ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ ВНИП-2У Российский патент 1998 года по МПК F03D3/04 

Данная разработка относится к ветроэнергетике и касается ветродвигателей с направляющими устройствами для воздушного потока. Иначе говоря, захват горизонтальных течений при рабочем направлении снизу вверх.

Известен проект ветродвигателя "ВНИП-2". Того, что содержит вытяжную башню с нижним кольцевым воздухозаборником, включающим спиральные каналы и сопряженным с башенным трактом при помощи раструба этой башни, а также воздушную турбину на вертикальном валу в упомянутом тракте и эжектирующий оголовок. Последний охватывает вершину башни-трубы своими каналами. Они одинаковы, суживаются во всех румбов к оси башенного тракта и изогнуты выходными участками кверху. Словом, встречаются со стенками трубы под весьма острым углом.

Турбина этого ветряка вращается под воздействием напора воздушного вихря снизу и разрежения среды, образуемого ветровым эжектором на верху двигателя. Ветряк совсем не имеет подвижных частей снаружи и дает возможность вырабатывать электроэнергию при шквалах, крепком ветре и в штормовую погоду. Эксплуатация такой машины чрезвычайно проста (а.с. SU, N 1657723, 1989 г., по кл. F 03 D 3/04).

Недостаток описанного проекта - аналога? Подветренные каналы воздухозаборника бездействуют. Отсюда немалая доля энергии ветра при контакте с конструкцией не утилизируется. Для поддержания требуемой частоты вращения ротора электрогенератора отпадает вероятность использования даже свежего ветра. К тому же, слишком острый угол встречи каналов эжектора со стенками башни мало способствует работе двигателя и только увеличивает лобовое сопротивление оголовка.

Чтоб хоть частично снять проблему, был создан второй проект рассмотренного ветродвигателя. Усовершенствованию здесь подвергся кольцевой заборник. Были введены пластинчатые выступы и направляющее кольцо. Расположено оно снаружи башенного раструба, концентрично последнему и связано с ним при помощи указанных пластин. Эти пластинчатые выступы имеют серповидный профиль, а кольцо своей вогнутой, струеповоротной стороной и пластинами охватывает кромку раструба, которая тут выполнена скругленной. И еще.

Пластины выставлены равномерно по кругу и в плоскостях, радиальных к оси башенного тракта. Пластинчатые выступы плавно подстыкованы к вертикальным перегородкам заборника... А что в результате? Ветер захватывается не только фронтальными каналами. Некие воздушные токи стали затекать и в подветренные спиральные проходы. Способствует этому то, что верхний торец поворотного кольца возвышен над скругленной кромкой раструба, а нижний торце разделяет входную решетку упомянутых каналов на два яруса.

Перепад давлений на турбинных лопатках увеличивается и выравнивается по времени ветровых дуновений. Возникает возможность утилизировать энергию не только свежего ветра, но и умеренного. Воспринимать дуновения с любого румба, причем автоматически и без всякого рода поворотных механизмов. (а.с. SU, N 1765492, 1990 г., по кл. F 03 D 3/04).

К недостатку проекта - прототипа следует отнести неспособность крупного двигателя вырабатывать электроэнергию как при слабых ветрах, так и безотказно утилизировать силу верховых потоков атмосферного воздуха во время урагана. Почему? Из-за трудности подъема холодных воздушных масс в вертикальном тракте большой высоты. Уж слишком много энергии восходящего вихря тратится при этом.

Другими словами - чем крупней ветряк ВНИП-2, тем меньше соотношение его высотного размера к диаметральному габариту. Что этому способствует? Весьма небольшая равномерность и плотность энергий в каналах поворотного кольца. Тем паче, что наветренный сектор последнего не работает вовсе! А кроме того? Оголовок известной компоновки чрезмерно громоздок и обладает очень плохой обтекаемостью. Значит? Лобовое сопротивление эжектора на высоте, где ураганный ветер особо силен, возрастает до опасных значений ...

Двигатель же ориентирован преимущественно именно на такие воздушные течения, на большие мощности. На комбинирование с солнечными элементами, которые удобно размещать вокруг башенного ствола между заборником и оголовком. Очевидно, что решать эти проблемы лучше комплексно.

Итак, целью настоящей разработки является увеличение коэффициента использования энергии ветра и надежности двигателя ВНИП-2. Расширение диапазона действия и мощности на ветрах, как слабых, так и ураганных, путем подъема масс холодного воздуха в башенном тракте одновременно на два высотных уровня. С тем, чтоб частично разгрузить оголовок, сделать его менее громоздким. С тем, чтобы интенсифицировать работу поворотного кольца.

Цель достигается посредством ветродвигателя ВНИП-2, содержащего вытяжную башню-трубу с нижним воздухозаборником, у которого струеповоротные спиральные каналы сообщены с вертикальным башенным трактом при помощи раструба, воздушную турбину на вертикальном валу в этом тракте и эжектирующий оголовок, охватывающий вершину трубы своими каналами, суживающимися со всех румбов к оси башенного тракта, изогнутыми выходными участками кверху и встречающимися этими участками под острым углом.

Предусмотрено в названном ветряке и направляющее кольцо. Оно выполнено с серповидным струеповоротным профилем на вогнутой стороне и охватывает скругленную кромку раструба. При этом соединено кольцо с раструбом и спиральными каналами радиальными к турбинному валу выступами вертикальных перегородок того воздухозаборника. Причем верхний торец кольца возвышен над скругленной кромкой раструба, а нижний торец разделяет входную решетку спиральных каналов на два яруса.

Отличается ветродвигатель тем, что его вытяжная башня выполнена со вторым выходом. Расположено же раздвоение башенного тракта на уровне, возвышающемся над турбиной. При этом башня составлена из внутреннего диффузора, сопряженного с верхним срезом раструба, из оголовочной трубы, которая по диаметру меньше диффузора, и еще вогнутовыпуклой обечайки, охватывающей диффузор с круговым зазором и своим выпуклым ярусом сопряженной с нижним поясом оголовочной трубы тангенциально. Причем вогнутый ярус обечайки с помощью вертикальных и расположенных радиально к валу пластин опирается на вогнутую поверхность раструба и вместе с ней образует выходную щель-дюзу. Эта круговая дюза цилиндрическим срезом обращена к входной решетке направляющего кольца.

При этом кромка верхнего торца диффузора скруглена, а кромка нижнего среза оголовочной трубы заострена и заглублена в тракт указанного диффузора. Причем кромка диффузорного торца скруглена сильней, чем кромка раструба. Угол же встречи каналов оголовка со стенкой трубы больше угла сопряжения нижнего пояса упомянутой трубы с обечайкой. При этом выходная щель по внешнему диаметру меньше раструба, а по высотному размеру уступает возвышению верхнего торца кольца над скругленной кромкой раструба. Причем кольцевой тракт, образованный зазором между диффузором и обечайкой, по живому сечению и высоте меньше оголовочной трубы. Незначительно!
Работает двигатель так. Ветровые токи вторгаются в окна входных решеток как заборника, так и эжектирующего оголовка. Причем, если эжектор тут срабатывает под воздействием верхних атмосферных течений и лишь каналами наветренного сектора, то заборник подставляет под околоземные потоки еще и подветренные входы. Словом, и те входы, что фронтальны, и те, которые у прототипа находились в тени.

Воздушные струи, покидающие наветренные каналы оголовка, образуют здесь скоростной "козырек", отсасывающий среду из тракта трубы. Увеличенный наклон каналов эжектора способствует процессу. Струи ж воздуха, закрученные на входе в турбину, быстро вращают колесо последней. Стекая с турбинных лопаток в виде остаточного вихря, они распределяются по обоим трактам выхода. Центральная воздушная масса взмывает ввысь по оголовочной трубе. Периферийные ж завихрения затекают в кольцевой зазор. В тот, что - между диффузором и обечайкой. Потери ____→ 0.
При этом крутка токов воздуха с приближением к дюзе усмиряется. В том числе и посредством радиальных пластин. В результате этого на входе буквально всех поворотных каналов кольца создается легкий наддув. Причем при слабых ветрах щелевая дюза генерирует эжектирующие струйки. Они подсасывают окружающую среду в "затененные" спиральные каналы.

Второй выход башенного тракта с направлением вниз частично разгружает оголовок от ураганных ветров и интенсифицирует работу. Причем не только эжектора, но и направляющего кольца. По другому говоря, полюс ветровых нагрузок на конструкцию тут снижен! Двигатель обретает способность улавливать наиболее скоростные верховые ветры без ущерба для своей надежности. Диапазон ветроиспользования расширен. От слабых дуновений до урагана. Причем без помощи других энергоисточников. Данная компоновка не исключает взаимодействия заборника с кольцевой камерой переброса ветровых токов в теневую зону направляющего кольца (см. заявку N 9-3027450).

Конструктивная схема представлена на чертеже. Общий вид ветряка - на фиг. 1. Фиг. 2 иллюстрирует узел, состоящий из обечайки и ее пластин. Двигатель содержит вытяжную башню с воздухозаборником 1 (фиг. 1)внизу и турбину 2. Заборник 1 оснащен направляющим кольцом 3. турбина ж своим валом сцеплена с электрогенератором 4. Башня на нижнем уровне составлена из раструба 5, диффузора 6, что возвышен над раструбом, и вогнуто-выпуклой обечайки 7 (см. фиг. 1 и 2).

Обечайка охватывает диффузор с круговым зазором "в" и посредством пластин 8 скреплена с раструбом, образуя круговую дюзу "д". Вверху башня представлена трубой 9, которая нижним поясом соединена с выпуклым ярусом обечайки. Верхняя часть трубы несет эжектирующий оголовок 10. Он уменьшен. Угол α, образованный путем встречи каналов оголовка с трубой, в два раза больше угла β. Последний образован между краем выпуклости обечайки и поясом оголовочной трубы. И еще.

R > r,
где
r - радиус скругления кромки раструба,
R - радиус скругления кромки внутреннего диффузора.

Необходимость этого требования обуславливается тем, что второй выход башенного тракта, как и первый, не должен создавать турбине подпора. Чтоб живое сечение кольцевого тракта определялось исключительно круговой дюзой "д".

Ветер при этом взаимодействует с башней двигателя в четырех прежних уровнях. Направление набегающих воздушных токов обозначено на фиг. 1 светлыми стрелками "е". Вторгаясь в каналы заборника 1, струи ускоряются, закручиваются и тем самым вращают турбинное колесо 2.

Далее направление токов указано сплошными черными стрелками "д". Причем воздух, оказавшийся в тракте "в", вторгается в щелевую дюзу "д". Тем временем козырьковая струя "к" оголовка 10 эжектирует среду из трубы 9 по стрелке "м". Из круговой же щели струйки "и" затекают в поворотные каналы кольца 3. Не только с подветренной стороны, но и в каналы фронтального сектора.

Это создает условия для усиления вихря на входе в турбину, что особо существенно при слабом ветре. А при урагане? Относительно небольшой и более обтекаемый оголовок не будет создавать значительного лобового сопротивления. Оголовочная труба сможет подыматься ввысь без опасений. Как по части прочности, так и относительно подпора со стороны турбинного выхода. Словом, диапазон работы ветряка расширяется.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям с направляющими устройствами для воздушного потока. Вытяжная башня имеет два выхода и составлена из внутреннего диффузора, который содержит турбину и установлен на верхнем срезе раструба, что внизу башенного тракта, из оголовочной трубы и вогнутовыпускной обечайки. Последняя охватывает диффузор с круговым зазором и своим выпуклым ярусом тангенциально сопряжена с нижним поясом оголовочной трубы. При этом угол встречи эжектирующих каналов оголовка со стенками трубы больше угла сопряжения нижнего пояса трубы с обечайкой. Вогнутый же ярус обечайки с помощью вертикальных радиально расположенных к турбинному валу пластин опирается на вогнутую поверхность раструба и вместе с ней образует выходную щель. Эта кольцевая дюза своим срезом обращена к входной решетке направляющего кольца воздухозаборника. Ветряк обретает наддув не только каналов тыльного сектора направляющего кольца, а наддуваются и те каналы, что находятся с фронтальной стороны. Этот наддув открывает возможность утилизировать энергию самых слабых ветров. Оголовок уменьшается в размерах и становится более обтикаемым. Это важно на случай шквала, штормовой погоды, жестокого урагана. Изобретение позволяет увеличить коэффициент использования ветра. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ветродвигатель ВНИП-2у, содержащий вытяжную башню-трубу с нижним воздухозаборником, у которого спиральные каналы сообщены с вертикальным башенным трактом с помощью раструба, воздушную турбину на вертикальном валу в том же тракте и эжектирующий оголовок, охватывающий вершину трубы своими каналами, изогнутыми выходными участками кверху и встречающимися этими участками со стенками башни под острым углом, а также направляющее кольцо с серповидным струеповоротным профилем на вогнутой стороне, охватывающее скругленную кромку раструба и соединенное с последним и спиральными каналами посредством радиальных к турбинному валу выступов вертикальных перегородок заборника, причем верхний торец кольца возвышен над скругленной кромкой раструба, а нижний разделяет входную решетку спиральных каналов на два яруса, отличающийся тем, что вытяжная башня выполнена с вторым выходом, а раздвоение башенного тракта по такой причине осуществлено на уровне, возвышающемся над турбиной, при этом башня составлена из внутреннего диффузора, сопряженного с верхним срезом раструба, из оголовочной трубы, которая по диаметру меньше диффузора, и вогнуто-выпуклой обечайки, охватывающей диффузор с круговым зазором и своим выпуклым ярусом сопряженной с нижним поясом оголовочной трубы тангенциально, причем вогнутый ярус обечайки с помощью вертикальных радиально расположенных к валу пластин опирается на вогнутую поверхность раструба и вместе с ней образует выходную щель-дюзу, которая цилиндрическим срезом своим обращена к входной решетке направляющего кольца. 2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что указанная щель-дюза представлена круговой, причем по внешнему диаметру дюза меньше раструба и по высотному размеру уступает возвышению верхнего торца направляющего кольца над скругленной кромкой раструба, при этом кромка верхнего торца диффузора скруглена, а кромка нижнего среза оголовочной трубы заострена и заглублена в тракт упомянутого диффузора, причем кромка диффузорного тракта скруглена сильней, чем кромка раструба, угол же встречи каналов оголовка со стенкой трубы больше угла сопряжения нижнего пояса указанной трубы с обечайкой.