РОТОРНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1999 года по МПК F03D7/02 

Изобретение относится к механике, в частности к конструированию и производству ветроэнергетических установок для использования в различных областях хозяйственной деятельности человека, для индивидуальных нужд также при использовании в промышленных электросетях.

Известны вертроэнергетические установки (ВЭУ), содержащие ветроколесо с рабочими роторами в форме полых приводных цилиндров, установленное на горизонтальном валу отбора мощности и размещенное на поворотной головке, шарнирно установленный на полой опоре, при этом вал отбора мощности ветроколеса кинематически связан, например, посредством дифференциала с электромашиной двигатель-генератор (заявка Франции N 2368618, МКИ F 03 D 1/00, 1078). В других аналогичных известных ВЭУ роторы снабжены концевыми диафрагмами (патент СССР N 10198, МКИ F 03 D 7/02, 1927).

Известные конструкции обладают недостаточной надежностью и низким коэффициентом использования мощности ветрового потока. В связи с тем, что у ВЭУ (Франция) отсутствие концевых диафрагм приводит к потере до двух третей коэффициента использования мощности ветрового потока, а по патенту N 10198 на цилиндрической образующей ротора наблюдается градиент давления воздушного потока, что также приводит к снижению коэффициента использования мощности ветрового потока.

Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является роторная ветроэнергоустановка (патент СССР N 4570, МКИ F 03 D 7/02, 1922 г.) (РВЭУ), содержащая ветродвигатель, ветровое колесо которого с горизонтальным валом отбора мощности имеет радиально расположенные роторы с концевыми диафрагмами, согласно изобретению конусы роторов обращены меньшими основаниями к валу отбора мощности, а большими основаниями к периферии ротора и могут быть выполнены в продольном сечении эллипсоидного профиля.

Недостаток прототипа, так же как и известных аналогов, заключается в низком значении коэффициента использования мощности ветрового потока в связи с ненаправленным распределением давления воздушного потока по длине ротора ветроколеса.

В основу заявленного изобретения положена задача повышения коэффициента использования ветрового потока в предлагаемой конструкции РВЭУ.

Поставленная задача достигается тем, что в роторной ветроэнерегической установке (РВЭУ), содержащей ветродвигатель, ветровое колесо которого с горизонтальным валом отбора мощности имеет радиально расположенные конусообразные роторы, согласно изобретению роторы снабжены концевыми диафрагмами, их конусы обращены большими основаниями к валу мощности, а меньшими основаниями - к периферии ротора и выполнены с углом конусности в пределах α = 2-4^o.
Конструктивно, чтобы в РВЭУ длина радиуса ветрового колеса от оси вращения вала отбора мощности до большего диаметра ротора была связана с длиной ротора следующим соотношением
P_к = (0,6 - 0,9)H_р
где P_к - длина части радиуса ветрового колеса;
H_р - длина ротора.

Возможно также, чтобы в РВЭУ ротор был разделен на части по меньшей мере одной дополнительной разделительной диафрагмой, расположенной на теле ротора между концевыми диафрагмами.

Предпочтительно, чтобы в РВЭУ части тела ротора, разделенные разделительной диафрагмой, имели различные углы конусности, величина которых уменьшается от центра ветроколеса к периферии ротора.

Технологично, чтобы в РВЭУ части тела ротора были выполнены с возможностью автономного вращения вокруг продольной оси ротора и друг относительно друга.

Вариантно, чтобы в РВЭУ боковая поверхность ротора была выполнена с различными значениями высоты шероховатости, величина абсолютного значения которой возрастает от периферии к серединному участку тела ротора.

Применительно, чтобы в РВЭУ концевые диафрагмы в диаметральном сечении были выполнены ∫- образного профиля.

Изобретение поясняется чертежом, где на
фиг. 1 представлен общий вид РВЭУ;
фиг. 2 - вариант исполнения ротора;
фиг. 3 - зависимость мощности РВЭУ от угла конусности;
фиг. 4 - зависимость мощности от соотношения радиуса ветрового колеса с длиной ротора.

Роторная ветроэнергетическая установка по фиг. 1 содержит ветродвигатель 1, ветровое колесо 2 которого с горизонтальным валом 3 отбора мощности имеет, смонтированные посредством радиальных несущих опор 4, радиально расположенные конусообразные роторы 5 с концевыми диафрагмами 6. При этом конусы 7 роторов 5 обращены большими основаниями 8 к валу 3 отбора мощности, а меньшими основаниями 9 - к периферии ротора 5 и выполнены с углом конусности в пределах α = 2-4^o. Вал 3 отбора мощности через подшипниковые опоры 10, редуктор мультипликатор 11 кинематически связан с генератором 12 электромашины.

Ветродвигатель 1 посредством поворотной головки 13 смонтирован на опоре 14 с возможностью вращения в режиме флюгера. Длина радиуса P_к ветрового колеса 1 от оси О-О вращения вала 3 отбора мощности до большего диаметра 8 ротора 4 связана с длиной H_р ротора 5 следующим соотношением:
P_к = (0,6 - 0,9)H_р
где P_к - длина части радиуса ветрового колеса;
H_р - длина ротора.

Ротор 5 разделен на части по меньшей мере одной дополнительной разделительной диафрагмой 15 (по фиг. 2 вариант исполнения ротора 5 с двумя разделительными диафрагмами), расположенной на теле ротора 5 между концевыми диафрагмами 6.

Части тела ротора 5, разделенные разделительной диафрагмой 15, могут быть выполнены с различными углами α1, α2, α3 конусности, величина которых уменьшается от большего основания 8 к периферии ротора 5. Роторы 5 снабжены приводами 16 вращения ротора 5, при этом возможен вариант исполнения, в котором части тела ротора 5, разделенные диафрагмами 15, могут быть выполнены с возможностью автономного вращения вокруг продольной оси О1-О1 ротора 5 и друг относительно друга посредством автономных приводов 16. Для улучшения аэродинамических характеристик боковая поверхность 17 ротора 5 выполнена с различными значениями высоты шероховатости, величина абсолютного значения которой возрастает от его периферии 8, 9 к центральному серединному участку 18 тела ротора 5. Для повышения стационарности аэродинамических характеристик ротора 5 вдоль его образующей поверхности, концевые диафрагмы 6 в диаметральном сечении выполнены ∫ - образного профиля, плавно сопряженного с большим 8 и меньшим 9 основаниями ротора 5 и с образующей конической поверхности ротора 5.

Работу роторной ветроэнергетической установки осуществляют следующим путем. На основании показаний метеостанции включают приводы 14 вращения роторов 5 вокруг собственной оси, вследствие чего, на основании эффекта Магнуса, вокруг образующей поверхности ротора 5 осесимметричное поле собственного воздушного потока взаимодействует с набегающим ветровым потоком, при этом точка отрыва набегающего потока смещается с тыльной стороны образующей роторов 5 на боковую сторону образующей по отношению к фронту набегающего потока В связи с чем возникает подъемная сила вращения ветроколеса вокруг собственной оси. При достижении ветроколесом 1 скорости, соответствующей генераторному режиму генератора 12, включают возбуждение последнего и осуществляют выработку электрической энергии, которую подают или в электросети, или непосредственно потребителю энергии.

Проведенные авторами аэродинамические испытания заявленной и известных РВЭУ иллюстрируются графиками фиг. 3 и фиг. 4, из которых следует, что при конструировании РВЭУ с конусообразными роторами 5(α = ±3^o) и цилиндрическими роторами, показатель мощности (P%) наиболее низкое значение имеет для роторов 5 конусообразных, обращенных большими основаниями к периферии ветроколеса 2 (правая часть графика относительно оси Y при (α = +3^o).
По сравнению с роторами цилиндрической формы (α = 0^o) конструкция конусообразных роторов по изобретению (α = -3^o - левая часть графика фиг. 3), обеспечивает прирост показателя мощности (P%) РВЭУ более 30%.

Сравнительные испытания РВЭУ (фиг. 4) известных и заявленной конструкции роторов показали, что оптимальное значение параметра соотношения радиуса P_к ветрового колеса 2 к длине H_р ротора 5 равно 0,75 и лежит в интервале (0,6 - 0,9). При этом показатель мощности (P%) приближается к 100%.

Применение в заявленной конструкции ротора 5 концевых диафрагм 6 в диаметральном сечении, выполненных ∫- образного профиля, способствует, как показали натурные испытания, устранению перетока воздушного потока по торцам ротора 5 из более высокой области давление в более низкую область давления, что также направлено на повышение коэффициента использования мощности воздушного потока.

Конструирование ротора 5 с применением дополнительных разделительных диафрагм 15 позволяет по сравнению с известными конструкциями стабилизировать процессы перетока воздушного потока вдоль образующей конусообразной поверхности ротора 5.

Деление ротора 5 разделительными диафрагмами 15 на части 19 с приводами 16 с возможностью автономного вращения частей 19 друг относительно друга обеспечивает постоянство линейной скорости воздушного потока в зоне, прилегающей к конической образующей поверхности вращения ротора 5. Вращение частей 19 ротора 5 с рассогласованием окружных скоростей ω1, ω2, ω3 для различных радиусных участков роторов 5 позволяет достигнуть постоянства линейных скоростей V1, =V3, =V3 = ω1•R1,= ω2•R2=, ω3•R3. Такое выполнение роторов 5 позволяет организовать на поверхности ротора 5 возможность управления распределением воздушного потока и варьировать величиной его давления вдоль образующей поверхности конуса ротора 5.

Для улучшения аэродинамических характеристик ротора 5 и в целом ветроколеса 2 боковая поверхность 17 ротора 5 может быть выполнена с градиентом высоты шероховатости (от значения в микронах до значения в миллиметрах). Одним из вариантов выполнения шероховатости в серединной зоне ротора 5 может быть чешуйчатая поверхность с регулируемой высотой чешуй и возможностью изменения их угла наклона к плоскости касательной к конической поверхности ротора 5 как в сторону вращения ветроколеса, так и в сторону, противоположную направлению вращения ротора 5. Выполнение на поверхности ротора 5 шероховатости такой конструкции позволит также управлять крутящим моментом ветроколеса 2. Чешуи 20 могут быть конструктивно выполнены в виде жалюзи, с возможностью поворота рядов чешуй 20 (ось каждого ряда чешуй параллельна оси ротора 01 - 01) относительно конической образующей боковой поверхности ротора 5.

Как следует из анализа признаков заявленного изобретения, каждый из них в отдельности и все вместе направлены на повышение коэффициента использования мощности ветрового потока, ометаемого ветроколесом 2.

На дату подачи заявки роторная ветроэнергетическая установка изготовлена в металле в натуральную величину и проходит промышленные испытания.

Изобретение относится к механике, в частности к конструированию и производству ветроэнергетических установок для использования в различных областях хозяйственной деятельности человека, для индивидуальных нужд, а также при использовании в промышленных электросетях. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования ветрового потока и достигается тем, что роторная ветроэнергетическая установка содержит ветродвигатель, ветровое колесо которого с горизонтальным валом отбора мощности имеет смонтированные посредством радиальных несущих опор радиально расположенные конусообразные роторы с концевыми диафрагмами, при этом конусы роторов обращены большими основаниями к валу отбора мощности, а меньшими основаниями - к периферии ротора и выполнены с углом конусности в пределах α = 2-4^o.. Длина радиуса ветрового колеса от оси вращения вала отбора мощности до большего диаметра ротора связана специальным соотношением, сам ротор разделен на части одной дополнительной разделительной диафрагмой, расположенной на теле ротора между концевыми диафрагмами, причем части тела ротора имеют различные углы конусности, величина которых уменьшается от центра ветроколеса к периферии ротора. Части тела ротора выполнены с возможностью автономного вращения вокруг продольной оси ротора и друг относительно друга, а также боковая поверхность ротора выполнена с различными значениями высоты шероховатости в зависимости от движения от периферии к серединному участку тела ротора, а концевые диафрагмы в диаметральном сечении выполнены ∫--образного профиля. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Роторная ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель, ветровое колесо которого с горизонтальным валом отбора мощности имеет радиально расположенные конусообразные роторы, отличающаяся тем, что роторы снабжены концевыми диафрагмами, их конусы обращены большими основаниями к валу отбора мощности, а меньшими основаниями - к периферии ротора и выполнены с углом конусности в пределах α = 2-4^°,
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что длина радиуса ветрового колеса от оси вращения вала отбора мощности до большего диаметра ротора связана с длиной ротора следующим соотношением:
Р_к = (0,6 - 0,9)Н_р,
где Р_к - длина части радиуса ветрового колеса;
Н_р - длина ротора. 3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ротор разделен на части по меньшей мере одной дополнительной разделительной диафрагмой, расположенной на теле ротора между концевыми диафрагмами. 4. Установка по п. 3, отличающаяся тем, что части тела ротора, разделенные разделительной диафрагмой, имеют различные углы конусности, величина которых уменьшается от центра ветроколеса к периферии ротора. 5. Установка по п.3 или 4, отличающаяся тем, что части тела ротора выполнены с возможностью автономного вращения вокруг продольной оси ротора и друг относительно друга. 6. Установка по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что боковая поверхность ротора выполнена с различными значениями высоты шероховатости, величина абсолютного значения которой возрастает от периферии к серединному участку тела ротора. 7. Установка по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что концевые диафрагмы в диаметральном сечении выполнены ∫-образного профиля.