Вітродвигун

Реферат: Вітродвигун містить лопатеве вітроколесо, встановлене на валу електрогенератора і оснащене центральним вхідним конфузором, з яким за допомогою каналів зв'язані порожнисті лопаті вітроколеса, що мають отвори для виходу повітря в атмосферу. Порожнини лопатей вітроколеса виконані у вигляді каналів, площа перерізу яких значно менше площі профільного перерізу лопатей. Отвори виконані у вигляді дренажних щілин і розміщені у зоні задньої кромки лопатей. Довжина щілин дорівнює довжині активної частини кожної лопаті. Лопаті встановлені під постійним кутом 90° до осі вала. UA 114202 C2 (12) UA 114202 C2 UA 114202 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до вітроенергетики і може бути використаний при розробці й конструюванні вітроколес для вітродвигунів, даючи конструктивні засоби для поліпшення їхніх аеродинамічних характеристик. Існує дві конкуруючі практичні можливості збільшення коефіцієнта використання енергії вітру (КВЕВ) вітроенергетичних установок: за рахунок концентрації потоку, що направляється на лопаті й за рахунок зменшення аеродинамічного опору руху лопатей вітроколеса. Концентратори потоку ефективні в ламінарних повітряних потоках. Але такі потоки переважають або в прибережних районах, або на віддалених від поверхні землі горизонтах течій. Вони неефективно працюють у приземних шарах атмосфери й у континентальних регіонах із поривчастими вітрами. Методи зменшення аеродинамічного опору стосуються безпосередньо самих вітроколес і реалізуються або за рахунок експлуатації різноманітних поверхневих ефектів, що виникають при взаємодії повітряних струменів із площинами лопатей (перший тип), або за рахунок топологічних варіацій самих лопатей (другий тип). 5 Так, відома конструкція лопаті за а.с. СРСР № 1537884 МКІ F03B 3/12, F03D 3/06, автор В.І. Валенко, заявник Конструкторське бюро "Шторм" при київському політехнічному інституті, заявка № 4173104/25-06, заявл. 19.11.86; опубл. 23.01.90; Бюл. № 3. Дане технічне рішення чітко ілюструє особливості вітроустановок першого типу. Кожна лопать робочого вітроколеса виконана у вигляді профільованого пера, поверхня якого має лускоподібне покриття. При обтіканні повітряним потоком на поверхні виникають міні-вихори, які захоплюються повітряним потоком і переносяться до хвилястої задньої кромки лопаті, де відриваються з малим опором. Такий прийом штучної турбулізації потоку знижує напруженість відривних вихрових комплексів, що зменшує опір обтіканню лопаті в цілому. До недоліків аналога варто віднести те, що слабке зчеплення потоку із площинами лопаті, особливо з верхньою, може привести до раннього зриву потоку. Поява цього ефекту небезпечна для вітроколес, які працюють у приземних потоках зі складною структурою, фактично з хаотично мінливим кутом атаки, який може бути стабільним тільки в ідеальному потоці, а в потоці із фронтом, що дрейфує, стає перемінною характеристикою. Зрив потоку фактично змінює нахил площини лопатей до вітру, від чого тиск швидкісного напору на колесо в цілому, що залежить тільки від площі, що омітається, не змінюється, але передача імпульсу тиску на вітроколесо погіршується. Найбільш близьким до винаходу технічним рішенням, що прийняте за прототип, є швидкохідне вітроколесо за а.с. СРСР № 1270407, МКІ F03D 1/06, автори В.П. Півнєв та С.В. Городько, заявник Науково-виробниче об'єднання "Вітроен", заявка № 3883489/30-06, заявл. 09.04.85, опубл. 15.11.86, Бюл. № 42. Вітроколесо містить вхідний конфузор і жорстко пов'язані з ним порожнисті лопаті з периферійними отворами для виходу повітря. Для збільшення ефективності використання енергії вітру шляхом підвищення швидкості потоку, що набігає, отвори для виходу повітря спрямовані назустріч потоку й розташовані до осі конфузора під кутом, вершина якого розташована з боку, протилежного конфузору. Виконані конструктивні перетворення призводять до того, що частина потоку, що набігає, захоплюється центральним конфузором, прискорюється в ньому й нагнітається в порожнини лопатей. Виходячи через отвори, струмені формують "фіктивний" повітряний розтруб, який може служити динамічним концентратором потоку для лопатей вітроколеса. Недоліки прототипу виражаються в тім, що на лопаті вітроколеса діють додаткові згинаючі навантаження. Оскільки лопать являє собою консоль із периферійним соплом, повітряний струмінь із якого спрямований назустріч потоку, що набігає, то тиск збільшується саме на незакріпленій кінцевій частині. А внаслідок того, що момент сил у цій частині найбільший, те це може привести до вигину лопаті.Крім того, нарощування габаритів повітряного конфузора залежить від співвідношення потенціалу швидкісного напору потоку й потужності струменів, які витікають із лопатевих сопел. Ймовірний знос цих струменів при натиску поривів вітру може некеровано змінювати конфігурацію повітряного конфузора. Ще одним недоліком є небезпека утворення повітряної пробки в розтрубі центрального конфузора. Вона формується внаслідок того, що вихідні струмені гальмуються потоком, який набігає, зменшуючи витрачання повітря. Перевага захопленої конфузором повітряної маси над витраченим її об'ємом призводить до переповнення вхідного розтрубу і формування перешкоди для напірної дії фронту. Всі зазначені недоліки вітроколеса вітродвигуна призводять на різних режимах роботи до зменшення значення КВЕВ. В основу запропонованого технічного рішення поставлена задача збільшення коефіцієнта використання енергії вітру вітродвигуном, збільшення механічної міцності лопатей його вітроколеса й спрощення профілю лопатей. 1 UA 114202 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача вирішується тим, що порожнини лопатей вітроколеса виконані у вигляді каналів, площа перерізу яких значно менше площі профільного перерізу лопатей, отвори виконані у вигляді дренажних щілин і розміщені у зоні задньої кромки лопатей, довжина щілин дорівнює довжині активної частини кожної лопаті, лопаті встановлені під постійним кутом 90° до осі вала. Розкриємо суть технічного рішення, що патентується. Порожниста лопать прототипу має тонкі стінки та відповідно меншу механічну міцність і може деформуватися повітряним напором. Лопаті вітроколеса вітродвигуна, що патентується, не є в повному сенсі порожнистими, як у прототипі, а тільки пронизані каналами, площа перерізу яких значно менше площі профільного перерізу лопаті й мають тому достатньо велику механічну міцність. Лопаті вітроколеса-прототипу піддаються додатковим згинаючим навантаженням. Оскільки лопать являє собою консоль із периферійним соплом, повітряний струмінь із якого спрямований назустріч потоку, що набігає, то тиск збільшується саме на консольній її частині. А тому що момент сил у цій частині найбільший, то це може привести до вигину лопаті. Причому лопаті вітроколеса внаслідок неоднорідності потоку отримують різні й змінні ступені вигину (маючи шість ступенів свободи), що циклічно змінює розподіл навантажень між ними й може провокувати вібрації і взагалі безсистемно порушувати стаціонарність робочої динаміки. Вплив вібрацій на взаємодію потоку з лопатями негативний. При вібраціях кінці лопатей виробляють коливальні поля різної частоти, які йдуть, в першу чергу, по тілу лопаті і робочий потік повітря набігає на вібруючу поверхню, а не на нерухому. Вібруюча лопать (від поверхневих хвиль) створює небажані ефекти. Особливо це стосується стоячих хвиль у тілі лопатей та резонансних явищ. Щоб уникнути небезпеки руйнування вітроколеса, необхідно або збільшити міцність лопатей, зменшивши із цією метою розміри порожнин, або збільшити розмір площини перетину, або спростити профіль лопаті. Перші два чинники можуть призвести, у свою чергу, до збільшення ваги. Крім того, зменшення площини перетину каналів прогресивно збільшує їхній аеродинамічний опір, внаслідок чого струмені масопереносу всередині каналів помітно втрачають швидкість. Спрощення ж профілю лопаті зменшує вірогідність резонансних підсилень вібрацій. У пристрої, що патентується, отвори у вигляді сопел замінені дренажними щілинами, які забезпечують вихід повітря в атмосферу в зоні задньої кромки лопатей, довжина щілин дорівнює довжині активної частини кожної лопаті, внаслідок чого струмені направляються від задньої кромки у бік, протилежний руху лопаті, зменшуючи цим аеродинамічний опір вітроколеса. По-перше, щілинний розріз на задній кромці лопаті не зменшує товщини стінок і орієнтований поперек навантаженням, тому не послаблює лопать. По-друге, нарощування габаритів повітряного конфузора у прототипі залежить від співвідношення потенціалу швидкісного напору потоку й потужності струменів з лопатей. їхній можливий знос при поривах вітру викривляє конфігурацію повітряного конфузора і тим самим знижує його ефективність. Крім того, значна лінійна швидкість руху кінців лопатей ставить вихідні струмені в умови ще й бічного зносу, а це ще більше проблематизує можливу стійкість динамічного конфузора. А той факт, що рівномірні вітри в континентальній частині України малоймовірні, ставить під сумнів доцільність експлуатації таких пристроїв в цих регіонах. Щілинний вихід повітря з направляючого апарату у пристрої, що патентується, формує систему струменів, вектор руху яких співпадає з напрямком вітрової течії. Тому дія цих струменів не залежить прямо від вітрової ситуації. В аналогу аеродинамічний опір вітроколеса зменшується за рахунок формування вихрової пелени. У загальному випадку вихрова пелена утворюється на площинах з різною системою регулярних "дефектів": з бороздками, ямками та виступами різної форми. їхній розмір визначає по-перше, діаметр вихорів, а, по-друге, здатність їхнього закріплення на поверхні. Існує критичний розмір вихорів, від якого залежить режим обтікання. При розмірі меншому за критичний вихори можуть не тільки виникати, але й фіксуватися на різних особливостях рельєфу поверхні. Причому одні й ті ж самі виступи, борозенки або ямки водночас і генерують вихрове поле, і втримують його від зносу. Режим обтікання в цьому випадку економічний, оскільки пелена формується одноразовим актом, після чого ковзання струменів, що набігають, іде не по твердій площині, а по прикордонному шару у вигляді вихрової оболонки, що має (при автокогерентності обертання вихорів) найменший, із можливих, коефіцієнт тертя. По цьому покриттю з більшою швидкістю можуть сковзати нові повітряні маси. При розмірах більше критичного починається генерування нефіксованої турбулентної пелени, яка швидко зноситься потоком і безупинно відтворюється за рахунок його ж енергії. Такий режим менш економічний, хоча при стаціонарному потоці вихрова пелена не дає значних пульсацій. 2 UA 114202 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Застосування ефекту генерування вихрової пелени до роботи горизонтальноосьових вітроколес може призвести, як це не парадоксально, до падіння рівня утилізації вітрової енергії. Це відбувається тому, що потік зісковзує з вітроприймальних площин лопатей по мілковихровому шару. Слабке зчеплення з поверхнею призводить до зменшення гальмування відбитого лопаттю потоку, який змінив кут руху. Спрямований майже поперек вітрового фронту, цей потік зменшує проникність площини, що омітає вітроколесо. Він затримує продувку й видалення повітря, що відпрацювало, гальмуючи цим повітрообмін. Таким чином, проблема зменшення опору вітроколеса може розглядатися в моделі обтікання, але вирішуватися як шляхом розгляду не стільки механізмів початкової й середньої стадії самого процесу, а в основному енергетичних ефектів фінальної стадії. Проаналізуємо цю фінальну стадію, взявши за основу самий істотний фактор гальмування сумарні втрати кінетичної енергії вітроколеса, які витрачаються на роботу відриву вихорів від задньої кромки лопатей. Вихрові утворення, що виникають при обертанні лопатей на їхній задній кромці, мають спільну властивість збереження форми. Цей ефект дає два важливих наслідки. По-перше, змінюється профіль перетину лопаті. Потоку доводиться обтікати не тільки тверді поверхні, але й змінювати напрям руху згідно з поверхнями вихорів, що утворяться при обтіканні. Кожний вихор в цій ситуації поводиться подібно умовному компактному "тілу", відособленому від навколишнього середовища. Зв'язані вихори включаються в картину перешкод нарівні із твердотільними площинами. І площини обтікання отримують іншу конфігурацію, далеку від початкової форми лопаті. Така трансформація форми істотно змінює розрахункові аеродинамічні характеристики вітроколеса, серед яких найбільш уразливим стає кут атаки, від якого залежить імовірність зриву потоку, що призводить до багаторазового ослаблення величини крутильного моменту. По-друге, великі вихори при відриві забирають енергію, що теж зменшує крутильний момент. І якщо вільні вихори легко зносяться струменями потоку, то зв'язані мають поріг стійкості порядку величини роботи відриву. Тому до них треба ставиться диференційовано, розрізняючи вільні й зв'язані вихори при реконструкції структури перешкод, що формують шлях потоку. У більшості технічних рішень перенос повітряних мас по каналах у деталях пристрою використовується як силовий фактор, здатний змінювати розподіл рушійних сил. Однак, як показують розрахунки, перетікання повітряних струменів по вузьких каналах є процес нерентабельний, оскільки опір на великій дистанції швидко зростає й гасить енергію струменів. Що стосується ідеї пристрою, що патентується, то в ньому використовується не силовий потенціал струменів, а їхня здатність зрівнювати статичний тиск рознесених локальних зон повітряних околиць вітроколеса шляхом масопереносу через канали в деталях пристрою. Лопатеві канали в ньому працюють не як реактивна система, що переганяє повітряні маси під дією лобового швидкісного напору для формування потужних струменів. Вони, навпаки, утворюють дренажну систему, по якій перетікають повітряні маси, що формують вихідні течії малої швидкості. Вони впливають більше на структуру і на термодинамічний стан прилягаючих шарів повітря, а не на їх кінетичні показники. Незважаючи на те, що аеродинамічний опір звужених каналів та щілинних отворів підвищений, вихідні потоки мають достатню пропускну здатність через енергетичну підтримку сил підсмоктування, які створюються градієнтом тисків між входом та виходом потоку, причиною якого служить перенапруга потенціалу відривних вихорів на тильній кромці лопатей. І хоча кормові струмені низькопотенціальні, вони досить ефективно сприяють відриву великих вихрових утворень тим, що локально руйнують молекулярні зв'язки вихорів у місцях прикріплення їх до лопаті. Ефективність дії повітряного конфузора в прототипі знижується за рахунок ще одного недоліку - великої ймовірності утворення повітряної пробки в розтрубі конфузора. Вона формується внаслідок того, що вихідні струмені гальмуються потоком, що набігає, зменшуючи витрату повітря. Конфузор при цьому забирає більшу масу повітря, яка не встигає пройти по каналах напрямного апарата. Виникає негативна різниця вхідного та вихідного об'ємів повітря, конфузор переповнюється й зупинене повітря екранує вхідний перетин апарата. Отже, метод зменшення втрат на аеродинамічний опір обертанню обґрунтовано може конкурувати з методом збільшення потоку повітря, спрямованого на лопаті. Обидва ефекти створюються одним спільним прийомом - перекиданням повітряних струменів по каналам у лопатях. Але принципова різниця полягає в тому, що змінено місце викиду струменів. Тому порівняльний аналіз, проведений вище, був спрямований на виявлення й об'єктивну оцінку наслідків модернізації кожного типу. У прототипі підсилюється повітряний потік, що надходить на вітроколесо, у пристрої, що патентується, зменшується аеродинамічний опір вітроколеса. Обидва ці прийоми сприяють збільшенню КВЕВ установки. Однак, облік всіх супровідних, конкуруючих і вторинних факторів доказує перевагу другого принципу. 3 UA 114202 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Лопаті прототипу встановлені з нахилом убік повітряного фронту. Це призводить до необхідності адаптувати профіль лопаті до ускладнення умов вітроприймання. Вони ж ускладнюються в основному за рахунок появи течій, що спрямовані уздовж поверхні лопатей, які можуть зривати основний потік. Для збереження стійкості тиску необхідно виконувати крутку лопаті, що може забезпечити фрагментування поздовжнього потоку. Лопаті ж пристрою, що патентується, встановлені на валу під кутом 90° до його осі. Тому в даному випадку може використання спрощений крилоподібний профіль, що не тільки здешевлює технологію виготовлення лопатей, скорочуючи об'єм, пов'язаних із забезпеченням максимального КВЕВ, математичних розрахунків і натурних випробувань. Репелерні (гвинтові) вітроколеса при роботі створюють в кормовій зоні слідове поле. Гальмуючись на косих скатах гвинта, потік виводиться за площину його обертання, звільняючи місце для набігаючих хвиль тиску вітру. Вихрові сліди видаляються з області взаємодії і в цьому полягає істотна особливість простих лопатей. Таким чином, аналіз показав, що із двох конкуруючих технічних рішень для континентальних районів України більш прийнятний принцип, реалізований у конструкції вітродвигуна, який гарантує стійку й ефективну роботу при експлуатації в районах з поривчастими вітрами з потоками нестійкої струминної структури. За наявними в авторів відомостями запропонована сукупність відмінних ознак, що характеризує суть винаходу, не відома в даному розділі техніки. Схема пристрою, що патентується, ілюструється малюнками, де на фіг. 1 наведена схема вітродвигуна, а на фіг. 2 - схема дволопатевого вітроколеса. Вітродвигун містить щоглу 1, поворотну гондолу 2 і лопатеве вітроколесо 3 (репелер). Вітроколесо встановлено на валу 4 електрогенератора 5, розміщеного в гондолі 2. Воно постачено напрямним апаратом. Напрямний апарат є найважливішою системою пристрою. Він має один самостійний вузол, виконаний у вигляді конфузора 6, встановленого в центрі вітроколеса 3, та орієнтованого назустріч вітровому фронту. Інші функціональні частини апарата вбудовані в штатні деталі вітроколеса. Лопаті 7 жорстко прикріплені до вала 4, а до них з навітряної сторони прикріплений вхідний конфузор 6. Кожна лопать 7 виготовлена у вигляді пера без крутки й установлена на валу 4 під кутом 90° до його осі. Лопатеві порожнини 8 виконані у виді поздовжніх каналів, які проходять по всій довжині лопаті. Розтруб конфузора 6 спрямований назустріч повітряному потоку, що набігає. Його донна частина відкривається кільцевою порожниною 9 у систему каналів 8. Система каналів є складовою частиною напрямного апарата. Порожнини каналів 8 незамкнуті й уздовж задньої кромки кожної лопаті мають поздовжню щілину 10, що відкриває порожнину в атмосферу. Щілина має невелику ширину (порядку декількох десятих частин міліметра). Пристрій працює в наступний спосіб. Повітряний потік, що набігає, тисне на лопаті 7 і обертає вітроколесо 3. Центральна частина потоку надходить у повітряну пастку конфузора 6 звідки витісняється в лопатеві канали 8. Далі за рахунок дії надлишкового тиску усередині каналів 8 і зниженого тиску на околицях задніх кромок лопатей 7 повітря з каналу починає просочуватися через щілину 10 (показано стрілками). Дія цього розтягнутого по всій довжині лопаті струменя багатофункціональна. Він, за рахунок масопереносу, зменшує розрідження за кромкою лопатей, і, крім того, сприяє легкому відриву вихорів, позбавляючи їх зв'язку із крилом. Внаслідок цього падає напруга вихрового поля й відновлюється конфігурація профілю крила, яка змінена стійко зв'язаними вихровими утвореннями. Все це веде до зменшення аеродинамічного опору лопатей й до збільшення рушійної сили, і далі - обертаючого моменту на валу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Вітродвигун, що містить лопатеве вітроколесо, встановлене на валу електрогенератора і оснащене центральним вхідним конфузором, з яким за допомогою каналів зв'язані порожнисті лопаті вітроколеса, що мають отвори для виходу повітря в атмосферу, який відрізняється тим, що порожнини лопатей вітроколеса виконані у вигляді каналів, площа перерізу яких значно менше площі профільного перерізу лопатей, отвори виконані у вигляді дренажних щілин і розміщені у зоні задньої кромки лопатей, довжина щілин дорівнює довжині активної частини кожної лопаті, лопаті встановлені під постійним кутом 90° до осі вала. 4 UA 114202 C2 5 UA 114202 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6