close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14600

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.08.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 14600
(13) C1
(19)
F 03D 3/00
(2006.01)
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
(21) Номер заявки: a 20070522
(22) 2007.05.07
(43) 2008.12.30
(71) Заявитель: Лаврентьев Николай Алексеевич (BY)
(72) Авторы: Лаврентьев Николай Алексеевич; Лаврентьева Юлия Николаевна (BY)
(73) Патентообладатель: Лаврентьев Николай Алексеевич (BY)
(56) BY 9025 C1, 2007.
BY 5270 С1, 2003.
BY 8098 C1, 2006.
SU 842215, 1981.
US 4180372, 1979.
WO 03/019006 A1.
BY 14600 C1 2011.08.30
(57)
Ветроэнергетическое устройство, содержащее опору, горизонтально-осевой ветродвигатель с крыльчатыми лопастями и электрогенератором, к ротору электрогенератора по
направлению к ветровому потоку присоединены крыльчатые лопасти, к контрротору электрогенератора с наветренной стороны вслед за крыльчатыми лопастями прикреплены динамический конусоидный конфузор, содержащий связанные изнутри передние и задние
штанги, и присоединенные снаружи к концам штанг желобчатые геликоиды, отличающееся
тем, что крыльчатые лопасти горизонтально-осевого ветродвигателя на фронтальной к ветровому потоку ометаемой ветродвигателем поверхности содержат встроенные вдоль радиусов крыльчатых лопастей вращающиеся цилиндры, частично выступающие над
поверхностью каждой крыльчатой лопасти; желобчатые геликоиды на передних и задних
штангах в максимальном рабочем положении образуют внешний регулируемый диаметр,
Фиг. 1
BY 14600 C1 2011.08.30
больший диаметра крыльчатых лопастей, и содержат устройство регулирования диаметральной величины динамического конусоидного конфузора относительно наружного,
ометаемого изнутри крыльчатыми лопастями, ветрового потока.
Изобретение относится к механике, к области конструирования ветроэнергетических
установок, и может быть использовано в различных областях хозяйственной деятельности.
Известны способы управления отбором мощности ветрового потока, сметаемого ветродвигателем горизонтальной оси вращения ветроэнергетического устройства в зависимости от скорости набегающего ветрового потока путем изменения скорости вращения
ветродвигателя [1] и изменение угла поворота-атаки крыльчатой лопасти ветродвигателя
относительно его продольной оси.
Известный способ обеспечивает постоянство подъемной силы на крыльчатых лопастях ветродвигателя, однако обладает низким коэффициентом использования мощности
ветрового потока по причине хаотичных срывов присоединенных вихрей с внешних концов лопастей.
В качестве прототипа принимается способ, в котором управление отбором мощности
ветрового потока, ометаемого ветроротором ветроэнергетического устройства [2], достигается тем, что принудительно созданные геликоидные непрерывные ветровые струи создают формирование вихря в зоне, примыкающей к наружному периметру
ветродвигателя, от наветренной к подветренной зоне ветрового потока.
В способе на выходе осевого вихря во внутренней полости шлейфа в следе ветродвигателя геликоидными струями принудительно создают разрежение, а на входе в шлейф
геликоидными струями образуют принудительный подсос воздушной массы вдоль оси
ветроротора под касательным углом к оси ветрового потока, образуя на выходе из шлейфа
с наветренной стороны от ветродвигателя отработавшего ветрового потока вихревую воронку.
Известно описание ветроэнергетического устройства, содержащее соосные ветровому
потоку два ветроколеса, оба или один из них геликоидные [3]. Согласно указаниям известных источников информации [1], в любых вариантах оппозитно установленное в
шлейфе отработанного ветрового потока цилиндроидного следа второе к ветровому потоку ветроколесо любого исполнения - геликоидного или общепринятого крыльчатолопастного - практически не работает. Кроме того, по изображению на фиг. 1 цилиндрической геликоиды на внешнем периметре ветроколеса, создающую вихревую цилиндроиду, параллельную ветровому потоку, работают только с кольцевым слоем ветрового
потока, ометаемого внешней и внутренней поверхностью цилиндрической геликоиды, какой-либо существенной подъемной силой для эффективной работы ветроколеса не обладают. Зона максимального завихрения ветрового потока располагается непосредственно в
периметре вращения геликоид. За пределами периметра вращения геликоид происходит
снижение скорости ветрового потока. Установка второго ветроколеса бессмысленна.
Известны описания ветроэнергетических установок с ветродвигателем, наклонные к
оси вращения лопасти которого оснащены желобчато-геликоидными интерцепторами, образующими взамен плоского ветроколеса объемный наклонной оси ветродвигатель [4,
9025] или конусоиду с наклонными к оси вращения объемного ветродвигателя желобчатогеликоидными интерцепторами [2, 4, 5].
Ближайшим техническим решением, принятым в качестве прототипа, принимается ветроэнергетическая установка [4], содержащая установленные горизонтально соосные объемный лопастной ветродвигатель, соединенный валом через редуктор-мультипликатор с
ротором электрогенератора и крыльчато-лопастное ветроколесо, закрепленное на ступице, а
приводной вал соединен с контрротором электрогенератора. Объемный лопастной ветродвигатель установлен оппозитно к крыльчато-лопастному ветроколесу с наветренной сто2
BY 14600 C1 2011.08.30
роны от опоры. Лопасти объемного лопастного ветродвигателя закреплены на ступице под
углом к соединенному с ней и установленному горизонтально приводному валу, связанному
с якорем электрогенератора. На внешних концах наклонных лопастей объемного лопастного ветродвигателя установлены желобчато-геликоидные интерцепторы, образующие объемную конусоиду вращения, сметаемую объемным лопастным ветродвигателем. Периметр,
ометаемый желобчато-геликоидными интерцепторами объемного лопастного ветродвигателя, превышает периметр, ометаемый крыльчато-лопастным ветроколесом.
Недостаток известной конструкции связан с недостаточно эффективной управляемостью переработки ветрового потока объемным лопастным ветродвигателем и недостаточной заполняемостью воздушными массами крыльчато-лопастного ветроколеса.
В основу изобретения положена задача при сохранении положительных качеств прототипа обеспечить увеличение производительности ветроэнергетической установки с горизонтально-осевым ветродвигателем, повышения надежности и конструктивной
прочности ветродвигателя и устройства в целом путем создания управляемого вихревого
потока во внутреннюю полость ветродвигателя, обеспечивающего подсос воздушных масс
из-за внешних пределов ометаемой поверхности ветродвигателя и увеличение управляемого наполнения рабочего ветрового потока во внутренней полости ветродвигателя.
Поставленная задача достигается тем, что ветроэнергетическое устройство, содержащее опору, горизонтально-осевой ветродвигатель с крыльчатыми лопастями, электрогенератором, на котором к ротору электрогенератора по направлению к ветровому потоку
присоединены крыльчатые лопасти, а к контрротору электрогенератора с наветренной
стороны вслед за крыльчатыми лопастями прикреплены динамический конусоидный конфузор, содержащий связанные изнутри передние и задние штанги, а снаружи присоединенные к концам желобчатые геликоиды. Крыльчатые лопасти горизонтально-осевого
ветродвигателя на фронтальной к ветровому потоку ометаемой ветродвигателем поверхности содержат вдоль радиусов крыльчатых лопастей вращающиеся цилиндры, частично
выступающие над поверхностью каждой крыльчатой лопасти. Желобчатые геликоиды
на передней и задней штангах в максимальном рабочем положении образуют внешний
регулируемый диаметр, больше диаметра крыльчатых лопастей и содержат устройство
регулирования диаметральной величины динамического конусоидного конфузора относительно наружного, сметаемого изнутри крыльчатыми лопастями, ветрового потока.
Целесообразно, когда способ управления отбором мощности ветрового потока, ометаемого ветроротором ветроэнергетической установки включает захват ометаемого ветроротором ветрового потока и формирование вихревой воронки, уплотненной по периметру в
зоне, примыкающей к ветроротору, а также формирование воздушного потока непрерывными восходящими геликоидными воздушными струями с принудительным подсосом по
периметру ветроротора от наветренной к подветренной зоне. Вихревую воронку пополняют созданными работающим в режиме производства электроэнергии ветроротором непрерывными восходящими геликоидными воздушными струями паровоздушной смеси,
уплотненной в трубчатой опоре от переполненного водой охладительного водного бассейна градирни. При недостатке воды в охладительном водном бассейне градирни сверху
в трубчатой опоре в зоне взаимодействия захватываемого ветрового потока с восходящими геликоидными воздушными струями уплотненной паровоздушной смеси для регулирования интенсивности взаимодействия изменяют направление воздействия геликоидных
воздушных струй ветроротора на обратное и направленное вниз. В зоне, примыкающей
снизу, создается нисходящий воздушный поток в виде опрокинутой вихревой воронки,
насыщенной и искусственно охлажденной паро-воздушной смесью из атмосферы.
Предпочтительно, чтобы захватываемый ветровой поток направлять под изменяемым
углом к геликоидным воздушым струям. При этом расширяют зону захвата ветрового потока в периметре от наветренной стороны к подветренной, и в расширенной зоне захвата
ветрового потока с наветренной стороны изменяют направление его воздействия на вет3
BY 14600 C1 2011.08.30
роротор из-за пределов наветренной в вертикально-осевую зону к сформированному восходящему или к сформированному нисходящему воздушным потокам. Затем направленные к геликоидным воздушным струям уплотненные воздушные смеси сформированные в
воздушный поток охлаждают до уровня образования в нем конденсата и пополняют этим
конденсатом охлаждаемую воду в водном бассейне градирни.
На фиг. 1 представлен общий вид ветроэнергетического устройства, вид сбоку;
на фиг. 2 - общий вид ветроэнергетического устройства, вид сбоку; общий вид ветроэнергетического устройства, вид прямо;
на фиг. 3 - общий вид ветроэнергетического устройства, вид прямо; диаграмма сил и
скоростей на профилях лопастей объемного ветродвигателя со встроенными в крыло вращающимися цилиндрами;
на фиг. 4 - диаграмма сил и скоростей на профилях лопастей объемного ветродвигателя со встроенными в крыло вращающимися цилиндрами;
на фиг. 5 - диаграмма сил и скоростей на профилях крыльчатых лопастей со встроенными в крыло вращающимися цилиндрами;
на фиг. 6 - продольное сечение ветроагрегата по фиг. 1 и 2;
на фиг. 7 - механизмы ветроагрегата по фиг. 4, вид сверху;
на фиг. 8 - структурная схема управления ветроколесом ветроэнергетического устройства;
на фиг. 9 - характер переменчивости сил, давления и струй воздушных масс в области
взаимодействия ветрового потока с ветроколесом, оснащенным вращающимися цилиндрами.
Ветроэнергетическое устройство 1 содержит опору 2, горизонтально-осевой ветродвигатель 3 с крыльчатыми лопастями 4, контрроторным электрогенератором 5, на котором к
ротору 6 контрроторного электрогенератора 5 по направлению к ветровому потоку В присоединены крыльчатые лопасти 4, а к контрротору 7 электрогенератора 5 с наветренной
стороны вслед за крыльчатыми лопастями 4 прикреплены динамический конусоидный
конфузор 8, содержащий связанные изнутри передние 9 и задние 10 штанги. Снаружи
присоединены к наружным концам передних и задних штанг 9 и 10 желобчатые геликоиды 11. Крыльчатые лопасти 5 горизонтально-осевого ветродвигателя 3 на фронтальной к
ветровому потоку В ометаемой ветродвигателем 3 поверхности содержат вдоль радиусов
крыльчатых лопастей 4 вращающиеся цилиндры 12, частично выступающие над поверхностью каждой крыльчатой лопасти 4. Желобчатые геликоиды 11 на передней 9 и задней
10 штангах в максимальном рабочем положении образуют внешний регулируемый диаметр, больше диаметра крыльчатых лопастей 4 и содержат устройство 13 регулирования
диаметральной величины динамического конусоидного конфузора 8 относительно наружного, сметаемого изнутри крыльчатыми лопастями 16, ветрового потока В.
Ветроэнергетическое устройство 1 по фиг. 1, содержит опору 2, горизонтально-осевой
ветродвигатель 3 с крыльчатыми лопастями 4, контрроторным электрогенератором 5, на
котором к ротору 6 контрроторного электрогенератора 5 по направлению к ветровому потоку В присоединены крыльчатые лопасти 4, а к контрротору 7 электрогенератора 5 с
наветренной стороны вслед за крыльчатыми лопастями 4 прикреплены динамический конусоидный конфузор 8, содержащий связанные изнутри передние 9 и задние 10 штанги.
Снаружи, фиг. 2 и 3, присоединены к наружным концам передних и задних штанг 9 и 10
желобчатые геликоиды 11. Крыльчатые лопасти 4, фиг. 7, горизонтально-осевого ветродвигателя 3 на фронтальной к ветровому потоку В ометаемой ветродвигателем 3 поверхности содержат вдоль радиусов крыльчатых лопастей 4 вращающиеся цилиндры 12,
частично выступающие над поверхностью каждой крыльчатой лопасти 4. Желобчатые геликоиды 11 на передней 9 и задней 10 штангах в максимальном рабочем положении образуют внешний регулируемый диаметр, больше диаметра крыльчатых лопастей 4 и
содержат устройство 13 регулирования диаметральной величины динамического конусо4
BY 14600 C1 2011.08.30
идного конфузора 8 относительно наружного, ометаемого изнутри крыльчатыми лопастями 4, ветрового потока В.
Динамический конусоидный конфузор 8 содержит устройство 13 изменения его диаметральной величины или конусности конфузора 8, т.е. величины ометаемой наружной
поверхности конфузора 8 ветровым потоком В.
Желобчатая геликоида 11 присоединена к верхним концам передней 9 и задней 10
штанг вогнутой желобчатой поверхностью 14. То есть желобчатая поверхность 14 по
фиг. 7 располагается над штангами 9 и 10 и направлена к набегающему ветровому потоку
В передней штангой 9, а к тыльному концу 15, объединяющему штанги 9 и 10, присоединена ступица 30.
Крыльчатые лопасти 4, объединенные по фиг. 7 и 8 в крыльчатое ветроколесо 16 на
фронтальной к ветровому потоку ометаемой внешними концами крыльчатых лопастей 4
поверхности ветрового потока В, установлены перед контрроторным электрогенератором
5 с приводом к его ротору 6 и контрротору 7 в кожухе 17.
Энергетический блок 18 по фиг. 7 размещен в ветроагрегате 19 под кожухом 20 на
платформе 21, связанной с опорой 2 разворотным устройством 22 на ветер В и системой
23 управления этим устройством, установлены контрроторный электрогенератор 5 с редуктором-мультипликатором 24, соединенных через стояночный тормоз 25, подшипниковый узел 26 и приводной вал 27 шпоночным 28 и резьбовым 29 соединениями со ступицей
30. С торца ступица 30 с резьбовым соединением 30 защищена колпаком 31. В ступице 30
на осях 32 закреплены через поворотные водила 33 и сошки 34 с крыльчатыми лопастями
4 и штангами 9 и 10. Сошки 35 посредством кулисного шарнирно-осевого механизма 36
через втулку 37 на шпонке 38 и торцевой подшипник 39 соединены с приводом 40 изменения угла установки желобчатых геликоид 11, связанных крыльчатыми лопастями 4 и
штангами 9 и 10 с сошками 34. Крутящий момент от ступицы 30 передается через шлицевую втулку 37 к приводному валу 27. Поворот сошек 35 осуществляется перемещением
шипа 41 в диагональном пазу 42 втулки 37, изменение конусности динамического конфузора 8 обеспечивается приводом 43 через торцевой подшипник 44 и шарнирно-осевые тяги 45 к поворотным водилам 33.
Исходя из структурной схемы, фиг. 7, управления ветроэнергетическим устройством 1
ветроколесо 21 связано приводным валом 46 через стояночный тормоз 25 и редуктор мультипликатор 24 с ротором 17 контрроторного электрогенератора 5 и обеспечено блоком
управления 47 крыльчатыми лопастями 4 через коническую передачу 48 и цилиндрами 12 с
мотор-редукторами 49. Ветроизмерительный датчик 50 обеспечивает информационными
сигналами о направлении и скорости ветра через систему регулирования 51 энергетических
параметров ветроэнергетического устройства блоки управления 47, 52 и соответственно
крыльчатым ветроколесом 16 и динамическим конусоидным конфузором 8, а также блоками управления по частоте и мощности 53 и 54 контрроторного электрогенератора 5.
Ветровой поток В в общепринятом виде [7] воздействует на крыльчатые лопасти 4
крыльчатого ветроколеса 16. При этом на крыльчатых лопастях 4 с учетом невращающихся цилиндров 12 возникает подъемная сила dP1, которая суммируется в окружную силу Py
обычного крыльчатого ветроколеса 16 без обустройства вращающимися цилиндрами 12:
P = nρГUL,
где n - количество крыльчатых лопастей, шт;
ρ - плотность воздуха, г/см3;
Г - циркуляция;
U - скорость ветра, м/с;
L - длина крыльчатой лопасти, м.
Чем выше скорость U ветрового потока В, тем выше окружная сила Pу крыльчатого
ветроколеса 16 и соответственно крутящий момент M1 на приводном валу 46 к редукторумультипликатору 24 и электрогенератору 5. Для оптимизации частоты электрического
5
BY 14600 C1 2011.08.30
электрогенератора 5 (50 Гц), обеспечивается корректировка скорости вращения ротора 6,
фиг. 7, путем замедления или ускорения скорости вращения крыльчатого ветроколеса 4.
За счет создания тормозных эффектов при развороте крыльчатых лопастей 4 исполнительными механизмами 55 и 56, установленными в ступице 5. При этом информационные
сигналы по фиг. 7 к блоку управления 57 о регулировании скорости вращения крыльчатого ветроколеса 16 поступают из аналитического блока 58, перерабатывающего информацию о фактической частоте переменного тока электрогенератора 5 и от датчика 59 о
скорости ветра и нагрузке в сети по датчику 60 потребителя электроэнергии от датчиков
ветроизмерительного 59 и силы тока 61 и 62.
В общем виде Cр для обычного крыльчатого ветроколеса 4 по фиг. 1 представляет собой зависимость:
Cp = β1(ř)β2(zř, α,Cy, Cx,σ) [6, С. 160],
где, из теории элементарных струй [6, С. 123-129]:
β1 и β2 - функция быстроходности в сечении ř и движущего момента;
ř = r/R - безразмерный радиус сечения;
r - радиус оцениваемого сечения ветрового потока;
R - радиус ометаемой крыльчатым ветроколесом площади (радиус ветроколеса);
zř = ω R/U - быстроходность ветроколеса 16;
ω - угловая скорость вращения ветроколеса 16;
U- скорость набегающего на ветроколесо 16 ветрового потока В (скорость ветра);
H - окружная скорость конца крыльчатой лопасти 4 или линейная скорость воздушной
массы H нормальная к оси вращения крыльчатого ветроколеса 16;
α - угол атаки и соответствующие ему коэффициенты подъемной силы Cу (окружной
силы на крыльчатом ветроколесе 16) и силы лобового сопротивления Cx профиля крыльчатой лопасти 4;
σ = bn/πr2 - коэффициент заполнения крыльчатого ветроколеса 16;
b - проекция к ветровому потоку лобовой площади сечения крыльчатой лопасти 4;
n - количество лопастей.
Теоретический предел, который может достигнуть ветроэнергетическое устройство,
измеряемый коэффициентом использования мощности ветрового потока В Cрмах =
16/27 = 0,59 [7, С.160]. Для крыльчатых ветроколес 16 с горизонтальной осью вращения
Cр реализуется при больших значениях zř, т.е. при больших скоростях ветра и малом количестве лопастей (l = 1...3). Многолопастные (l больше 3) и тихоходные ветроколеса,
предназначенные для слабоветренных условий работы, имеют значение Cр = 0,25...0,3.
Для обычного крыльчатого ветроколеса 16 изменение давления ρ-ρ0 воздушных масс
зависит от скорости течения ветровых потоков В и индуктивных потоков Б в окрестностях
плоского крыльчатого ветроколеса 16. Скорость U течения воздушных масс изменяется
плавно от U0 к U1, что влияет на величину кинетической энергии потока, оцениваемого
выражением
W = mU2/2,
где m - массовоздушный расход m = ρU0S0 = ρU1S1 = ρU2S2;
S0, S1, S2 - площади соответствующих сечений на диаграмме, фиг. 4. Энергия невозмущенного потока воздуха, проходящего через сметаемую ветроколесом 16 поверхность
S2, равна
N0 = ρU03S2/2.
Ветровой поток В, воздействуя на крыльчатую лопасть 4 крыльчатого ветроколеса 16,
создает подъемную силу dP при бездействующих роторе 6 и контрроторе 7. При этом на
приводном валу 27 крыльчатого лопастного ветроколеса 16 под воздействием суммарной
силы Pл = ndP для от n крыльчатых лопастей 4 возникает крутящий момент Mл.
Ветроэнергетическое устройство, исходя из заявляемого способа управления отбором
мощности ветрового потока В, сметаемого горизонтально-осевым лопастным ветродвигате6
BY 14600 C1 2011.08.30
лем 3, включающий подсос воздушных масс ометаемого с наружной стороны ветродвигателем 3 периметра сечения ветровых потоков В, см. фиг. 6, обеспечивает управление путем
формирования шлейфового вихря Ш, создаваемого ветродвигателем 3 в виде конусоидного
динамического конфузора 8 геликоидными непрерывными ветровыми струями Ж, организованными течением ветрового потока вдоль желобчатых поверхностей 14 динамического
конусоидного конфузора 8 во внешнем за периметром слое Б ветрового потока В, сходящемся к оси вращения ветродвигателя 3 в виде вихревой конусоиды, преобразуемой в вихревую воронку И0 вдоль от наветренной к подветренной зоне ометаемого ветродвигателем 3
ветрового потока В. При этом вихревая воронка засасывает хаотичные вихри Х, формируя
исходящий из шлейфа близкий к ламинарному в слегка подкрученный поток Ю, плавно переходящий в ветровой поток В. Геликоидные струи Ж в шлейфовом вихре Ш уплотняются
стекающими с крыльчатых лопастей 4 ветродвигателя 3 от оси его вращения присоединенными вдоль лопастей 4 вихрями П под воздействием центробежных сил к наружному вдоль
периметра слою Б, примыкающего снаружи к динамическому конусоидному конфузору 8.
Геликоидные струи Ж управляют величиной отбора мощности ометаемого ветродвигателем
3 сечения ветровых потоков изменением конусности динамического конусоидного конфузора 8 и уплотнением стекающих вдоль лопастей присоединенных вихрей П. Изменение
конусности осуществлятся наклоном крыльчатых лопастей 4 к оси вращения конусоидного
динамического конфузора 8 посредством поворота водил 34, а также изменением угла установки сошек 33 и соответственно связанных с ними с динамически конусоидных конфузоров 8 относительно оси вращения поворотных водил 34.
Подсасывание и уплотнение воздушных масс по фиг. 4 (см. сечения Б-Б и B-B) осуществляется вращением встроенных в крыльчатую лопасть 4 цилиндров 12. Подсасываемые воздушные массы во фронтальном перед ветродвигателем 3 слое ветрового потока В,
желобчатыми поверхностями 14 создают принудительным вдоль профиля крыльчатых
лопастей 4 ветродвигателя 3 ускорение движения ветровых потоков, образующих дополнительную подъемную силу на лопастях, на величину dP1 или лопастного ветроколеса
P1 = ndP1, формирующую крутящий момент Мр на оси вращения ветродвигателя 3 с учетом коэффициента полезного действия электрогенератора 5 (η ≈ 0,9).
При этом на приводном валу 46 лопастного ветроколеса 16 под воздействием суммарной подъемной силы n крыльчатых лопастей 4 Рл и дополнительной подъемной силы вращающихся цилиндров Рц возникает крутящий момент Мл + Мц.
В соответствии с заявляемым способом в подветренной зоне вихря разрежение и соответственно эффект эжекционного подсоса и из внешней от периметра ветродвигателя 3
воздушной массы вдоль оси вихревой воронки Ч, усиливали принудительным ускорением
стекающих геликоидных струй с концов вращающимися вокруг горизонтальной оси динамическим конусоидным конфузором 8.
Ветровой поток В, фиг. 3, набегая на ветродвигатель 3, воздействует на крыльчатые
лопасти 4 динамическим конусоидным конфузором 8 с осевой суммарной силой
Р = ndР2 + Рл + Рц.
Расчет сил dР2 определяется, как сила набегающего ветрового потока в режиме воздействия "бейдевинд" на желобчатую поверхность 14 геликоиды (идентично воздействию
на косой парус яхты).
Регулировка энергетических характеристик электрического тока электрогенератора 5
обеспечивается изменением угла α атаки крыльчатой лопасти 4. При возникновении аварийных штормовых скоростей ветра разворачивает лопасти 4 с динамическим конусоидным
конфузором 8 в положение наименьшего сопротивления ветру, см. фиг. 4 и 7 в зоне 0..III.
Применение с динамического конусоидного конфузора 8 приводит к увеличению коэффициента заполнения ветродвигателя 3, что снижает скорость его вращения, но увеличивает
момент сил на приводном валу пропорционально снижению сопротивления индукционного
потока за счет активного вихревого отвода турбулентных воздушных масс.
7
BY 14600 C1 2011.08.30
Поддержание стабильности мощности и частотной характеристики электрогенератора
5 достигается пропорциональным разворотом крыльчатых лопастей 4 относительно
направления ветрового потока В. При этом пропорционально изменяется как наполняемость ветродвигателя 3, так и аэродинамические характеристики крыльчатых лопастей 4 и
динамического конусоидного конфузора 8.
В общем виде невозмущенный ветровой поток В по фиг. 7 набегает внутренним слоем
К на ветродвигатель 3, огибает кожух 17 ветроагрегата 1 с наклоненными к ветровому потоку крыльчатыми лопастями 4, снабженными динамическим конусоидным конфузором 8.
Средний слой С ветрового потока В частично воздействуя на наклоненные крыльчатые лопасти 4 с вращающимися цилиндрами 12 через кольцевой наружный слой Б ветрового потока набегает на динамический конусоидный конфузор 8 наклоненный в
перпендикулярной плоскости к крыльчатым лопастям 4. При этом суммарный крутящий
момент ветродвигателя Мв значительно превосходит крутящий момент Мр обычного
плоского репеллерного ветроколеса:
Mв = Мл + Mц + Mи .
Из диаграммы энергетических характеристик фиг. 9 следует, что по основным характеристикам Ср и См показатели ветродвигателя 3 с динамическим конусоидным конфузором 8 значительно превосходят идентичные показатели репеллерного ветроколеса.
Как следует из диаграммы, возникшее противоречие Ср и См по характерным точкам
для Z, касающееся увеличения коэффициентов С1мо при страгивании ветродвигателя 6 из
состояния покоя и С1рmax - использование энергии ветрового потока В; по сравнению с характеристиками прототипа при снижении значений Z1р и Z1м относительно Zp и Zм достигается по заявленному объекту не увеличением ометаемой ветродвигателем 3 поверхности
ветрового потока В, а организацией снижения подпора наружным индуктивным слоем Б.
Такая схема воздействия обеспечена за счет принудительного формирования ламинарных
вихревых струй внутри геликоидного шлейфа, что влечет за собой увеличение коэффициента заполнения ветроротора σ = bn/πr2 г путем снижения величины Б конструктивным
приемом, обеспечивающим движение присоединенных вихрей П под наклоном к оси вращения ветродвигателя 6 и формирование струйного ламинированного индуктивного вихря
вдоль оси вращения ветродвигателя 6.
Проведенные на аэродинамической трубе кафедры "Юнеско" БНТУ сравнительные
испытания ВЭУ ветроколеса с объемным ветродвигателем, оснащенным геликоидожелобчатым динамическим конфузором, показали значительное превышение Срмах =
0,52..0,55 над репеллерным вариантом Срмах = 0,38..0,42.
Помимо вышеуказанного уплотненные присоединенными вихрями геликоидные струи
создают дополнительный крутящий момент ветродвигателя 6 ветроэнергетической установки в случае, если набегающий воздушный поток Н, нормальный к ветровому потоку В,
одновременно с приращением крутящих моментов создает тормозной окружный момент
МТ от сопротивления динамического конусоидного конфузора 8:
M = Mл + Mц + Mи + Mб-МТ.
В подветренной зоне вихря разрежение и соответственно эффект эжекционного подсоса и из внешней от периметра ветродвигателя воздушной массы вдоль оси вихревой воронки усиливается принудительным ускорением за счет присоединенных вихрей П
стекающих с концов динамического конусоидного конфузора 8 геликоидных струй.
С наветренной стороны ветродвигателя 6 фронт вихря в зоне I...II, образующий геликоидными струями дополнительный эжекционный подсос воздушной массы к ветродвигателю 6, направлен при стекании с конусоиды под углом к оси вращения ветродвигателя и
вдоль оси вихревой воронки Ч, принудительно усиливая сформированный геликоидный
шлейф Ю отработавших ветровых потоков.
Этот геликоидальный шлейф уже при выходе из динамического конусоидного конфузора 8 обеспечивает отсос как хаотичных X и осевых E вихрей в зоне L..II, так и снижение
8
BY 14600 C1 2011.08.30
на Мш воздействия окружных тормозных сил сопротивления шлейфа Ш на крутящий момент ветродвигателя 6:
M = Mл + Mц + Mи + Mб-(MТ -MТ).
По фиг. 8 работа динамического конусоидного конфузора 8 в качестве дополнительного силового привода к лопастному ветроколесу 9 обеспечивается за счет передачи крутящего момента Ми динамического конусоидного конфузора 8 через приводной вал 46 к
контрротору 6 контрроторного электрогенератора 5. В этом случае лопастное ветроколесо
4 работает как привод к ротору 6, вращающемуся на противоходе к контрротору 6, через
редуктор-мультипликатор 24. Это обеспечивает значительное снижение передаточного
числа редуктора-мультипликатора 24, и соответственно повышение до Мл эффективности
работы ветроэнергетической установки. Причем на суммарный крутящий момент M1 на
приводном валу 46 сопротивление Мm сказывается в виде положительного эффекта в виде
приращения мощности контрроторного электрогенератора 5 от противовращения электромагнитных полей ротора 6. Одновременно происходит эжекционное отсасывание хаотичных вихрей X из зоны G в зону Q за счет работы геликоидо-направленных струй Ж
вдоль желобчатых поверхностей 14 динамического конусоидного конфузора 8 и соответственно уменьшение сопротивления турбулентности шлейфа до Мш1 < Мш
M1 = Mл + Mц + Mи +Mб-Mш1.
Изменение характера индуктивных потоков от Ио до И1 в процессе уменьшения лобового сопротивления ветродвигателя 4 и динамического конусоидного конфузора 8 приводит к формированию из хаотичных вихрей X и винтообразного вихря E вдоль оси
вращения динамического конусоидного конфузора 8 путем вывода его из кольцевой зоны
Б производительной работы в зону Q и удлинение, при этом, рассасывания турбулентности на зону L.
Работа ветроэнергетического устройства обеспечивает как выработку энергии контрроторным электрогенератором 5 с приводом динамического конусоидного конфузора 8 к
ротору 6, так и от крыльчатых лопастей 16 на контрротор 6. Причем наиболее эффективно
такая схема ветроэнергетического устройства действует в климатических зонах с повышенными скоростями ветра В.
Суммарная мощность N электрогенератора 5, образуемая при совместной работе
крыльчатого ветроколеса 4 с вращающимися цилиндрами 12 и динамического конусоидного конфузора 8, составляет величину
N = Nвд + Nц + Nвк,
где Nвк - часть мощности, вырабатываемая под воздействием крыльчатого ветроколеса 4;
Nц - приращение мощности от вращающихся цилиндров 12;
Nвк - часть мощности, вырабатываемая под воздействием динамического конусоидного конфузора 8.
Наиболее эффективная схема ветроэнергетической установки для климатических зон с
пониженными скоростями ветра В оценивается суммарной мощностью N1 электрогенератора 5, как образуемая при совместной работе крыльчатого ветроколеса 4 с вращающимися цилиндрами 12 и с динамическим конусоидным конфузором 8, составляет величину
N1 = Nвд1 + Nц1 + Nвкl,
где Nвк1 - часть мощности, вырабатываемая под воздействием крыльчатых лопастей 16;
Nц1 - приращение мощности от вращающихся цилиндров 12;
Nвк1 - суммарная часть мощности, вырабатываемая динамическим конусоидным конфузором 8.
Источники информации:
1. US 418072, 1979.
2. BY 5270.
9
BY 14600 C1 2011.08.30
3. BY 9025 C1, 2003 (прототип).
4. BY 8098 C1, 2003.
5. BY 1026 C1, 2003.
6. BY 816 U, 2002.
7. BY 2046 C1/1998. Абрамовский Е.Р. и др. Аэродинамика ветродвигателей. - Днепропетровск: ДГУ, 1987.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
10
BY 14600 C1 2011.08.30
Фиг. 5
Фиг. 6
Фиг. 7
Фиг. 8
Фиг. 9
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
11
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 348 Кб
Теги
патент, by14600
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа