ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ С БОЛЬШИМ ДИАМЕТРОМ РОТОРА Российский патент 2023 года по МПК F03D1/06 

Основными проблемами, связанными с крупногабаритными обычными турбинами, являются их стоимость и шумовое загрязнение. Обзор [1] посвящен крупномасштабным ветротурбинам с горизонтальной осью. Значительный прогресс достигнут в понимании генерации и распространения шума ветряных турбин, а также влияния шума ветряных электростанций на людей, птиц и животных. В дополнение к озабоченности сообщества по поводу влияния шума ветряных электростанций на людей и того, как наилучшим образом регулировать шум ветряных электростанций и проверять установленные ветряные электростанции на соответствие, производители турбин проявляют значительный интерес к разработке более тихих роторов с намерением разрешить установку ветровых электростанций ближе к населенным пунктам. Рассматриваются различные механизмы генерации шума в ветряных турбинах и возможные методы снижения шума [2]. В настоящее время производители ищут повышения экономической эффективности в основном за счет увеличения размера турбины, а не за счет повышения эффективности лопастей.

Известен энергопреобразователь, содержащий ветротурбину, выполненную в виде лопастей, установленных на горизонтальном рабочем валу, приводной вал, кинематически связанный с рабочим валом генератора, и направляющий хвостовик (см. патент RU №2253747, кл. F03D 3/00 от 10.06.2005 г.). Рассмотрим его конструкцию в качестве аналога. Рабочий вал и приводной вал установлены с возможностью вращения на одном кронштейне и связаны друг с другом через коническую передачу. В рассматриваемом аналоге применена лопастная ветротурбина, наиболее распространенная для современных ВЭУ. Однако энергопреобразователь имеет ряд недостатков, ограничивающих область его применения (например, кроме ускоряющего редуктора, повышающего обороты генератора, используется дополнительно конический редуктор и т.п.).

Ветродвигатель по патенту №2508468 (кл. F03D 1/06 от 28.12.2011 г, Бюлл. №19,2013 г) принимаем в качестве прототипа к нашему ветродвигателю большим диаметром ротора (ВБДР). Ветродвигатель содержит горизонтальный вал с установленным на нем колесом с лопастями. Ветродвигатель дополнительно содержит закрепленный на обечайке ступицы колеса конусный направитель воздушного потока (ВП) и наружную обечайку. Между обечайкой ступицы колеса и наружной обечайкой равномерно распределены и закреплены допасти первого уровня. На наружной обечайке с внешней стороны равномерно размещены лопасти второго уровня, а образующие лопастей первого и второго уровня выполнены криволинейными с возрастающим углом атаки воздушному потоку. Технической сущностью настоящего изобретения является значительное повышение суммарной площади лопастей, увеличение крутящего момента на валу ветродвигателя.

Положительным свойством конструкции прототипа является минимизация колебаний в рабочем режиме лопастей первого уровня, закрепленных между двумя обечайкам. Непосредственно применить этот вариант минимизации колебаний лопастей в рабочем режиме для ветряных турбин с большим диаметром ротора нереально (использовать жесткое кольцо диаметром, например, 175 м), поэтому в конструкции ВБРД используется другой вариант этой полезной идеи.

Основным недостатком прототипа является то, что образующие лопастей первого и второго уровня выполнены криволинейными с возрастающим углом атаки воздушному потоку. Т.е. в прототипе используется принцип лобового сопротивления (элементы ветродвигателя Савониса) [3,4], который менее эффективен в ВЭУ, чем принцип подъемной силы (лопасти аэродинамического профиля обычно с контролем, настройкой их угла атаки). Реализация ВЭУ по конструкции прототипа целесообразна на мощности не более 3-4квт.

При разработке ВБДР решались две основные задачи без ухудшения его основных энергетических показателей:

существенное улучшение ее экологических характеристик,

существенное увеличение ее размеров и за счет этого мощности.

Конструкция ВБДР по Фиг. 1 дана без конусного направителя воздушного потока (для наглядности чертежа), а на Фиг. 2 дан фрагмент конструкции ВБДР с конусным направителем воздушного потока (ВП). ВБДР содержат горизонтальный вал-7, с установленным на нем роторе с закрепленным на обечайке-9 ступицы роторе -8 конусного направителеля воздушного потока-6 и шести лопастей аэродинамического профиля(трех длинных-1 и трех коротких-2). На концы лопастей 1,2 надеты наконечники- 3, на ближайших наконечниках-3 закреплены отрезки троса- 5, причем посредине каждого такого отрезка троса закреплен виброгаситель-4. Очевидно, что добавление коротких лопастей-2 в конструкцию ВБДР значительно повышает суммарную площадь лопастей и, следовательно, повышает момент его трогания при меньших скоростях ВП. ВП, попадая на короткие лопасти-2, встречая их сопротивление, отбрасывается наверх в кольцо ВП, действующего на верхние половинки длинных лопастей-1 (аналогично эффекту конусного направителя-6), повышая скорость ВП и эффективность длинных лопастей-1. Причем три длинные лопасти закрепляют относительно друг друга через 120 градусов, а три меньшие лопасти относительно длинных закрепляют через 60 градусов и они в два раза короче. На концах всех лопастей закрепляют наконечники-3, которые между собой соединены отрезками троса-5, причем посредине каждого отрезка троса, соединяющего соседние наконечники лопастей-3, закреплены виброгасители-4.

Натяжение каждого отрезка троса-5 между наконечниками-3 задается весом виброгасителя-4 и его собственным весом. Жесткое закрепление отрезков троса на наконечниках-3 коротких-2 и длинных-1 лопастей существенно ограничивает амплитуду колебаний наконечников-3 длинных лопастей-1, повышает частоту колебаний я, следовательно, эффективность работы виброгасителей-4. Существенное снижение амплитуды колебаний наконечников-3 длинных лопастей-1 в процессе работы ВБДР, повышает запас их прочности и позволяет при том же материале и аэродинамических характеристиках лопастей увеличить их размеры и поднять единичную мощность ВБДР по сравнению с мощными ВЭУ классических пропеллерных конструкций с горизонтальным валом. Литература

1. Hansen, Colin and Hansen, Kristy (2020). Recent Advances in Wind Turbine Noise Research. Acoustics 2020, 2(1), 171-206; https://doi.org/10.3390/acoustics2010013

2. Deshmukha, Shubham; Sourodeep, Bhattacharyaa; Anuj, Jainb Akshoy; Ranjan, Paul (2018). Wind turbine noise and its mitigation techniques: A review. Part of special issue: 2nd International Conference on Energy and Power, ICEP2018, Sydney, Australia. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.215

3. Sokolovsky, Yuly; Rotkin, Vladimir (2017). Theoretical and technical basis for the optimization of wind energy plants. Lulu Press Inc. 112 p.

4. Ю.Б. Соколовский, Р, Роткин, Л.Г, Лимонов, В.М. Зырянов. АКТУАЛЬНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА ГЕНЕРАЦИЯ И НАКОПЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ. НГТУ-НЭТИ, Новосибирск, 2021 год, с. 210.

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики и может быть использовано как источник электрической энергии. Ветродвигатель с большим диаметром ротора содержит горизонтальный вал с установленным на нем ротором с закрепленными на обечайке ступицы ротора конусным направителем воздушного потока и шестью лопастями. Лопасти имеют аэродинамическую форму. Три длинные лопасти закрепляют относительно друг друга через 120 градусов, а три меньшие лопасти относительно длинных закрепляют через 60 градусов и они в два раза короче. На концах всех лопастей закрепляют наконечники, которые между собой соединены отрезками троса. Посредине каждого отрезка троса, соединяющего соседние наконечники лопастей, закреплены виброгасители. Техническим результатом является снижение амплитуды колебаний наконечников длинных лопастей в процессе работы, что повышает запас их прочности и позволяет при том же материале и аэродинамических характеристиках лопастей увеличить их размеры. 2 ил.

Ветродвигатель с большим диаметром ротора, содержащий горизонтальный вал с установленным на нем роторе с закрепленными на обечайке ступицы ротора конусным направителем воздушного потока и шестью лопастями, отличающийся тем, что лопасти имеют аэродинамическую форму, причем три длинные лопасти закрепляют относительно друг друга через 120 градусов, а три меньшие лопасти относительно длинных закрепляют через 60 градусов и они в два раза короче, а на концах всех лопастей закрепляют наконечники, которые между собой соединены отрезками троса, причем посредине каждого отрезка троса, соединяющего соседние наконечники лопастей, закреплены виброгасители.