Вітродвигун

1. Ветродвигатель, содержащий корпус с входным конфуэором, горловиной и выходным диффузором, размещенный в корпусе вал, закрепленную на нем в зоне горловины турбину, направляющий аппарат, установленный перед турбиной, о т л и Изобретение относится к вертроэнергетике и может быть использовано для обеспечения электроэнергией различных потребителей, В данной заявке под термином "ветроколесо" подразумевается лопастное колесо, преобразующее энергию ветра в механическую работу, взято по аналогии с известным определением [I; с. 57] Под понятием "туннельная ветротурбина" подразумевается лопастное ветроколесо, установленное внутри туннеля, ч а ю щ и й с я тем, что он снабжен поворотной опорой, конфузор установлен на по* еле дней, а направляющий аппарат размещен в горловине, при этом диаметр выхода конфузора определяется из соотношения: , Дшх=2,673Д5к 6 6 7 V 10,333 где Доых - диаметр выхода конфузора; Двх -диаметр охода конфузора; V - расчетная скорость ветра; п - номинальная частота вращения вала электрогенератора; р- угол установки концевого сечения лопасти турбины; d« Доых С > -втулочное отношение турбины; Двт - диаметр втулки турбины. 2. Ветродвигатель по п.1, п т л и ч а ющ и й с я тем, что направляющий аппарат выполнен регулируемым, ограничивающего наружный контур воздушного потока. Известны ветродвигатели, содержащие ветроколесо с горизонтальной осью вращения и передаточный механизм, смонтированные в головке, которая вращается вокруг вертикальной оси в опорах башни (1, с. 57). Однако, эти ветродвигатели сравнительно сложны конструктивно, громоздки и имеют невысокий КПД из-за аэродинамических потерь, обусловленных открытой установкой ветроколеса в атмосфере, и механических 00 О 13984 потерь в передаточном механизме. Общим недостатком для всех ветродвигателей, содержащих ОТКрЫТОе ВетрОКОЛеСО, ЯВЛЯЄТСЯ сравнительно низкий коэффициент использования энергии ветра. Это обусловлено по- 5 терями, с в я з а н н ы м и , во-первых, с перетеканиями воздуха по концам лопастей и падением подъемной силы к концу лопасти открытого ветроколеса и, во-вторых, возмущением набегающего потока воздуха, 10 (предварительной закруткой потока), создаваемым самим ветроколесом [2, с. 149]. ' Из аэродинамики известно, что диаметр туннельного винта значительно меньше диаметра открытого воздушного винта (про- 15 пеллера), имеющего аналогичные характеристики^, с. 145]. Такое же соотношение существует и между диаметром туннельной ветротурбины и обычного открытого лопастного колеса. 20 Одним из ветроагрегатов, использующих туннельную ветротурбину, является ветроагрегат[3], содержащий аетроколесо с полой осью, расположенной на поворотной головке, и турбину, установленную на валу 25 генератора и сообщенную входом с атмосферой, а также центробежный вентилятор, имеющий рабочее колесо, закрепленное на втулке ветроколеса и корпус с входным патрубком, в котором расположена турбина, ге- ЗО нератор размещен на поворотной голошее, а его вал установлен в полости оси ветроколеса. Недостатком ветроагрегата [3] являются большие габариты, так как в качестве 35 ветродвигателя используется открытое ветроколесо, а дополнительная установка центробежного вентилятора и турбины приводит лишь к снижению общего КПД установки и делает ее более сложной и гро- 40 моздкой. Ветроагрегат [3] не может работать с электрогенератором переменного тока, работающим на сеть, так как при этом требуется обеспечение постоянства частоты 45 вращения генератора с высокой точностью. Наличие же перепускных клапанов, установленных на концах попых лопастей, которые под действием центробежных сил открывают эти полости, обеспечивая в поло- 50 стях поток воздуха, тормозящих ветроколесо, не может обеспечить высокую точность подержания постоянной частоты вращения из-за малой чувствительности клапанного устройства. 55 Ближайшим техническим решением к предложенному является ветродвигатель [А], содержащий корпус с входным конфузором, горловиной и вьГходным диффузором, размещенный в корпусе вал, закрепленную на нем в зоне горловины турбину и лопастной ротор, установленный на конце вала перед комфузором и имеющий наружный диаметр, превышающий входной диаметр конфузора, конфузор снабжен направляющими лопатками, ротор установлен с возможностью вращения относительно оала и выполнен в оиде размещенной на нем втулки, закрепленных на последней вентиляторных лопаток, связанного с их концами кольцевого обода с диаметром, рапным входному диаметру коифузора, а лопасти ротора закреплены на наружной поверхности обода. Одна,.о в этом решении установка дополнительных биротативных вентиляторов с приводом от вегроколес, выходящих за габариты конфузора, значительно усложняет конструкцию, увеличивает габариты, вес, металлоемкость, трудоемкость изготовления, Что касается эффектаусиления потока, то эту роль вполне может выполнить правильно спрофилированный и сконструированный диффузор, обеспечивающий безотрывный потоки создающий давление ниже атмосферного за турбиной. Целью заявляемого изобретения явллется устранение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции, уменьшение габаритов и массы, повышение коэффициента использования энергии ветра и КПД агрегата в целом путем обеспечения скорости потока воздуха на входе в вотроколесо, позволяющей получить частоту вращения ветроколеса, равную номинальной чістоте вращения вала стандартного электрогенератора. Указанная цель достигается тем, что, в оетроагрегате, установленном па поворотной опоре и включающем турбину, установленную на валу электрогенератора и сообщенную входом с атмосферой, согласно изобретению, турбина выполнена в виде туннельного ветроколеса, при этом корпус туннеля со стороны выхода соединен с диффузором, а со стороны входа в турбину соединен с конфузором, установленным непосредственно на прворотной опоре, а диаметр выхода из коифузора Двих равен диаметру туннеля и выбран из условия V n -tg/3(1 ~\ 0,133 где Двих - диаметр выхода из конфузора, м; V - расчетная скорость оетра, м/с; п - номинальная частота вращения вала электрогенератора, об/мин; fi-yran установки концевого сечения лопасти ветроколеса; 139B4 (1=Двт/Двых - втулочное отношение ветроколеса; Двт ~ диаметр втулки ветроколеса, м; Двх - диаметр входа в конфузор, м, определяемый из условия: 5 I (1.C.45). где N - мощность электрогенератора, кВт; р~ плотность воздуха, кг/м ; rj~ КПД ветроэлектроэгрегэта. Кроме того, для использования ветроэлектроагрегата D широком диапазоне скоростей ветра при использовании генераторов как постоянного, так и переменного тока путем регулирования предварительной закрутки потока воздуха на входе в веткроколесо перед ним может быть установлен стационарный регулируемый направляющий аппарат. Указанные отличительные признаки предложенного технического решения позволяют создать ветрозлектроагрегат сравнительно простой конструкции, благодаря малому числу составллющих узлов, а том" числе подвижных, имеющий уменьшенные габариты и массу, а также обладающий повышенным КПД и коэффициентом использования энергии ветра. ' 10 15 20 25 30 Уменьшение массы габаритов агрегата и упрощение его конструкции достигается благодаря уменьшению числа элементов, уменьшению диаметра ветроколеса, исключению механической передачи от оетроко- 35 леса к генератору без использования дополнительных вентиляторов и ветроколес за счет разгона потока воздуха в конфузоре до скорости, обеспечивающей частоту вращения туннельного вегроколеса, равную ча- 40 стоте вращения вала стандартного электрогенератора. Повышение коэффициента использования энергии ветра обусловлено использованием туннельного ветроколеса с конфузорно-диффузорным 45 преобразователем скорости потока, а общего КПД — отсутствием дополнительных элементов, преобразующих энергию ветра, и механической передачи. Таким образом, использование в пред- 50 ложечном устройстве туннельной турбины и снабжение корпуса туннеля диффузором и конфузором с указанными геометрическими параметрами позволяет получить в предлагаемом устройстве целый ряд новых свойств 55 по сравнению с прототипом: - повысить коэффициент использования энергии ветра, - повысить КПД агрегата, - упростить конструкцию устройства, - уменьшить габарит устройства, - уменьшить массу устройства, - уменьшить диаметр ветроколеса, - уменьшить трудоемкость изготовлении устройства, - исключить электропривод для установки ветроагрегата по ветру, а также сохранить присущее прототипу свойство: - исключить механическую передачу между турбиной и электрогенератором. Наличие регулируемого направляющего аппарата позволяет получить в предложенном устройстве свойства: - использование его в широком диапазоне скоростей ветра при обеспечении возможности применения генераторов как постоянного, так и переменного тока. - обеспечения высокой точности регулирования частоты вращения электрогенератора. На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого ветроэлектрогенератора; па фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1, изображающее поперечное сечение лопаток регулируемого направляющего аппарата при различных их угловых положениях и сечение лопасти турбины; на фиг. 3 - планы скоростей: абсолютной скорости воздушного потока С, окружнойскорости турбины "U" и относительной скорости W набегания потока на турбину при различных угловых положениях лопаток регулируемого направляющего аппарата. Ветрозлектроагрегат содержит конфузор 1, соединенный в выходном сечении с корпусом цилиндрического туннеля 2, выходное сечение которого, в свою очередь соединено с диффузором 3. На валу 4 установлено рабочее колесо турбины 5, перед которым расположены лопатки 6 регулируемого направляющего аппарата. Генератор 7, вал которого соединен непосредственно с валом турбины 4, например с помощью муфты, установлен внутри центрального вала 8, соединенного с корпусом туннеля 2 с помощью стоек 9. Ветрозлектроагрегат установлен на поворотную опору 10, укрепленную на конфузоре. Диаметр выхода ДВых из конфузора 1 равен диаметру туннеля 2 и выбирается из условия обеспечения скорости потока воздуха на входе в ветротурбину, позволяющей получить частоту вращения турбины 5, равную номинальной частоте вращения вала стационарного генератора 7, а именно Двых — 2,673Двх 0,333 V -6і) 8 13984 где V - расчетная скорость ветра, м/с; л - номинальная частота вращения вала электрогенератора, об/мин; р - угол установки концевого сечения лопасти ветротурбины; Двт а= Двых - втулочное отношение ветротурбины; Двт - диаметр втулки ветротурбины, м;Двх - диаметр входа в конфузор (м), оп- 10 ределяемый из условия получения заданной мощности при расчетной скорости ветра, м, из известной зависимости (1.С.45) где N - мощность электрогенератора, кВт; р- плотность воздуха, кг/м 3 ; 20 у)~ КПД ветроагрегата. Ветроэлектроаг регат работает следующим образом. Поток воздуха, проходя по тракту конфузора 1, разгоняется от скорости, примерно равной скорости ветра во входном 25 сечении, до скорости в выходном сечении, обеспечивающей получение частоты вращения турбины 5, равной номинальной частоте вращения вала электрогенератора 1, Из этого условия и произведен расчет выходного 30 сечения конфуэора. При реальных скоростях потока воздуха в конфузоре плотность его изменяется незначительно, поэтому скорость потока, согласно уравнению неразрывности струи, изменяется обратно 35 пропорционально площади сечения ^ 4 ДІх Д1ых-Д5т ^ Д?х Д1ых(1 ~*г) где С - скорость потока на выходе из конфузора, м/с; Двт - диаметр втулки ветротурбины, м; 40 45 НЫ, г - втулочное отношение ветротурбиДвт Д Учитывая, что c=Utg/?, a U=( n Двыхп)/60, где U - окружная скорость на конце лопасти ветротурбины, получаем выражение для определения диаметра на выходе из конфузора V Q667 П 0,333 nИз конфузора поток воздуха поступает в цилиндрическую часть 2, проходитчерез межлопаточные каналы направляющего аппарата 6, поступает на лопасти Бтурбимы, из которой вырабатывается крутящий момент, передаваемый на вал электрогенератора 7. Направляющий аппарат 6 обеспечивает возможность при изменении скорости ветра сохранять постоянство скорости U, за счет изменения предварительной закрутки поворотом лопаток 6, как показано на фиг. 2 и фиг. 3. Установка ветроэлектроагрегата по ветру обеспечивается флюгерным его закреплением на поворотной опоре 10. Таким образом, конструкция предлагаемого ветроэлектроагрегата за счет применения конфузора с заданным соотношением диаметров для подвода воздуха к туннельному ветроколесу позволяет уменьшить габариты и массу, упростить конструкцию, снизить трудоемкость изготовления и повысить КПД ветроэлектроагрегата. Сравнительный расчет, проведенный для мощности N=1,5 кВт при скорости сетра \ М 0 м/с, показывает, что в обычном петроэлектроагрегате для этого необходимо открытое ветроколесо диаметром 3,2 м, а в предлагаемом устройстве наибольший диаметр на входе в конфузор и на выходе из диффузора должен быть 2,4 м и диаметр ветроколеса 1,8 м при частоте вращения п=1500 об/мин. 13984 Jbft Фиг.2 Упорядник Замовлення 4133 Фиг. З Техред М.Моргентал Коректор А. Обручар Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м, Ужгород, вулХагарІна, 101