Пристрій для вироблення електричної енергії

Пристрій для вироблення електричної енергії, що містить багатолопатевий вертикально-осьовий ротор з криловими профілями лопатей, обертаний потоком повітря і з'єднаний з ротором генератора, що виробляє електричний струм, який відрізняється тим, що додатково містить напрямне теплове сопло для створення штучного потоку повітря, яке виконане з двох труб, встановлених концентрично і з можливістю утворення кільцевого зазору, що є каналом потоку повітря, до якого підведені теплові агрегати через повітронагрівник, що містить канал напрямного теплового сопла Гаданий винахід належить до енергетичного обладнання, а саме до пристроїв для перетворення енергії потока повітря в електричну і дозволяє підвищити одиничну потужність енергоустановки, надійність її роботи, спростити конструкцію ротора та його компонування з електричним генератором ВІДОМІ вітроенергетичні установки з горизонтальною віссю обертання ротора [І], маючі багатолопатний ротор вісьового типу з крилевими профілями лопатей, обертаємий потоком повітря і з'єднаний з ротором генератора, виробляючого електричний струм Ці установки застосовують для обертання ротора енергію вітру - потока повітря, виникаючого в атмосфері за рахунок нерівномірного нагріву и потоком сонячної радіації Швидкість вітру та його напрямок в горизонтальній площині значно змінюються і не піддаються регулюванню, тому для стабілізації вихідних параметрів виробляемого електричного струму необхідне застосування додаткових приладів для орієнтації ВІСІ ротора до напрямку вітру, регулювання швидкості обертання ротора генератора, або регулювання параметрів струму на виході з генератора Рух повітря в горизонтальній площині обумовлює горизонтальну направленість ВІСІ ротора, але при цьому виникають гіроскопічні навантаження, викликаючі додаткові напруження в лопатях ротора Необхідність зміни положення ВІСІ обертання ротора в горизонтальній площині ускладнює компонування ротора з генератором Крім того, до недоліків таких установок належать — відносно невисока потужність одиничної енергоустановки і, як слідство, необхідність використання великих площ під розміщення сукупності окремих енергоустановок вітроелектростанції (ВЕС), — можливість нанесення шкоди навколишньому середовищу через відкритість зони обертання ротора ВІДОМІ також вітроенергетичні установки з вертикально-вісьовими роторами радіального типу [2], маючі багатолопатний ротор з крилевими профілями лопатей, обертаємий потоком повітря і з'єднаний з ротором генератора, виробляючого електричний струм Вісь обертання ротора таких установок перпендикулярна до напрямку потока повітря, завдяки чому відпадає необхідність в приладах для орієнтації на вітер, знижуються гіроскопічні навантаження на лопаті, спрощується його компонування з генератором, а лопаті відносно простіші конструктивно і більш технологічні в виготуванні Але при обертанні вертикально-вісьового ротора радіального типу, навіть при короткочасностабільній швидкості вітру, параметри потока повітря, набігаючого на окрему лопать ротора (абсолютне значення вектора швидкості та його напрямок), періодично змінюються Амплітуда коливань значень цих параметрів залежить від КІЛЬКОСТІ лопатей і ШВИДКОХІДНОСТІ ротора, знаходячись в оберненій залежності від їх величин Але для значень ШВИДКОХІДНОСТІ, близьких до номінальних і обмеженій КІЛЬКОСТІ лопатей, амплітуда коливань кута (21)2003032343 00 о (О 62408 рахунок можливості збільшення КІЛЬКОСТІ лопатей завдяки тому, що вісь обертання ротора в пропонуємому пристрої співпадає з напрямком сили ваги і на лопатях не виникають значні гіроскопічні навантаження Теж саме в порівнянні з установками з вертикально-вісьовими роторами радіального типу досягається тим, що в пропонуємому пристрої всі лопаті ротора однаково й одночасно взаємодіють з потоком повітря Стабільність вихідних параметрів, виробляємого електричного струму, забезпечується тим, що в пропонуємому пристрої напрямок повітряного потока незмінний і збігається з вертикальною віссю направляючого теплового сопла 3 та з віссю обертання ротора, а величина швидкості повітряного потока легкорегулюєма за рахунок керування такими характеристиками і процесами, як КІЛЬКІСТЬ підводжуємої енергії, розхід повітря, проходячого через решітку лопатей ротора, тиск в потоці повітЗадачею винаходу є створення пристрою для ря Крім того, стабільність вихідних параметрів вироблення електричної енергії, який дозволив би електричного струму при незмінній швидкості попідвищити одиничну потужність енергетичної тока повітря забезпечуються конструкцією ротора, установки, забезпечити стабільність вихідних пакрилові перерізи лопатей котрого орієнтовані до раметрів електричного струму відносно нескладнапрямку потока з незмінними оптимальними куними способами, спростити конструкцію ротора та тами атаки його компонування з генератором, забезпечити екологічну безпеку процесу вироблення електричСпрощення конструкції ротора пов'язано з тим, ної енергії що всі його елементи знаходяться під дією рівномірних аеродинамічних навантажень, чим виклюПоставлена задача вирішується тим, що причається необхідність введення в конструкцію рострій для вироблення електричної енергії містить тора будь-яких елементів, керуючих багатолопатний вертикально-осьовий ротор з криаеродинамічними характеристиками лопатей левими профілями лопатей, обертаємий потоком Спрощення компонування ротора з генератором, повітря і з'єднаний з ротором генератора, що вияк і в установках з вертикально-вісьовими ротораробляє електричний струм, згідно винаходу, місми радіального типу можливе завдяки тому, що тить напрямне теплове сопло для створення штувісь ротора пропонуємого пристрою не змінює свочного потоку повітря, яке виконане з двох труб, го положення в просторі встановлених концентричне і з можливістю створення кільцевого зазору, що є каналом потоку поЕкологічна безпека пропонуємого пристрою вітря, до якого підведені теплові агрегати через забезпечується тим, що робочим тілом, обертаюповітронагрівач, що містить канал напрямного течим ротор, є звичайне повітря, котре може бути плового сопла також і додатково очищене при установленні на шляху потока очисного приладдя Пропонуємий На фіг 1 зображений пристрій для вироблення пристрій вбудовується в існуючі технологічні схеми електричної енергії, на фіг 2 — переріз А-А на фіг металургійних та інших енергоємних виробництв, 1, на фіг 3 — переріз Б-Б на фіг 2 ніяким чином не звищуючи їх шкідливого впливу Пристрій для вироблення електричної енергії на навколишнє середовище Крім цього, обертаюмістить резервуар 1 для повітря, повітрозабиральчийся ротор розміщено в закритій робочій камері, ні канали 2, направляюче теплове сопло 3, повітщо робить його недосяжним представникам фауронагрівач 4, випускний канал 5 повітронагрівача ни 4, робочу камеру 6 ротора, ротор 7 з лопатями 8, вал 9 ротора 7, сполучні муфти 10 та 11, редуктор Елементи пропонуємого пристрою виконані 12 і генератор 13 таким чином Підвищення одиничної потужності енергоустаРезервуар 1 для повітря має бетонні стіни, новки забезпечується тим, що поток повітря, надіпідлогу і стелю Всередині резервуара розміщено лений великою кінетичною енергією, створюється канал 5 повітронагрівача 4 В стелі резервуара штучно, за рахунок застосування направляючого виконані ВИХІДНІ отвори повітрозабиральних канатеплового сопла 3, дозволяючого надавати потоку лів 2 та вхідний кільцевий отвір направляючого повітря постійний напрямок і необхідну швидкість, теплового сопла 3 з заокругленими для зменшензначно більшу, ніж середньорічна швидкість вітру, ня вхідного опору кромками підводом до нього відповідної КІЛЬКОСТІ теплоти зі Направляюче теплове сопло 3 складається з змінною по висоті сопла інтенсивністю ПІДВІД тепдвох сталевих концентрично встановлених труб, лоти до робочого потока повітря здійснюється в кільцевий зазор між котрими є каналом для потока повітронагрівачі 4, працюючому на продуктах спаповітря, підігріваємого в повітронагрівачі 4 В селення, евакуюємих з робочих просторів металурредній по висоті сопла 3 частині, вище повітронагійних та інших теплових агрегатів Підвищення грівача 4, розташована робоча камера 6 ротора 7 одиничної потужності енергоустановки в порівнянЗовнішня труба сопла 3 не футерована, а внутріні з установками, маючими ротор вісьового типу з шня труба футерована зсередини, причому між горизонтальною віссю обертання досягається за футерівками стінок цієї труби утворено канал для атаки дуже велика При цьому кут атаки лопаті за один оберт ротора може змінюватись у діапазоні від (-акр) до акр, де акр — критичне значення кута атаки Тому обтікання лопаті вертикального ротора нестаціонарне і часто супроводжується зривом потока, що є головною проблемою на шляху впровадження вертикал ьно-вісьових вітроустановок Зриви потока та нестаціонарні аеродинамічні навантаження спричиняють зниження ефективності перетворення енергії повітряного потока та вібрації в усіх елементах конструкції вітроенергетичної установки Покращення аеродинамічної якості лопатей вертикально-вісьвого ротора призводить до ускладнення конструкції за рахунок введення додаткових елементів, керуючих аеродинамічними характеристиками лопатей ротора, наприклад, шляхом видування з поверхні лопаті струменів повітря 62408 потока холодного повітря, охолоджуючого механічне і електричне обладнання пристрою Цей канал призначений також для прокладення в ньому силових кабелів та кабелів систем управління Верхня частина сопла 3 призначена для відводу теплоти від потока повітря, який виконав корисну роботу на лопатях ротора, а також для створення оптимальних умов виходу цього потока в атмосферу Для найбільш ефективного теплообміну зовнішня труба сопла 3 має охолоджувальні ребра Повітронагрівач 4 являє собою протипоточний рекуператор конвективного або радіаційного типу з верхнім підводом продуктів спалення Робоче колесо ротора 7 має центральну втулку, жорстко закріплену на валу 9 Центральна втулка з'єднана з внутрішнім і ЗОВНІШНІМ ободами ротора, між котрими розташована решітка лопатей 8 В поперечних перерізах лопаті 8 мають крилові профілі, нахилені до площин, проходячих через вісь обертання ротора 7 під найбільш вигідними кутами атаки, забезпечуючими виникнення найбільших окружних зусиль на лопатях 8 ротора 7 при обтіканні решітки профілів лопатей потоком повітря Пристрій працює таким чином Під ДІЄЮ атмосферного тиску навколишнє повітря через повітрозаби-ральні канали 2 переходить до резервуару 1, де пролягає канал 5 повітронагрівача 4, по якому переміщуються гарячі продукти спалення від теплового агрегата до евакуаційного димаря Повітря в резервуарі незначно підігрівається теплотою від каналу 5 (на кілька градусів відносно температури навколишнього повітря) для створення потока в кільцевому каналі направляючого теплового сопла 3 за рахунок геометричного тиску, забезпеченного різницею густин навколишнього повітря і повітря в резервуарі 1, а також висотою сопла 3 Принцип роботи теплового сопла заснований на умові сталості розходу потока газу (повітря) при його течи в трубах Умовою роботи сопла є вираз (М 2 - 1 ) V — = - ( К - 1 ) М 2 — , dh dh Де М - число (критерій Маха), К - коефіцієнт (показник) адіабати, Q - КІЛЬКІСТЬ теплоти, V - швидкість потока повітря, h - поточна висота теплового сопла, dy; - змінювання швидкості потока по висоті dh сопла, dQ - перемінний приток теплоти по висоті соdh пла ah З цієї умови видно, що при дозвукових швидкостях потока ( М - 1 ) , його швидкість зростатиме (dVdh>0), коли приток теплоти буде зростати по висоті сопла ( d Q / d h > 0 ) Ця умова забезпечується будовою повітронагрівача 4 При протипоточному напрямку переміщування продуктів спалення dQ / dh буде зменшуватись від верхньої позначки повітронагрівача до нульової, вміру охолодження потока димових газів, або, що теж саме, dQ/dh буде зростати по висоті сопла, ВІДПОВІДНО умові його роботи Крім того, необхідне розподілення інтенсивності підвода теплоти по висоті направляючого теплового сопла 3 може бути забезпечено перемінною товщиною стінки зовнішньої труби сопла (зменшуваної по висоті сопла в межах повітронагрівача), чи перемінною товщиною теплоізоляції цієї стінки, зменшуваної в тому ж напрямку, або за рахунок інших відомих способів, чи комбінації всіляких способів Таким чином, швидкість потока повітря в кільцевому каналі направляючого теплового сопла З завдяки підводу теплоти з необхідною інтенсивністю dQ/dh досягне необхідної величини з інтенсивністю dV/dh Обтікаючи решітку профілів лопатей 8 ротора 7, поток нагрітого в повітронагрівачі 4 повітря створить на лопатях 8 окружне зусилля, яке, будучи прикладене на певному плечі відносно ВІСІ обертання ротора 7, забезпечить сумарний обертальний момент на валу 9, котрий, за допомогою редуктора 12 та сполучних муфт 10 і 11, буде передаватись ротору генератора 13, виробляючого електричний струм необхідної сили, частоти і напруги Джерела інформації 1 Журнал "Техника молодежи" — №7, 1988 г Издательство "Молодая гвардия", Москва, С 6-9 2 П Г Баклушин, А И Дмитриев, А В, Зосимов и др Промышленная аэродинамика /Сборник статей Выпуск 4 (36) — Статья "Вертикально-осевой ветродвигатель с выдувом струи из лопасти", С 345 356 — М "Машиностроение", 1991 62408 Комп'ютерна верстка Н Кураєва Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119