RU80899U1 - Ветродвигатель - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к ветроэнергетике, а более конкретно к ветроэнергетическим установкам.

Предложен ветродвигатель, содержащий кольцевой обтекатель (обечайку) и ветроколесо, центральное тело которого представляет собой тело вращения и состоит из носовой части, цилиндрической части с лопастями на боковой поверхности и хвостовой части. Кольцевой обтекатель соединен с центральным телом с помощью пилонов. Для ограничения скорости вращения ветроколеса и уменьшения аэродинамической нагрузки на лопасти, на пилонах имеются подпружиненные дросселирующие створки, изогнутые в форме аэродинамического профиля и раскрывающиеся при большой скорости ветра.

Description

Известен ветродвигатель, содержащий корпус со входным конфузором, горловиной, переходным участком, выходным диффузором и лопастным ротором, размещенным в горловине. Выходной диффузор снабжен экраном, закрепленным на торце диффузора при помощи пилонов, а размеры элементов ветродвигателя выбраны из определенных соотношений (Россия, патент №2006663, 1991 г).

Недостатком этого ветродвигателя является неоправданно сложная конструкция и большие потери мощности из-за срывного внешнего обтекания диффузора и экрана.

Известен способ концентрации ветрового потока в плоскости ветроколеса. Ветродвигатель, с помощью которого осуществляется способ, содержит центральное тело удобообтекаемой формы. На поверхности центрального тела в плоскости его миделевого сечения размещено ветроколесо с лопастями, на концах которого закреплен кольцевой обтекатель (ФРГ, патент №3905337, 1989 г.).

Недостатком этого ветродвигателя являются потери мощности, связанные с закруткой потока за ветроколесом и поверхностным трением вращающегося кольцевого обтекателя, большая стартовая скорость, повышенная опасность для птиц из-за разгона потока перед ветроколесом.

Известен ветродвигатель, с центральным телом, носовая часть которого имеет форму эллипсоида вращения, а хвостовая - имеет форму параболы с килем на конце, с ветроколесом, состоящим из втулки с установленными на ней под углом к набегающему потоку лопастями, с неподвижным кольцевым обтекателем, с защитной сеткой проницаемостью 96-98% на входе кольцевого обтекателя (Россия, патент №12195, 1999 г.).

Недостатком этого ветродвигателя являются потери мощности, связанные со срывом потока с концевой части центрального тела ветроколеса, возможность обледенения лопастей и кольцевого обтекателя, а также перегрев генератора, установленного внутри втулки ветроколеса.

Известен ветродвигатель, принятый в качестве прототипа, с неподвижным кольцевым обтекателем с лепестками, установленными на его задней кромке для увеличения эжектирующего эффекта (Россия, патент №38364, 2004 г.).

Недостатком этого ветродвигателя является возможность его разрушения из-за сильной раскрутки ветроколеса при большой скорости ветра.

Задача, которую решает предложенная полезная модель, состоит в улучшении характеристик ветродвигателя.

При этом достигаются следующие технические результаты:

- устраняется возможность разрушения ветроколеса из-за сильной его раскрутки при большой скорости ветра. Технические результаты достигаются следующим способом:

- раскрутка ветроколеса при большой скорости ветра устраняется за счет дросселирования канала протока между кольцевым обтекателем и центральным телом.

Для этого в известном ветродвигателе, содержащем центральное тело, носовая часть которого имеет сферическую форму, хвостовая часть имеет форму параболы с килем на конце, с ветроколесом, состоящим из втулки с установленными на ней под углом к набегающему потоку лопастями, с неподвижным кольцевым обтекателем, соединенным пилонами с центральным телом, выполнено следующее:

- на пилонах установлены подпружиненные створки, которые определяют аэродинамический профиль пилонов в поперечном сечении и которые раскрываются тем сильнее, чем сильнее ветер, создавая эффект дросселирования канала ветродвигателя.

На фиг.1 показана конструктивная схема ветродвигателя.

Ветродвигатель, содержит центральное тело, состоящее из носовой части 1 и хвостовой части 2. Между носовой и хвостовой частью центрального тела расположено ветроколесо 3 с лопастями 4, внутри которого помещается генератор. Хвостовая часть центрального тела соединена с помощью пилонов 5 с кольцевым обтекателем 6. Пилон состоит из центральной пластины и двух створок 7, шарнирно закрепленных на задней кромке пилона (фиг.3). Передние части створок

соединены с центральной пластиной с помощью пружин 8 и тросика 9, длина которого ограничивает максимальный угол раскрытия створок (90°). Внешние обводы створок таковы, что пилон в поперечном сечении имеет форму аэродинамического профиля. В прижатом положении между створками имеется зазор на передней кромке пилона.

Ветродвигатель работает следующим образом.

Набегающий воздушный поток (ветер) попадая в кольцевой канал между носовой частью центрального тела ветроколеса 1 и обтекателем 6, вращает лопасти ветроколеса. При скоростях ветра до 20 м/с створки 7 прижаты пружинами 8 и образуют гладкий аэродинамический профиль пилона (положение а) на фиг.2, 3). При этом сила давления на внутреннюю сторону створок, создаваемая скоростным напором воздуха, проникающего под створки через зазор на передней кромке пилона, уравновешивается силой упругости пружин. При достижении значения скорости ветра 20 м/с скоростной напор воздуха, поступающего через зазор между створками, создает силу давления большую, чем сила упругости пружин 8. Створки 7 начинают отклоняться внутрь кольцевого канала под действием аэродинамической силы. При дальнейшем возрастании скорости ветра еще больше усиливается давление воздуха на внутреннюю поверхность створок, на их подветренной стороне создается разрежение воздуха и за счет перепада давления они отклоняются сильнее. При скорости ветра 50 м/с (ураган) угол отклонения створок достигает ~ 90°, что фиксируется наличием тросика 9 (положение б) на фиг.2, 3). При уменьшении скорости ветра до значений, меньших 20 м/с, пружины прижимают створки к поверхности пилона (возвращают створки в начальное положение).

Обоснование технических результатов.

Рассчитаем площадь створок.

Пусть при скорости ветра V₁=20 м/с створки прижаты к внутренней поверхности кольцевого обтекателя, а при скорости V₂=50 м/с отклонены на 90°. Чтобы аэродинамическая сила, действующая на лопасти не превышала критического значения, расход воздуха через канал обтекателя ветродвигателя при V₁ и V₂ должен быть одинаковым.

Тогда суммарная площадь створок S_ств и площадь выходного отверстия (канала) в обтекателе S_кан связаны соотношением:

Отсюда

Подставив в формулу (2) значения скоростей V₁ и V₂, получим что площадь, канала перекрытая створками равна

При R_кан=1 м площадь канала S_кан=3,14 м², S_cтв=1,88 м². При четырех пилонах площадь одной створки составит S_1cтв=S_ств/8=0,235 м². Если учесть, что струйка воздуха в канале сужается, может оказаться, что достаточно S_1ств=0,2 м² (длина створки L_ств=0,8 м, ширина В_ств=0,25 м).

Рассчитаем коэффициент упругости пружины.

Случай, когда створки отклонены на 90° (V₂=50 м/с) показан на фиг.3. На створку действуют аэродинамическая сила, равная силе лобового сопротивления X, и сила упругости пружины F_упр. Моменты этих сил относительно оси вращения створки, должны быть равны. Если обозначить ширину створки В_ств, то:

Подставив в (4) F_упр=kΔх_упр и X=с_хS_1ствρV₂ ²/2, получим:

где k - коэффициент упругости пружины, Δx_упр - удлинение пружины, С_х - коэффициент лобового сопротивления створки, S_1ств - площадь одной створки, ρ - плотность воздуха.

Из фиг.3 видно, что Δх_упр=()В_ств. Учитывая, что S_1ств=L_ствВ_ств, получаем:

При L_ств=0,8 м, V₂=50 м/с, ρ=0,125 кГсек²/м⁴, c_х=1,15 (согласно Справочнику авиаконструктора. Аэродинамика. Изд. ЦАГИ, 1937 г.) коэффициент упругости пружины каждой из 8 створок равен k=71,9 кГ/м.

Claims (1)

1. Ветродвигатель, содержащий кольцевой обтекатель, соединенный с помощью пилонов с центральным телом ветроколеса, которое представляет собой тело вращения, состоящее из носовой, цилиндрической и хвостовой частей, с лопастями на боковой поверхности цилиндрической части, отличающийся тем, что на пилонах имеются шарнирно закрепленные на их задней кромке, подпружиненные, отклоняемые створки для дросселирования канала ветродвигателя при больших скоростях ветра, ограничения скорости вращения ветроколеса и, вследствие этого, уменьшения аэродинамической нагрузки на лопасти ветроколеса и предотвращения его разрушения в результате чрезмерной раскрутки.