Вітроустановка із обертовим ротором

Реферат: UA 91665 U UA 91665 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вітроустановка із обертовим ротором належить до галузі альтернативної енергетики. Дана вітроустановка належить до когорти тихохідних вертикально-осьових і може використовуватись для забезпечення дешевою екологічно чистою енергією автономних споживачів, у тому числі і в регіонах із слабким вітровим потенціалом, наприклад, степових. Відомі горизонтально-осьові швидкохідні лопатеві екологічні вітроустановки для трансформації енергії повітряних потоків у електричну енергію Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. - Μ.: изд. с/х, 1957. - С. 19. Їх основними елементами є встановлений на горизонтальній осі із можливістю обертання ротор з прикріпленими до нього трьома лопатями, вертикальна опора, на якій цей ротор облаштовано, передавальні та стабілізуючі обертовий рух механізми, перетворювач обертового руху в електроенергію (генератор) та її акумулятори. Кількість акумульованої електроенергії у цих вітроустановках залежить від частоти обертання та крутного моменту ротора, які своєю чергою, залежні від швидкості спрямованого на лопаті повітряного потоку, тривалості його дії, радіуса, площі та профілю сприймаючих дію повітря лопатей. При цьому, чим більші площа та радіус лопатей, тим більшому силовому тиску з боку повітряного потоку вони піддаються, тим вищими є частота обертання ротора та забезпечуваний цим крутний момент, а відповідно і кількість акумульованої енергії. Певним обмеженням у використанні вітроустановок даного типу є необхідність для їх роботи доволі високих (понад 4,5-5,0 м/с) швидкостей повітряних потоків, а також значні габарити, зумовлені суттєвими (до 5,0 м) довжинами обертових лопатей. Дисбаланси та інерційні сили, що виникають при обертанні таких довгомірних лопатей, призводять до руйнівних коливань їх опор. Це змушує нарощувати матеріаловмістимість конструкцій опор, підвищує їх вартість, затрати на експлуатацію. Відомі тихохідні горизонтально-осьові багатолопатеві вітроустановки Корендій В.М. Конструювання механізмів регулювання потужності тихохідних вітроустановок / В.М. Корендій // Промислова гідравліка і пневматика: Всеукраїнський науково-технічний журнал. -2012. - № 3 (37). - С. 17-21. Площу контакту лопатей із повітряним потоком тут збільшено завдяки нарощуванню кількості лопатей, що дозволило понизити радіус обертових лопатей, відповідно, швидкість їх обертання і, як наслідок, динамічні навантаження на опору. Однак складності динамічного балансування багатолопатевих механізмів понижують їх надійність та терміни експлуатації, підвищують вартість ремонтів та обслуговування. Найбільш близькою до пропонованої є вертикально-осьова вітроустановка патент ФРН 3519700, F03D 3/00, публ. 1986 р. Дана вітроустановка із ротором Савоніуса містить вертикальну вісь, на якій із можливістю обертання навколо неї встановлено ротор. Зверху та знизу ротор обмежений горизонтальними дисками, між якими розташовані розвернуті на 180° одна відносно іншої дві поверхні циліндричної форми та певного радіусу їх кривизни. Диски разом із циліндричними поверхнями формують два розвернуті на 180° один відносно іншого повітровловлювачі. При набіганні повітряного потоку на увігнутий до нього повітровловлювач на його поверхні створюється надлишковий тиск, який перевищує тиск повітря всередині повернутого до потоку повітря опуклого повітровловлювача. Завдяки різниці тисків на поверхнях повітровловлювачів ротор набуває обертового руху в напрямі від опуклої до увігнутої циліндричної поверхні. Через механічну передачу та розташований всередині пустотілої осі вал обертовий рух ротора передасться на генератор, на його обмотках індукується електричний струм, який у подальшому накопичується в акумуляторі. Забезпечуваний обертовим ротором крутний момент та частота обертання ротора пропорційні, при цьому, швидкості повітряного потоку та площі циліндричної увігнутої поверхні повітровловлювачів. Однак, у процесі обертання ротора за неробочою опуклою до повітряного потоку поверхнею його повітровловлювача формуються турбулентні повітряні струмені. Ці турбулентні струмені нарощують тиск повітря на неробочій на даний момент поверхні повітровловлювача, який протистоїть тиску повітря на робочу поверхню повітровловлювача. Наслідком протистояння тисків на робочій та неробочій поверхнях повітровловлювачів є пригальмовування обертання ротора, зменшення швидкості його обертання та забезпечуваного крутного моменту. У результаті понижується коефіцієнт корисної дії даної вітроустановки, що є певним її недоліком. В основу корисної моделі поставлено задачу створення вітроустановки із обертовим ротором, у якій за рахунок конструктивного виконання повітрозабірників збільшено крутний момент, швидкість обертання ротора та підвищено коефіцієнтом корисної дії. Поставлена задача вирішується тим, що у вітроустановці із обертовим ротором, що містить розміщений на осі із можливістю обертання навколо неї ротор із встановленими на ньому симетрично відносно осі і розвернутими на 180° один відносно іншого повітровловлювачами 1 UA 91665 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 опуклої форми та радіусу кривизни їх поверхні, згідно з корисною моделлю, кожен із повітровловлювачів містить повітрозабірну та повітровідвідну частини, які розвернуті одна відносно іншої на 180, повітровловлювачі виконані у вигляді замкнутої труби із перемінним і невпинно зменшуваним від забірної до відвідної частини діаметром поперечного перерізу. Виконання у вітроустановці із обертовим ротором повітровловлювачів у вигляді пустотілих труб, по яких рухаються струмені повітря, забезпечує нарощування площі контакту повітря із їх робочими поверхнями. Наслідком збільшення площі контакту повітря із робочою поверхнею по вітровловлювача є підвищення сили тиску повітря на обертові елементи ротора. Додаткового пришвидшення, а відповідно, і нарощування швидкості обертання ротора та створюваного цим крутного моменту, йому надають і реактивні струмені повітря, що із швидкістю, яка перевищує швидкість основного повітряного потоку, виходять в атмосферу через повітровідвідні частини повітровловлювачів. Сумарна дія нарощування тиску повітря на обертові елементи ротора та утворених на повітровідвідних частинах труб реактивних струменів повітря, яке виходять в атмосферу, збільшують крутний момент та швидкість обертання ротора, а відповідно, і коефіцієнт корисної дії вітроустановки. На фіг. 1 наведена конструктивна схема вітроустановки із обертовим ротором з елементами кінематичної схеми передачі обертового руху, на фіг. 2 відображена конструкція повітровловлювачів ротора з четвертинним розрізом одного із них для відображення руху струменів повітря по ньому. Вітроустановка із обертовим ротором запропонованої конструкції (фіг. 1) містить вертикально встановлену на нерухомій основі 9 пустотілу вісь 4, у якій на опорах кочення 3 розміщено вал 5. До верхньої частини валу 5 за допомогою хомутів 2 прикріплено два розвернуті на 180° один відносно іншого повітровловлювачі 1, а до нижньої - зубчасте колесо конічної зубчастої передачі 6. Встановлений на підшипниках 8 вихідний вал 7 зубчатої передачі 6 через муфту 10 з'єднано із якорем генератора 11. Індукований на обмотках генератора 11 електричний струм накопичується в акумуляторі (на фіг. 1 не відображений). Для стабілізації частоти обертання повітровловлювачів 1 на валу 7 облаштовано маховик 12, а для зупинки ротора чи пригальмовування - гальмівний механізм 13. При потребі накопичення електроенергії в акумуляторі за наявності в місці облаштування вітроустановки повітряного потоку із швидкістю понад 3,0-3,5 м/с розблоковують гальмівний механізм 13 та з'єднають генератор 11 із акумулятором. Набігаючи на повітрозабірну частину по вітровловлювачів 1 повітря створює тиск на їх поверхні, проходить по центральних частинах труб повітровловлювачів та, пришвидшившись завдяки змінам діаметрів труб, реактивним струменем виривається в атмосферу. Тиск повітря на поверхні повітрозабірних частин по вітровловлювачів 1 та тиск реактивних струменів повітря, що виходить в атмосферу із повітровідвідних частин, є однонаправленими. В сумі ці тиски перевищують тиск повітря, що обдуває тильну сторону сусіднього повітровловлювача, сили інерції маховика та передавальних механізмів, сили тертя в опорах кочення і провертає ротор на 180° відносно нерухомої осі 4. До повітряного потоку розвертається повітрозабірна частина другого повітровловлювача, на яку діють сили тисків, аналогічні попередньому випадку. Почергове сприйняття по вітровловлювачами 1 тисків з боку повітряного потоку трансформується у однонаправлений обертовий рух ротора, який через вали 5 та 7, зубчату передачу 6 та муфту 10 передається якореві генератора 11. На обмотках генератора 11 індукується електричний струм, який і накопичується в акумуляторі. Повітровловлювач обертового ротора (фіг. 2) являє собою пустотілу трубу, яка складається із трьох частин: центральної труби 1 із гвинтовою віссю та перемінним діаметром поперечного перерізу, розташовану на максимальному її діаметрі D повітрозбірну частину 2 та приєднану до мінімального діаметра d труби повітровідвідну частину 3. При цьому повітрозабірна та повітровідвідна частини повітровловлювача розвернуті одна відносно іншої на 180°. Для покращення умов проникання повітря всередину повітровловлювача його розвернута до потоку повітря повітрозабірна частина виконана у формі еліпса із малою віссю, рівною D, та великою віссю, рівною 1,5D, а площина еліпса повітрозбірника нахилена під кутом 10-15° до геометричної осі центральної труби 1. Геометрична вісь центральної труби рівна половині кроку гвинтової лінії, по якій вона виконана. Довжина геометричної осі центральної труби 1 при цьому рівна 2D, а співвідношення мінімального та максимального діаметрів труби - d=1/4•D. При набіганні повітряного потоку на повернуту до нього повітрозабірну частину повітровловлювача струмені повітря проникають всередину центральної труби 1, створюючи тиск на її внутрішню поверхню. По мірі проходження повітря від повітрозабірної частини вздовж центральної труби із невпинно зменшуваним діаметром від D до повітровідвідної частини із діаметром d=1/4•D, згідно закону Бернулі, швидкість потоку повітря зростає до 2 UA 91665 U 2 5 10 15 20 25 30 35 2 V2=V1•(S1/S2)=V1•(D /d )=16V1, де V1 - швидкість потоку повітря у повітрозабірній частині; D та S1 - діаметр та площа повітрозабірної частини; V2 - швидкість потоку повітря у повітровідвідній частині; d=1/4•D та S2 - діаметр та площа повітровідвідної частини. Враховуючи втрати на стискання повітря, зміни його температури тощо в дійсності за даних геометричних співвідношень розмірів центральної труби швидкість повітряного струменю у повітровідвідній частині на (25-30) % менша теоретично можливої, та все ж вона на порядок перевищує швидкість повітряного потоку в повітрозабірній частину. У наслідок цього на виході із повітровловлювача повітря утворює потужний реактивний струмінь. Енергія цього реактивного струменю, що виривається з високою швидкістю із труби повітровловлювача, надає обертовому ротору додаткового пришвидшення, підвищуючи тим самим швидкість його обертання, крутний момент, а відповідно, і коефіцієнт корисної дії вітроустановки. Порівняння запропонованої вітроустановки із вітроустановкою на основі ротора Савоніуса відображає, що за співрозмірних геометричних розмірів їх повітровловлювачів, завдяки збільшенню на (25-30) % сили тиску повітря на поверхню запропонованого повітровловлювача на (20-25) % наростають швидкість обертання його ротора та пов'язана із цим величина крутного моменту. Силу тиску повітря на поверхні повітровловлювачів у обох порівнюваних конструкціях визначали на основі закону Бернулі, згідно якому ця сила пропорційна швидкості та густині повітряного потоку, площі контакту повітряного потоку із повітровловлювачем та косинусу кута нахилу струменя повітря до контактуючої із повітряним потоком поверхні. Густину та швидкість потоку повітря в обох порівнюваних випадках приймали однаковими, площу контакту повітря із повітровловлювачем ротора Савоніуса визначали як половину бокової поверхні циліндра із діаметром основи D та висотою 2D. Площу контактуючої із повітрям та сприймаючої його тиск поверхні запропонованого повітровловлювача визначали як суму площ еліпса повітрозбірника, частину площі центральної труби та площі перерізу отвору повітровідводу. При цьому, понижуючим коефіцієнтом k 2=(0,4-0,5) враховано, що тільки частина внутрішньої поверхні центральної труби у повному обсязі сприймає тиск повітряного потоку. Аналогічно, понижуючим коефіцієнтом k 3=(0,45-0,55) враховано втрати енергії реактивного струменя повітря, що виходить в атмосферу через повітровідвідну частину. Отже, із врахуванням втрат на механічних передачах та опорах кочення валів, завдяки збільшенню на (20-25)% швидкості та крутного моменту ротора запропонованої конструкції на (15-20)% підвищується коефіцієнт корисної дії вітроустановки. Збільшення сили тиску повітря на робочі поверхні ротора забезпечить не тільки підвищення частоти обертання та крутного моменту ротора, а і стабільне його обертання при менших швидкостях повітря. Це не лише розширить діапазон можливого використання вітроустановок на території із незначними швидкостями вітрів, а і завдяки підвищенню швидкостей обертання ротора, збільшить енерговіддачу вітроустановок даного типу. 40 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 Вітроустановка із обертовим ротором, що містить розміщений на осі із можливістю обертання навколо неї ротор із встановленими на ньому симетрично відносно осі і розвернутими на 180° один відносно іншого повітровловлювачами опуклої форми та радіусу кривизни їх поверхні, яка відрізняється тим, що кожен із повітровловлювачів містить повітрозабірну та повітровідвідну частини, які розвернуті одна відносно іншої на 180°, повітровловлювачі виконані у вигляді замкнутої труби із перемінним і невпинно зменшуваним від забірної до відвідної частини діаметром поперечного перерізу. 3 UA 91665 U 4 UA 91665 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5