СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОТБОРОМ МОЩНОСТИ ВЕТРОВОГО ПОТОКА И ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2002 года по МПК F03D3/00 

Изобретение относится к механике, к области конструирования ветро-энергетических установок, и может быть использовано в различных областях хозяйственной деятельности.

Известен способ управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроколесом ветроэнергетического устройства (ВЭУ) в зависимости от скорости набегающего ветрового потока путем изменения скорости вращения ротора ветроколеса (1).

Известный способ технологически трудно выполним, обладает малой достоверностью и низким коэффициентом использования мощности ветрового потока.

Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является способ управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроколесом ветроэнергетического устройства, включающий изменение частоты вращения ветроротора в зависимости от скорости свободного воздушного потока, при этом в процессе осуществления способа производят изменение угла поворота-атаки лопасти ветротора относительно его продольной оси (2).

Известный способ обеспечивает постоянство подъемной силы на лопастях ветротора.

Недостаток известного способа проявляется в том, что он не обеспечивает оптимизации набегающего ветрового потока и, следовательно, снижает возможности выбора оптимального значения мощности ветродвигателя ВЭУ.

Известны конструкции ветроэнергетических устройств, содержащих ветроротор цилиндрической и конической формы с вертикальной осью вращения и прямыми лопастями, имеющий, по меньшей мере, две лопасти каплевидного аэродинамического сечения и генератор, кинематически связанный через редуктор с осью вращения ветроротора (1).

Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, является ветроэнергетическое устройство с ветроротором Дарье, имеющем вертикальную ось вращения с двумя и более лопастями, изогнутыми вдоль вертикальной плоскости и профилем каплевидного аэродинамического сечения. Лопасти образуют пространственную овальную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока (2).

Достоинство известного устройства в достаточно высоком значении коэффициента использования энергии ветра до 0,30-0,35 при высоких рабочих скоростях ветра. Кроме того, ветродвигатели Дарье кинематически не нуждаются в механизме ориентации на ветер.

Недостаток известной конструкции связан со значительными изменениями условий обтекания лопасти потоком за один оборот ветроротора с цикличностью в процессе эксплуатации, достигающей миллиона раз. Это приводит к снижению надежности в связи с резким переходом вертикальной лопасти из зоны ламинарного ветрового потока в зону турбулентности за ветроротором, что сопровождается явлением одиночных рывков при малых оборотах ветроротора с последующим по мере увеличения оборотов возникновением автоколебаний, приводящих к резонансному разрушению как элементов ветроротора, так и корпуса редуктора, опоры или фундамента ветроустановки, что в конечном итоге приводит к снижению производительности ВЭУ.

В основу изобретения положена задача увеличения производительности ветроротора, повышения надежности и конструктивной прочности ветроротора и устройства в целом путем создания вихревого потока во внутреннюю полость ветроротора, обеспечивающего подтягивание ветрового потока внутрь конструкции ветроротора по принципу турбинного ветронасоса, а также плавного перехода лопасти от наветренной зоны к подветренной относительно ВЭУ.

Поставленная задача достигается также тем, что в способе управления отбором мощности ветрового потока ометаемого ветроротором ветроэнергетического устройства, включающем дополнительное формирование вихря уплотненного по своему периметру в зоне, примыкающей к ветроротору, согласно изобретению вихрь формируют геликоидными непрерывными ветровыми струями по периметру ветротора от наветренной к подветренной зоне ветрового потока ометаемого ветроротором.

Технологично, чтобы в способе на выходе осевой зоне вихря во внутреннюю полость ветроротора принудительно создавали бы разрежение, а с наветренной стороны в зоне фронта вихря, т. е на входе во внутреннюю полость ветроротора, образуют принудительный подсос воздушной массы с разрежением вдоль оси вихря.

Предпочтительно, чтобы в способе с наветренной стороны фронт вихря, образующий дополнительный подсос воздушной массы вдоль оси ветроротора, направляют под углом к оси ветрового потока.

Применяют также в способе дополнительное подсасывание воздушной массы вдоль оси вихря путем принудительного формирования вихря в форме геликоидных струй в вихревую воронку, управляемую по диаметральным и осевым параметрам.

Поставленная задача достигается также и тем, что в ветроэнергетическом устройстве для осуществления способа, содержащем горизонтальное основание, ветроротор с вертикальной осью вращения, имеющий, по меньшей мере, две лопасти аэродинамического сечения, генератор, кинематически связанный через редуктор с валом ветроротора, согласно изобретению вертикальная ось вращения ветроротора образует тупой или острый угол с плоскостью горизонтального основания, а лопасти аэродинамического сечения выполнены желобчатого профиля с винтовой круткой вокруг вала ветроротора и имеют форму геликоида вращения, т. е. в виде профильного желобчатого геликоида вращения.

Задача достигается также и тем, что лопасти аэродинамического сечения желобчатого профиля выполнены в форме пространственного цилиндроида вращения.

Одним из вариантов достижения задачи является то, что лопасти аэродинамического сечения желобчатого профиля выполнены в форме пространственного конусоида вращения.

Предпочтительно, чтобы в ветророторе в плоскости комлевого основания и в плоскости периферийного основания цилиндроида и/или конусоида вращения были бы смонтированы, соответственно, два ветроколеса с лопастями каплевидного аэродинамического сечения.

Конструктивно, чтобы в ветророторе лопасти цилиндроида и/или конусоида вращения были бы кинематически связаны с лопастями каплевидного аэродинамического сечения посредством шарниров.

Технологично, чтобы лопасти двух ветроколес были бы снабжены средством изменения угла наклона продольной оси лопасти ветроколеса к вертикальной оси вращения ротора.

Предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, одно из ветроколес было бы снабжено средством углоповорота ветроколеса относительно оси вращения ветроротора.

Вариантно, чтобы, по меньшей мере, одно из ветроколес было бы снабжено средством поступательного перемещения ветроколеса вдоль оси вращения ветроротора.

Изобретение поясняется чертежом, где на
фиг. 1 - общий вид ВЭУ с конусоидальным ветроротором вертикальной оси вращения;
фиг. 2 - общий вид ВЭУ с цилиндроидным ветротором на угловой оси вращения;
фиг. 3 - схема фронта ветрового потока, ометающего желобчатую лопасть;
фиг. 4 - схема ветрового потока за желобчатой лопастью;
фиг. 5 - схема регулирования конусоидного ветроэнергетического устройства (на фиг. 5 - нижняя часть схемы вида "прямо");
фиг. 6 - схема регулирования цилиндроидного ветроэнергетического устройства (на фиг. 6 - верхняя часть вида повернуто).

Ветроэнергетическое устройство (ВЭУ) с горизонтальным основанием 1 содержит ветроротор 2 с вертикальной осью вращения, имеющий, по меньшей мере, две лопасти 3, 4 аэродинамического желобчатого сечения, смонтированные в комлевой и верхней плоскостях вращения ветроротора 2 посредством двух пар ветроколес 5 и 6, имеющих лопасти 7 и 8 каплевидного аэродинамического сечения на составном валу 9 отбора мощности ветроротора, кинематически связанного, например, через формирователь 10 геликоида, карданную передачу 11, редуктор 12 с генератором 13.

Редуктор 12 и генератор 13 размещены на основании 1. Ветроколесо 6 с формирователем 10 и карданной передачей размещены на продольной поворотной платформе 14 с приводом 15 и подшипниковым узлом 16, закрепленными на поперечной поворотной платформе 17, которая установлена в подшипниковых узлах 18 на стойках 19, вертикально прикрепленных к горизонтальному основанию 1 и соединенных шарнирно приводом 20 изменения угла α наклона платформы 17.

Лопасти 7 установлены на осях 21, жестко связанных с геликоидными лопастями 3 и 4 и шарнирно в верхней части ветроротора с перемычкой 22, жестко прикрепленной к наружной втулке 23 составного вала 9. На внутренней стороне лопастей 7 закреплены сошки 24, шарнирно установленные на кулисе 25 привода управления поворотом лопастей 7, 8, например, центробежного регулятора, содержащего вертлюги 26, установленные на шипах 27 рычага 28 с грузами 29. Рычаги 28 установлены на осях вращения 30, прикрепленных к наружной втулке 23. Верхние концы рычага 28 связаны с перемычкой 22 возвратными пружинами 31. Внутри наружной втулки 23 помещена гайка 32 с винтом 33 приводной оси 34 формирователя геликоида. Наружная втулка 23 (фиг. 6 сечение Г-Г) посредством шлицевого соединения связана с втулкой 35, закреплена на корпусе 36 ветроколеса 6. На приводной оси 34 внутри корпуса 36 установлена шестерня 37 с рейками 38, к концам которых шарнирно прикреплены лопасти 8. На наружных концах лопастей 7 и 8 закреплены рычаги 39, 40, шарнирно связывающие тягами 41 верхние и нижние концы геликоидных лопастей 3, 4. Приводной вал 9 соединяет с формирователем 10 геликоида шестеренку 37 реечного механизма винта 33. Управление формирователем 10 геликоида, т. е. трансформирование его в конусоид из цилиндроида или наоборот, осуществляют блоком 42 управления.

Лопасти 3 и 4 аэродинамического сечения по фиг. 1, 2 могут быть выполнены в форме геликоида вращения желобчатого профиля. Поперечные лопасти 7 и 8 выполнены с возможностью регулирования угла β наклона их продольной оси к оси вала 9 отбора мощности и, соответственно, к фронту действия ветрового потока посредством регулятора 10 при перемещении рейки путем вращения шестерни 37 в шарнирных опорах. При этом соответственно регулируется величина большего основания конусоида за счет изменения величины его радиуса R в зоне комлевой части лопастей 3 и 4 и, соответственно, изменения величины диаметра верхнего основания конусоида вплоть до трансформирования его в цилиндроид (фиг. 2).

Работу ВЭУ осуществляют следующим образом. По фиг. 1 ветровой поток А воздействует на ротор 2. При вращении желобчатого геликоида лопасти 3 или 4 против ветрового потока по направлению А крутящий момент М1 на валу 9 отбора мощности создается производной силой F_n от центростремительной силы F_y и подъемной силы F_c от унифицированной крыльчатой лопасти 5 каплевидного сечения (по фиг. 3) с наружной выпуклостью профиля Б. При описанной кинематике такая лопасть проявляет эффект эжекции под желобом 43, обеспечивая подсос воздушной массы внутрь желоба 43, формируя и направляя ее в форме струй вдоль желоба по геликоидной составляющей, на выходном срезе которого эта струя трансформирует вихревой шлейф.

При движении геликоидной желобчатой лопасти 3, 4 по направлению ветрового потока А проявляется двоякое его воздействие. Первое воздействие - толкающее, при котором сила в направлении А (фиг. 4) организует достаточно высокой величины момент М2 вращения на валу 9 отбора мощности, особенно в момент стартового периода ветроротора 2 при начальных величинах скорости ветра. Увеличение скорости ветрового потока к толкающей силе добавляет силу скольжения ветровой струи вдоль желоба 43 лопастей 3, 4 по геликоидной винтовой составляющей, что помимо создания момента М вращения на валу 9 обеспечивает формирование кольцевого вихря В на выходном срезе из геликоидных лопастей 3, 4 по образующей концевых торцев лопастей 3, 4. Этот вихревой шлейф обеспечивает ускорение оттока отработанной воздушной массы в виде сформирововавшегося вертикального или наклонного трубчатого вихревого шлейфа, проявляющегося под воздействием его центробежных сил. Образованный разреженный срединный объем, сформировавшийся внутри ротора 2 за счет подъемных сил трения, заполняется ветровым потоком Р внутри плоскости геликоидных составляющих лопастей 3, 4. Закрученный в вихревой шлейф ветровой поток В на срезе верхнего торца ветроротора 2 обеспечивает повышение скорости движения воздушной массы как на выходе среза верхнего торца ротора 2, так и подсоса дополнительной Р воздушной массы к ветровому потоку А, передающее силовое воздействие на лопасти 3, 4, обеспечивая в свою очередь приращение величины крутящего момента М3 на валу 9 отбора мощности. Воронкообразная форма ветроротора 2 обеспечивает дополнительное ускорение движения воздушных масс к верхнему срезу ветроротора 2 и при наличии пары лопастей 7 наблюдается явление приращения крутящего момента М4 на валу 9.

Таким образом, суммарный момент М_с= М1 + М2 + М3 + М4, полученный по изобретению, в 2. . . 3,5 раза превышает величину крутящего момента для традиционных репеллерных и вертикально-лопастных модификаций ВЭУ.

По фиг. 2 ветровой поток воздействует на ветроротор аналогичным образом ветроротору по фиг. 1. Отличительная особенность проявляется в ускорении движения ветровых струй вдоль желобов 24 лопастей 3, 4 ввиду наклона оси вращения ветроротора от ветрового потока А и равномерном движении воздушных масс внутри ветроротора 2, т. к. геликоидная составляющая лопастей 3, 4 соответствует исполнению цилиндроида. Такое исполнение снижает эффективность ввиду отсутствия внутреннего воронкообразующего вихря, что компенсируется ускоренным движением по наружной образующей ветроротора 2.

Такой вариант исполнения конструкции ветротора ВЭУ наиболее эффективен при скоростях ветра до 5 м/с. При изменении направления ветра ветроротор 2 уклоняется-разворачивается под ветер в зависимости от изменения углов установки ветроротора 2 за счет изменения углов наклона платформ 14 и 17.

При аварийных скоростях ветра лопасти 3, 4 и 7, 8 устанавливают в положение торможения, т. е они работают против движения ветрового потока. За счет изменения плоскости поворота лопастей и изменения угла наклона их продольной оси к оси вращения ветроротора, что приводит к трансформированию конусоида в цилиндроид, появляется возможность прецизионного регулирования скорости вращения ветроротора для достижения оптимальной частоты электрического тока генератора ВЭУ.

При возрастании скорости ветра свыше, обеспечивающем превышение номинальной мощности ВЭУ, или при превышении потребляемой мощности выше нормативной изменение угла наклона ветроротора относительно основания 1 позволяет отрегулировать уровень мощности ВЭУ за счет повышения или снижения воздействия ветрового потока на ветроротор.

На дату подачи заявки изготовлен макетный образец ВЭУ, продут в аэродинамической трубе, изготавливается документация для производства опытного образца ВЭУ.

Источники информации:
1. Авт. свид. СССР 842215, F 03 D 5/00, БИ 24-81 или В. В. Зубарев. "Использование энергии ветра в районах севера. "Наука". Ленинград, 1989 г. , с. 10, рис. 1.7.

2. Е. Р. Абрамовский и др. Аэродинамика ветродвигателей. Учебное пособие. Днепропетровский государственный университет. Днепропетровск, 1987, с. 167, рис. 4, 1, 5, 3.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструкциям ветроэнергетических установок. Технический результат, заключающийся в увеличении производительности ветроротора, повышении надежности и прочности, обеспечивается за счет того, что в способе управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроротором ветроэнергетического устройства, включающем дополнительное формирование вихря, уплотненного по своему периметру в зоне, примыкающей к ветроротору, согласно изобретению вихрь формируют геликоидными непрерывными ветровыми струями по периметру ветроротора от наветренной к подветренной зоне ветрового потока, ометаемого ветроротором. Указанный способ реализуется в соответствующем ветроэнергетическом устройстве. 2 с. и 8 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ управления отбором мощности ветрового, потока ометаемого ветроротором ветроэнергетического устройства, включающий дополнительное формирование вихря, уплотненного по своему периметру в зоне, примыкающей к ветроротору, отличающийся тем, что вихрь формируют геликоидными непрерывными ветровыми струями по периметру ветроротора от наветренной к подветренной зоне ветрового потока, ометаемого ветроротором. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в осевой зоне вихря принудительно создают разрежение, а с наветренной стороны в зоне фронта вихря образуют принудительный подсос воздушной массы с разрежением вдоль оси вихря. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что с наветренной стороны фронт вихря, образующий дополнительный подсос воздушной массы вдоль оси ветроротора, направляют под углом к оси ветрового потока. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительное подсасывание воздушной массы вдоль оси вихря принудительно формируют геликоидными струями в вихревую воронку. 5. Ветроэнергетическое устройство для осуществления способа, содержащее горизонтальное основание, на котором смонтирован ветроротор с вертикальной осью вращения, имеющий по меньшей мере две лопасти аэродинамического сечения, кинематически связанный с электрическим генератором, отличающееся тем, что вертикальная ось вращения ветроротора образует тупой или острый угол с плоскостью горизонтального основания, а лопасти аэродинамического сечения выполнены в форме желобчатого геликоида вращения. 6. Ветроэнергетическое устройство по п. 5, отличающееся тем, что лопасти аэродинамического сечения желобчатого профиля выполнены в форме пространственного цилиндроида вращения. 7. Ветроэнергетическое устройство по п. 5 или 6, отличающееся тем, что лопасти аэродинамического сечения желобчатого профиля выполнены в форме пространственного конусоида вращения. 8. Ветроэнергетическое устройство по любому из пп. 5-7, отличающееся тем, что в ветророторе в плоскости комлевого основания и в плоскости периферийного основания цилиндроида и/или конусоида вращения смонтированы соответственно два ветроколеса с лопастями каплевидного аэродинамического сечения. 9. Ветроэнергетическое устройство по любому из пп. 5-8, отличающееся тем, что в роторе лопасти цилиндроида и/или конусоида вращения кинематически связаны с лопастями каплевидного аэродинамического сечения посредством шарниров. 10. Ветроэнергетическое устройство по любому из пп. 5-9, отличающееся тем, что лопасти двух ветроколес снабжены средством изменения угла наклона продольной оси этих лопастей ветроколес к вертикальной оси вращения ротора.