Вітроенергетичний пристрій

Вітроенергетичний пристрій, що містить каркас, який складається з конфузорного напірного повітроводу, а також вітроколесо і генератор на спільному валу, розміщені в кінці напірного конфузора, який відрізняється тим, що додатково містить комбінований повітряний ротор, який закріплений за допомогою опорно-підшипникових вузлів на подовженому у бік вихідного зрізу конфузора валу і що містить не більше чотирьох махів, на кожному з яких закріплено по дві лопаті протилежної крутки - репелери та пропелери, причому репелери змонтовані на кінцях махів, орієнтовані під кутом назустріч повітряному потоку і є вітроприймальними елементами, а пропелери укріплені на початку махів, орієнтовані вертикально і працюють у вентиляційному режимі, репелери зв'язані між собою зміцнюючим ободом, сполученим з опорнопідшипниковим вузлом за допомогою радіальних траверс. Винахід відноситься до вітроенергетики, а саме - до вітросилових установок для використання в регіонах з низькопотенціальними стійкими вітрами, зокрема до конструювання вітроагрегатів середньої потужності. Відомо, що щільність зривних турбулентних вихорів на виході з робочого об'єму конфузора визначається динамічним станом поля тиску в околицях пристрою. Якщо на зрізі вхідного перетину тиск збільшений за рахунок гальмування швидкісного натиску, то по всій тильній поверхні ската конфузора тиск занижений в середньому на таку ж величину. Стійке існування цієї зони призводить до того, що відпрацьований потік, що втратив швидкість і одержав перевагу статичного тиску, підсмоктується при виході у напрямі цієї зони. Тангенціальне перетікання збільшує тертя потоку об краї вихідного сопла, що веде до посиленого продукування вихорів. Через цю обставину, поліпшити бароструктуру потоків навкруги концентратора - це значить фактично зменшити втрати енергії, що йде на виробництво зривних вихорів. Ефективна корекція поля можлива також шляхом прискорення загальмованого відпрацьованого потоку. Відомі технічні рішення, в яких вказані проблеми частково вирішені. Такий відомий вітродвигун за А.с. СРСР №1546696, МПК3 F03D 3/02, автори: В. Х. Дуберштейн, А. Е. Гінзбург, Б. С. Канєвський., пріоритет від 18. 04. 88, опубл. 28. 02. 90, бюл. №8. Вітродвигун складається з дифузорноконфузорного корпусу. В дифузорній частині встановлене вітроколесо з лопатями. Зовні дифузора на корпусі закріплені обтічники. Усередині обтічників розміщені вали з підшипниками, а на валах встановлені додаткові вітроколеса. В корпусі дифузора виконаний кільцевий канал. Порожнини обтічника, каналу і дифузора сполучені між собою. Радіуси лопатей додаткових вітроколес більше ніж радіуси обтічників. При обертанні додаткових вітроколес відбувається відсмоктування по цих каналах повітря з порожнини, що утворилася за основним вітроколесом. (19) UA (11) 93763 (13) (21) a200907303 (22) 13.07.2009 (24) 10.03.2011 (46) 10.03.2011, Бюл.№ 5, 2011 р. (72) ДЗЕНЗЕРСЬКИЙ ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ТАРАСОВ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, КОСТЮКОВ ІГОР ЮРІЙОВИЧ, БУРЯК ОЛЕКСАНДР АФАНАСІЙОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ І ТЕХНОЛОГІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ "ТРАНСМАГ" (56) RU 2138683, 27.09.1999 SU 1590626, 07.09.1990 UA 45657, 15.04.2002 RU 2147693, 20.04.2000 RU 2078995, 10.05.1997 CA 1102703, 09.06.1981 FR 2793528, 17.11.2000 US 2004/0156710, 12.08.2004 C2 1 3 До недоліків аналога слід віднести наступне. Відтік повітря з порожнини дифузора проводиться по вузьких каналах, природний аеродинамічний опір яких значно ослабляє дію відсмоктування. Збільшення розрідження безпосередньо за вітроколесом не усуває утворення відривних вихорів на вихідному зрізі пристрою. Загальні габарити пристрою залежать від діаметра вхідного конфузора Для збільшення захвату повітряної маси автоматично збільшується плече рознесення додаткових вітроколес, що призводить до небезпечного збільшення моменту вітрового навантаження на силовий каркас. Найближчим технічним рішенням до рішення, що заявлено, узятим як прототип, є вітроенергетичний пристрій для генераторів за патентом Російської федерації № 2138683, МПК6 F03D 1/04, автори: Таєгян М. М., Романов А. В., Юргалов П. В., заявники: вони ж, патентовласник: Таєгян М. М., Романов А. В., Юргалов П. В., заявка № 98109439/06, пріоритет від 13. 05. 1998, опубл. 27. 09. 1999. Вітроенергетичний пристрій містить каркас, що складається з конфузорних повітроводів - напірного та ежекторного, а також вітроколесо і генератор, які розміщені в кінці напірного повітроводу. Напірний повітровід охоплений ежекторним з підвітряної сторони. Додаткова тяга, створювана ежекторним повітроводом, забезпечує відтік повітря з напірного повітроводу. До недоліків прототипу слід віднести громіздкість та масивність ежекторного каркаса, а також істотні втрати потужності на його вихідному перетині. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача зменшення габаритів і матеріалоємкості пристрою, а також підвищення продуктивності пристрою за рахунок стимуляції динаміки периферичних струмів. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованому вітроенергетичному пристрої, що містить каркас, який складається з конфузорних повітроводів - напірного і ежекторного, а також вітроколесо і генератор на спільному валу, розміщених в кінці напірного конфузора, згідно винаходу замість ежекторного каркаса встановлено комбінований повітряний ротор, який закріплений за допомогою опорно-підшипникових вузлів на подовженому у бік вихідного зрізу конфузора валу і що містить не більше чотирьох махів, на кожному з яких закріплено дві лопаті протилежної крутки репелери та пропелери, причому репелери змонтовані на кінцях махів, орієнтовані під кутом назустріч повітряному потоку і є вітроприймальними елементами, а пропелери укріплені на початку махів, орієнтовані вертикально і працюють у вентиляційному режимі, репелери зв'язані між собою зміцнюючим ободом, сполученим з опорнопідшипниковим вузлом за допомогою радіальних траверс. Пристрою, що патентується, не притаманна універсальність. Він призначений для роботи в регіонах із стійкими низькопотенціальними вітрами. Саме така технічна політика визначає його особливості. Проведемо аналіз на відповідність 93763 4 заявлених ознак поставленій задачі. 1. "замість ежекторного каркаса встановлено комбінований повітряний ротор, який закріплений за допомогою опорно-підшипникових вузлів на подовженому у бік вихідного зрізу конфузора валу" Низькопотенціальна повітряна течія для ефективної утилізації потребує попередньої обробки концентрації і прискорення. Але якщо ці процедури при сильних напорах можна здійснювати за рахунок енергії основного потоку, то в при слабких для цього доводиться залучати додаткову енергію. Основних проблемних зон в периферичному полі тиску дві: зона виходу відпрацьованого струменя і підвітряна зона тіні на зовнішніх скатах конфузора. Перша характеризується підвищенням статичної компоненти тиску щодо зони вхідного перетину, друга - зниженням. Такий розподіл тиску збільшує аеродинамічний опір робочому потоку не тільки тим, що виникає стрічний підпір, а ще і тим, що відтік повітряних мас відбувається не тільки уздовж основної течії, але також і упоперек (тягою з боку підвітряних зон), стимулюючи інтенсивне виробництво зривних вихорів. Це навантаження ще більш гальмує потік, завищуючи статичний тиск. Корекція поля тиску на користь енерговідбору проводиться в даному випадку шляхом прискорення течії на виході з конфузора та "піддуву" додаткових мас на зовнішніх (підвітряних) скатах. В прототипі задача частково вирішуватися за рахунок додаткового каркаса - твердого огородження у вигляді коробчатого конфузора, який охоплює напірний конфузор в його хвостовій частині. Розтруб ежекторного конфузора захоплює потік, який обминає напірний конфузор, і направляє його у звужену частину каналу. Тут прискорений потік зустрічається із загальмованим відпрацьованим потоком і проводить за рахунок своєї невитраченої енергії його ежекцію, стимулюючи винесення цієї маси і полегшуючи прохід через вітроколесо новим масам енергонасиченого повітря. Таким шляхом, на думку авторів, захопленням і поворотом до зовнішньої площини напірного конфузора вільних периферичних струменів знімається депресія тиску в цій зоні. А прохід швидкісного потоку через зону виходу робочого потоку, знижує в ній статичний тиск. Помітимо, проте, що, якщо перша проблема дійсно майже усувається, то друга залишається актуальною. Кільцевий зазор, що утворюється між каркасами має підвищений аеродинамічний опір унаслідок надмірної вузькості вихідного перетину. В прототипі це зроблено з метою максимального розгону струменів. Але дана міра спрацює позитивно тільки при сильному вітровому натиску. При середніх і слабких вітрах рівного характеру потік в цьому зазорі втратить більше енергії, ніж віддасть в камері ежекції. Тиск в зазорі підвищиться саме за рахунок надмірного гальмування ламінарного потоку стінками каркаса. Розбір конструкторської логіки в розробці пристрою, що патентується, стане можливий після конкретизації схеми комбінованого повітряного ротора, замінюючого пасивний каркас. 2. "ротор містить не більше чотирьох махів, на 5 кожному з яких закріплено дві лопаті протилежної крутки - репелери та пропелери, причому репелери змонтовані на кінцях махів, орієнтовані під кутом назустріч повітряному потоку і є вітроприймальними елементами, а пропелери укріплені на початку махів, орієнтовані вертикально і працюють у вентиляційному режимі». Даний ротор є динамічним концентратором потоку, теорія якого дає можливість провести декілька технічних аналогій. Робота репелера супроводжується серйозною зміною структури повітряного потоку. Швидкісний натиск розкручує ротор і створює за репелерними лопатями слідові площину, яка пропускає частину потоку, а частину відбиває. Відхилена частина потоку «тече» по кордону турбулентної зони з незначним опором, тому не втрачає енергії. Встановлені на тих же махах пропелери обертаються за рахунок енерговідбору на репелерах, працюючи в режимі вентиляції. Пропелери розміщені так, що знаходяться безпосередньо в зоні виходу відпрацьованого основного потоку. Вони прискорюють як відбиті, так і відпрацьовані струмені. Таким чином, сумісною дією двох частин комбінованого ротора розв'язуються обидві проблеми одночасно. Причому відбитий потік не угрузає в зазорі, як це відбувається насправді в прототипі, а прискорення відпрацьованого потоку проводиться за рахунок двох ефектів відразу: ежекції і вентиляції. Динамічний спосіб примусової зміни структури потоку, не дивлячись на те, що реалізується за допомогою пристрою складнішої конструкції, має ряд переваг. Збільшення вхідного перетину ежекторного конфузора не дає прогресуючого збільшення енергонасиченості захопленого потоку. Це відбувається тому, що надмірний тиск газу усередині потоку не може бути більше статичної надбавки від повної зупинки швидкісного натиску (для вітру 5 м/с це всього 10 Па). Навпаки, збільшення розмірів ротора істотно підвищують його потужність. Для роботи пристрою в низькопотенціальних вітрах це вкрай важливо. Стимуляція робочого потоку за рахунок направленої динамічної структуризації поля тиску в околицях пристрою дає набагато кращі результати, ніж при використанні з тією ж метою статичних огороджень. Що стосується обмеження на кількість махів (і відповідно, лопатей), то це продиктовано результатами проведених обчислень. Встановлено, що інтенсивність енерговідбору у трилопатевого ротора більше, ніж у дволопатевого. А чотирьохлопатевий ротор вже не має переваг по цьому параметру, і лише на підставі того, що ефект екранування досягає максимуму саме на цьому роторі, введений вказаний конструкційний орієнтир. 3. «репелери зв'язані між собою зміцнюючим ободом, сполученим з опорно-підшипниковим вузлом за допомогою радіальних траверс». Лопаті, що формують поле і забезпечують поворот струменів є силовими елементами, і тому потребують опори, яка конфігурується відповідно до розподілу сил. Дана ознака дає можливість 93763 6 створити для ротора розвинений опорний каркас, що додає йому необхідну міцність, але в той же час не перешкоджаючий вільній циркуляції направлених повітряних струменів. І компенсаційні і відпрацьовані струмені проходять по напрямах, наданих їм структурою статичного поля тиску і динамічним натиском. За відомостями, що є у авторів, запропоновані істотні ознаки, які характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано при проектуванні вітроенергетичних пристроїв малої і середньої потужності для регіонів з низькопотенціальними вітрами. Конструкція пристрою, що патентується, ілюструється схемою. На Фіг. 1 представлений осьовий розріз пристрою, оснащеного ротором. На Фіг.2 наведена схема тильного виду цього ж пристрою. Вітроенергетичний пристрій складається із зміцненого конфузора 1, усередині якого розташований генератор 2, заключений в обтічний кожух, який виконує роль прискорюючого обтічника в каналі. Подовжений вал З генератора є загальною віссю для вітроколеса 4 і додаткового ротора 5. Силовим каркасом пристрою, що патентується, служить трубчаста стійка 6, що виходить за межу площі, займану ротором, і що спирається на башту, яка стоїть на фундаменті (не показані). Стійка кріпиться до корпусу конфузора 1. Корпус зміцнений шляхом потовщення стінок в місцях кріплення генератора 2, вітроколеса 4 і опорнопідшипникового вузла 7 ротора. Вузол 7 через систему траверс сполучений з силовим кільцем 8 і служить для нього зміцнюючою опорою, яка поєднує усі махи ротора. Ротор 5 містить не більше чотирьох махів, які мають механічну прив'язку до іншого опорно-підшипникового вузла 9, який є основною опорною деталлю для махів. На кожному маху встановлені вітроприймальні (репелерні) лопаті 10 і вентиляційні (пропелерні) лопаті 11. Лопаті 11 орієнтовані вертикально і зміщені до осі, а лопаті 10 орієнтовані наклінно до вітрового потоку і зсунуті до країв махів. Діаметр ротора більше діаметра вхідного перетину розтруба конфузора. І таким чином, репелерні лопаті частково виступають за його фронтальні габарити, ловлячи вільні струмені вітру. Напірний конфузор і ротор, який замінив ежекторний конфузор, залишаються у цій новій конструкції суміжними вузлами з аналогічною функціональною залежністю. Розроблений пристрій може мати дві модифікації: одно- та двопривідну. Перша, в якій ротор налаштований тільки на «холостий» хід, не має передавального механізму руху з опорного вузла на вал генератора. Друга модифікація дає можливість частково утилізувати надлишкову енергію ротора за рахунок регульованого кінематичного зв'язку ротора з валом. Двопривідна модифікація може розроблятися для регіонів з поривчастими вітрами. Пристрій, що патентується, працює наступним чином. Фронт основної вітрової течії захоплюється розтрубом 1 напірного конфузора і перетворюється в ньому на прискорений потік малого перетину. 7 93763 Периферичні струмені, які обтікають конфузор, потрапляють на репелерні лопаті 10 ротора 5, легко розкручуючи його, оскільки він не має навантаження. У міру розкручування ротор створює динамічний повітряний бар'єр, охоплюючий конфузор, і повертаючий частину набігаючого потоку для підвищення тиску в підвітряній зоні конфузора. Цей захід примушує струмені, що виходять із каналу конфузора, залишати робочий об'єм в плавному режимі паралельних рухів. Без виробництва зайвих вихорів. Таким шляхом зменшується енергопоглинаюча реакція з боку твердого огородження. Пропелерні лопаті 11 при наборі оборотів прискорюють повільні струмені відпрацьованого повітря у напрямі основної течії. Вони створюють у такий спосіб сприятливі умови для самозапуску робочого вітроколеса. Додатковий ротор, яким забезпечений пристрій, що патентується, призначений для створення поля допоміжних течій, робота яких зменшує опір конфузора. І перевага тут не тільки в тому, що помітно збільшується продуктивність установки, а більше в тому, що забезпечується нормальне енергознімання в умовах, які йому не сприяють і його не гарантують при низькопотенціальних вітрах. Перевага ротора над статичним концентратором, застосованим в прототипі, в тому, що він, маючи еквівалентні можливості щодо раціональної перебудови структури потоку, знижує вагу при Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 8 строю, а також зменшує його вітрильність, оскільки повітряна стінка турбулентного сліду лопатей при великому натиску пропускає частину повітряної маси. Те, що концентрація потоку досягається в такому пристрої динамічними засобами, робить її габарити не тільки змінними, але і керованими, оскільки громіздка непроникна для вітру зовнішня огорожа замінена компактним лопатевим пристроєм. Без збільшення габаритів підвищується потужність пристрою, що патентується. Цей ефект цікавий тим, що при використанні розтрубних концентраторів потоку потужність вітроустановок підвищується не пропорційно збільшенню розмірів розтруба, а стрічно експоненціально. Крім того, відбувається самопідстроювання ротора під силу вітру по ряду найважливіших параметрів. Технічно це проявляється в зміні проникності турбулентного бар'єрного шару для поривів вітру сили, що зменшує ступінь надмірного розкручування ротора. На відміну від методу «приєднання мас», побудованого на тому, що робочий потік обважнюється, пристрій, що патентується, реалізує метод примусового відведення інертних повітряних мас. Він має важливу перевагу - потужність відведення повітря можна збільшувати в набагато більшому діапазоні значень, тоді як потужність подачі має низький поріг. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601