаемой ветроэнергетической установки водного транспортного средства-ветрохода является известное устройство (3), ветродвигатель которого с воздушным винтом в цилиндрической трубе работает на водяной винт-движитель водного транспортного средства-яхты.
Недостатком известного устройства является необходимость применения воздушного винта ветродвигателя большого диаметра и использование трубы, практически, только как ограждения вращающегося воздушного винта.
Наиболее близким аналогом предлагаемой ветроэлектроэнергетической установки, размещенной на привязном тороидальном аэростате, является известное устройство (4). Известное устройство представляет собой привязной тороидальный аэростат, заполненный легким газом, внутренняя поверхность тора которого образует аэродинамическую трубу с открытыми входным и выходным сечениями, нормальными к оси трубы, в наименьшем круглом сечении которой размещен воздушный винт ветродвигателя с генератором. Площадь входного сечения трубы меньше площади ее выходного сечения, что является недостатком известного устройства, т. к. приводит к недоиспользованию всех площади поперечного сечения трубы для увеличения мощности ветродвигателя.
Все указанные известные устройства формируют набегающий на воздушный винт поток, а устройства (2) и (4) еще и концентрируют энергию ветра с большей площади входного сечения на меньшую по величин площадь, ометаемую винтом.
Кроме отмеченных, общим недостатком этих и других известных подобных устройств является малая величина коэффициента концентрации плотности мощности потока ветра на ометаемую винтом площадь Δ1 , что не позволяет положительным количественным изменениям перерости в качественные. Например, увеличение частоты вращения воздушного винта, как следствие концентрации энергии ветра на воздушном винте, не достигает величин, при которых возможен отказ от применения мультипликатора, при необходимости использования относительно высокоскоростных электрических генераторов и др. В устройстве по (3) вообще нет концентрации энергии, т.к. величина входного сечения трубы и ометемая винтом площадь одинаковы. Кроме того, для всех этих и других подобных устройств не определены условия получения и величина максимально возможной мощности, отбираемой воздушным винтом от набегающего потока ветра, а поэтому не оговариваются средства поддержания величины нагрузки воздушного винта на уровне максимально возможной мощности, т.е. нет адаптации нагрузки к максимально возможной мощности воздушного винта.
Все это не только снижает эффективность использования энергии ветра, но и, в ряде случаев, не позволяет получить возможный положительный результат. Например, в устройстве по (3), отмеченные недостатки не позволят водному транспортному средству-ветроходу перемещаться прямо против ветра, а значит судной с таким ветродвигателем не будет иметь никаких принципиальных преимуществ перед чисто парусным судном. Это объясняет тот факт, что идея замены паруса ветродвигателем, работающим на водяной движитель ветрохода, до сих пор еще не реализована, хотя будущее в использовании энергии ветра на водных транспортных судах, конечно, за ветродвигателем с воздушным винтом в аэродинамической трубе, работающим на водяной винт.
Задача изобретения - повышение до предельно возможного уровня эффективности работы и возможностей использования ветроэнергоустановок, уменьшения затрат на изготовление, монтаж и эксплуатацию за счет упрощения конструкции6 снижения метало и материалоемкости, уменьшения строительной высоты.
Изобретение поясняется фиг.1-2.
Ориентированная по направлению внешнего потока, открывая с обеих сторон аэродинамическая труба 1 (фиг. 1) имеет плавно изменяющийся по длине, без скачков и изломов, внутренний канал, в наименьшем круглом сечении которого размещен воздушный винт 2. Вход и выход трубы могут иметь любую, не обязательно круглую форму сечения. Вал воздушного винта соединен, либо с валом электрического генератора 3 напрямую или через редуктор 4, при использовании ветроэнергетической установки, как ветроэлектроэнергетической, либо через две угловые зубчатые передачи 5 и 6 с валом водяного винта-движителя 7, при использовании предлагаемой установки в качестве ветроэнергетической водного транспортного средства-ветрохода, либо только через одну угловую передачу 5 для привода водяного винта-насоса 8.
Вместо механической трансмиссии на водяной винт движителя или насоса может применяться электрическая трансмиссия - т.н. "синхронный электрический вал".
В трубе выделим четыре сечения:
0 - входное;
1I - наиболее близкое к плоскости вращения винта со стороны входа;
1II - наиболее близкое к плоскости вращения винта со стороны выхода;
2 - выходное.
Нагруженный вращающийся винт создает сопротивление движению потока воздуха внутри трубы так, что на входе в трубу в сечении 0 скорость потока V0 всегда меньше скорости потока V вне трубы, а полное давление воздушного потока p0 всегда больше статического давления p вне трубы за счет динамического повышения давления частично заторможенного воздушного потока в трубе. На выходе из трубы в сечении 2 скорость потока в трубе V2<V, и полное давление p2<p, т.к. движущийся с большей скоростью того же направления внешний поток на выходе создает дополнительное разрежение. Исходя из изложенного будем иметь полное давление в сечения
,
Сопротивление-упор трубы с винтом в целом будет равен:
,
Здесь:
f0, f2 - величина площади сечения на входе и выходе трубы.
Сила упора при f0=f2, а с учетом условия неразрывности (V0•f0=V2•f2) и при V0=V2, будет равна:
P = ρf0(v2-v
Уравнение Бернулли для сечений:
,
Разность давлений p1′-p1″ , в сечениях 1I - 1II (скачек давления на винте) составит:
Δp1= p1′-p1″= p0-p2+ρ•(v
Полное давление на обметаемую винтом площадь f1, -сопротивление-упор P1 собственно винта:
P1= Δp1′•f1= ρ•f1•(v2-v
,
Выражение для N имеет максимум при V0=V/ 
, или v
,
Для концентрации плотности мощности потока на винте, величина f1, ометаемой винтом площади в трубе должна быть в несколько раз меньше площади сечения трубы на входе: f0=f2 Δ1•f1 ,
Здесь:
Δ1 = f0/f1= 4-9 и более, -коэффициент концентрации плотности мощности ветроустановки.
Сравнивая Nmax на винте в трубе с Tmax свободного винт по (1) получим:
,
И для Δ1 =4-9 и более: Nmax/Tmax=(5,2-11,7) и более.
Если принять площадь f, ометаемую свободным винтом, равной f=f0=f2= Δ1•f1 , то и в этом случае Nmax будет в 1,299 раза больше Tmax.
Если перейти к реальной механической мощности, которую можно снять с винта и учесть существенное увеличение КПД винта в трубе, величину которого можно принять n1≥0,85, а для свободного винта n≤0,7, то отношение реальных механических мощностей в этом случае составит: Nm/Tm= Nmax•n1/Tmaxn≥ 1,299•0,85/0,7= 1,58. Поскольку задача обеспечения Tmax для свободно вращающегося винта до сих пор еще нерешена, то практический выигрыш по механической мощности предлагаемой установки будет еще более значителен.
О некоторых других, практический важных показателях предлагаемой ветроэнергетической установки, по сравнению с установкой со свободным винтом:
Осевой упор на единицу мощности:
Для винта в трубе
,
для свободного винта:
δт= F/Tmax= (4ρf•v2/9)/(8•ρ•f•v3/27) = 3/2•v, .
Отношение осевых упоров: для одной и той же мощности:
.
И для Δ1 = 4-9 и более δ = (0,289-0,128) и менее,
Мощность на винте N по (1) пропорциональна ( ≡ ) произведению диаметра d в пятой степени и кубу частоты вращения винта n N ≡ d5n3,
Для винта в трубе N1= d
Для свободного винта: T=d5•n3=f5/2• n3
Отношение мощностей: 
.
Отсюда:
Отношение частот вращения n1/n = (1,2991/8•Δ
И для Δ1 =4-9 и более n1/n=(3,48-6,81) и более.
Все другие, практически значимые показатели работы предлагаемой ветроустановки зависят от величины коэффициента концентрации плотности мощности
Δ1 = f0/1. Так по сравнению с показателями ветроустановки со свободным винтом, при изменении величины коэффициента концентрации плотности мощности Δ1 = f0/f1= 4-9 и более, аналогичные показатели предлагаемой ветроустановки изменяются:
- масса винта - до 0,289-0,128 и менее;
- гироскопический момент - до 0,018-0,0128 и менее;
- внутренние напряжения в материале винта - в 3-5,15 раза и более;
- центробежная сила неуправновешенной массы винта - до 0,187-0,064 и менее;
- наибольший прогиб конца лопасти - до 0,866-0,578 и менее;
- критическая частота вращения вала винта - в 2-3 раза и более.
Некоторые выводы из сравнительных показателей работы ветродвигателя с винтом в трубе и со свободно вращающимся винтом, ометаемая площадь которого равна площади входного сечения трубы:
- уменьшение осевого упора облегчает условия работы опорного узла, упрощает его конструкцию и снижает стоимость;
- увеличение частоты вращения позволит в большинстве случаев отказаться от мультипликаторов, повышающих частоту вращения винта до требуемой, что существенно упрощает и снижает стоимость изготовления и эксплуатации ветродвигателя. Кроме того, увеличение в несколько раз частоты вращения во столько же раз снижает величину приводного момента, развиваемого ротором;
- уменьшением массы винта еще в большей степени снижает стоимость его изготовления и эксплуатации;
- уменьшение гироскопического момента обеспечивает пропорциональное уменьшение нагрузки механизма поворота плоскости вращения винта при изменении направления ветра;
- увеличение внутренних напряжений - это единственный из рассмотренных показателей у винта в трубе хуже, чем у свободного винта. Однако, внутренние напряжения материала винта ветродвигателя на порядок меньше внутренних напряжений материала пропеллера при работе его на летательном аппарате, поэтому указанное увеличение внутренних напряжений не выходит за допустимый уровень. Кроме того, есть несколько способов уменьшения внутренних напряжений, возникающих при работе винт.
Остальные показатели свидетельствуют о существенном облегчении вибрационного режима, возникающего при работе ветродвигателя:
- уменьшение центробежной силы статически неуравновешенной массы снижает уровень вибраций;
- уменьшение прогиба конца лопасти с одновременным уменьшением ее массы и размеров уменьшает дополнительную динамическую неуравновешенность вращающегося винта;
- увеличение частоты вращения увеличивает частоту возникающих вибраций в большей мере, чем возрастает критическая частота вращения вала винта.
Все это облегчает создание высоко эффективной виброизоляции и делает возможным безмачтовое использование предложенного ветродвигателя на крышах отдельных зданий и сооружений не только промышленных, но и бытового назначения.
Соотношение частот вращения воздушного винта п1 и нагрузки пн.
Для ветродвигателя с электрогенератором.
Лучший вариант: п1=пн - допускает непосредственное соединение вала воздушного винта и ротора генератора.
Допустимый вариант: n1>nн - требует редуктора, понижающего частоту вращения винта.
Худший вариант n1<nн - требует мультипликатора, повышающего частоту вращения винта.
Для ветродвигателя с нагрузкой на водяной винт или водяной насос:
В этом случае без трансмиссии, в принципе, не обойтись. Как лучший вариант для механической передачи можно считать n1 ≥nн
Мощность, отданная водяным винтом потоку воды будет равна Nв=N1• ηв•η1 , или Nв/N1= ηв•η1 .
Здесь:
п1 и пв - КПД воздушного и водяного винтов, включая потери энергии в элементах трансмиссии.
Так как, мощность любого винта N= ρ •d5•n3, то:
Nв/N1= ρв•d
dв= d1[η1•ηв•(ρ/ρв)]0,2(n1/nв)0,6 .
Так как n1/nв=i - передаточное число передачи от воздушного на водяной винт. Поэтому окончательно будем иметь величину диаметра dв - водяного винта, адаптированного к максимально возможной мощности воздушного винта:
dв= d1•[η1•ηв(ρ/ρв)]0,2•i0,6 .
Наибольшее значение диаметра водяного винта будет при наибольшей величине (η1•ηв)max , которое будет при механической трансмиссии для привода водяного винта. Для одноступенчатых конических передач от вала воздушного винта на вал трансмиссии и от вала трансмиссии на вал водяного винта с КПД каждой 0,98 и верхним значением КПД воздушного и водяного винтов 0,85 величина (П1•Пв)
dвmax=d1•0,93•(0,125/102)0,2 i0,6=0,243•d1•i0,6
Нижнее значение диаметра адаптированного водяного винта будет при использовании электрической трансмиссии, дающей наименьшую величину (η1•ηв)min . Если принять наименьший КПД электрогенератора и электродвигателя такой трансмиссии, как 0,8 и наименьшую величину КПД воздушного и водяного винтов, как 0,75, то нижнее значение диаметра адаптированного винта будет равно:
dmin=d1•(0,8•0,75•0,8•0,75) 0,2••(0,125/102)0,2•i0,6=0,213• d1•i0,6/
Таким образом, диаметр водяного винта нагрузки, адаптированной к максимально возможной мощности воздушного винта, в любых режимах его работы должен находится в пределах:
dв=(0,213-0,243)•d1•i0,6
При работе свободно вращающегося водяного винта на месте, тяга-упор его по (1) будет равен: Pв=2•m•v=2 2•ρв•fв•v2 , а мощность, переданная водяным винтом потоку
Nв= N1′η1•ηв= m•v2/2 = ρв•fв•v3/2 . Отсюда v = (2•N1•η1•ηв/ρв•fв)1/3 и тяга водяного винта в этом случае будет равна: Pв= 2•ρв•fв•v2= 2•ρвfв•(2N•η1•ηв/ρв•fв)1/3 . Учитывая, что сопротивление-упор ветроустановки в целом равен P=2•p•f0•V2/3, то относительная величина упора водяного винта будет равна:
.
Но: fв/f0=(fв/f1)/(f1/f0)= =(f0/f1)/ Δ1 , а fв/f1=(dв/d1) 2= (0,243••i0,6)2. И, например, для i=1 (fв/f1)-0,2432=0,059 и fв/f0 = (fв/f1)/Δ1= 0,059/Δ1 , поэтому:
Pв/P= 18,46•(fв/f0)1/3= 18,46 0,0591/3/Δ
Работа водяного винта в насадке, особенно с изменяемой величиной выходного сечения, может увеличить это отношение еще в 2 и более раз.
Расчеты показали, что такое судно-ветроход может перемещаться по любому курсу по отношению истинного направления ветра с, практически, одинаковой скоростью, составляющей от абсолютной скорости ветра, примерно, 0,34-0,38.
Можно поэтому утверждать, что применение вместо парусов на водном транспортном средстве-ветроходе ветродвигателя в аэродинамической трубе с большой величиной концентрации плотности мощности потока ветра на воздушном винте, работающим в режиме максимально возможной мощности на водяной винт, позволит судну двигаться не только на острых к направлению ветра курсах - "крутой бейдевиндт", но и прямо против ветра - курсом "левентик", что принципиально недоступно ни одному чисто парусному судну, причем во многих случаях скорость против ветра такого судна будет наибольшей. Кроме того, расчетное сравнение эффективности создания тяги посредством парусов или водяным винтом, работающим от такого ветродвигателя, показало, что при относительной величине площади входного сечения трубы ветродвигателя, составляющей только 0,125 часть площади всех парусов чисто парусного судна на всех курсах, кроме "бакштаг", тяга водяного винта превышает общую тягу всех парусов. На курсе "бакштаг" одинаковую с парусами величину тяги водяному винту обеспечивает площадь входного сечения трубы ветродвигателя, равная 0,19-0,3 от общей площади парусов.
Настройка и управление парусами парусного судна требует больших знаний, мастерства и физических сил, часто сопряжено с неудобствами, особенно в ненастную погоду, поэтому даже опытные моряки не используют всех возможностей, предоставляемых ветром.
Управление судном-ветроходом с предлагаемой ветроэнергетической установкой сводится к ориентированию ветродвигателя на направление т.н. "вымпельного" ветра, т.е. на направление ветра относительно судна, что равноценно ориентированию неподвижной установки на истинное направление ветра и поддержание скоростного напора потока на входе или выходе из трубы на уровне 1/3 от величины скоростного напора ветра вне трубы, что, как было показано, автоматически обеспечивается применением водяного винта, адаптированного к максимально возможной мощности воздушного винта, диаметр которого должен отвечать приведенному выше соотношению.
Как частный случай применения предусмотрено использование водяного винта изменяемого шага (ВИШ) без ограничения величины его диаметра, а также его работу в насадках с нерегулируемой и регулируемой величиной выходного сечения.
Применение предложенной ветроэнергетической установки, как электроэнергетической, для запитывания электросетей, для обеспечения работы воздушного винта в режиме максимально возможной мощности, потребует регулирования отдаваемой генератором мощности по режиму сохранения скоростного напора потока на входе в трубу на уровне 1/3 от скоростного напора ветра вне трубы, т. е. потребует устройства адаптирования нагрузки к максимально возможной мощности воздушного винта.
Предлагаемая ветроэлектроэнергетическая установка, размещенная на аэростате (фиг. 2), содержит привязной тороидальный аэростат легче воздуха 1, внутренняя поверхность тора которого образует аэродинамическую трубу 2, формирующую поток воздуха. В наименьшем круглом сечении трубы размещен воздушный винт 3 и соединенный с его валом напрямую или через редуктор 4 ротор генератора 5. Аэростат через поводок 6 трос 7 и электрический кабель 8 связан с расположенными на земле или плавающем судне, обслуживающими системами. Аэростат заполнен легким газом с некоторым избыточным давлением, обеспечивающим устойчивость формы аэростата при динамическом воздействии ветра. Система поводков всегда ориентирует ось аэростата по ветру с расположением входного сечения спереди.
Как частный случай применения в вариантах ветроэлектроэнергетических установок предусматривается применение асинхронного генератора и синхронного компенсатора с пусковой, регулирующей и защитной аппаратурой по (5) при автономной работе ветроэлектроэнергетической установки или только одного асинхронного генератора при работе установки на централизованную систему электроснабжения.
Как частный случай применения, предусмотрено использование воздушного винта изменяемого шага и применение в воздушном винте струйно-щелевой лопасти по (6).
Источники информации.
1. Юрьев Б.Н. Воздушные винты. Госмашметиздат, 1933, Москва.
2. ЕПВ заявка N 0045202 F 03 D 1/04, 1982.
3. ЕПВ заявка N 0045202 F 03 D 1/04, 1982.
4. FR заявка N 2092851 B 63 H 13/00, 1972.
5. Заявка N 93-053617/07 (053494). Решение о выдаче патента 02 2 ДОМ 10.11.95 077519. Патент RU (11) 2073310 (13) C1 6 H 02 P 9/42, 1997.
6. Заявка N 93050451/11 (050571). Решение о выдаче патента 01 2 ДОМ 09.01.96. 11 26 02.
Область использования: изобретение относится к ветряным двигателям для привода электрических генераторов, винтов водяных движителей водных транспортных средств и др. Сущность изобретения: используемый ветродвигателем поток воздуха принудительно формируется аэродинамической трубой так, что скорость набегающего на винт установленного в узком сечении трубы потока многократно увеличивается по сравнению со скоростью потока на входе в трубу. Условием получения максимально возможной мощности от потока воздуха является одна и та же величина входного и выходного сечений трубы и определенное геометрическое соотношение между диаметрами воздушного и водяного винтов. 3 с. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
dв (0,213 0,243) • d • i0,6,
где i передаточное число передачи от воздушного винта на водяной винт;
d диаметр воздушного винта.
