UA93763C2

UA93763C2 - Вітроенергетичний пристрій

Info

Publication number: UA93763C2
Application number: UAA200907303A
Authority: UA
Inventors: Віктор Олександрович Дзензерський; Сергій Васильович Тарасов; Ігор Юрійович Костюков; Олександр Афанасійович Буряк
Original assignee: Інститут Транспортних Систем І Технологій Національної Академії Наук України "Трансмаг"
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2011-03-10

Abstract

Вітроенергетичний пристрій містить каркас, який складається з конфузорного напірного повітроводу, вітроколесо і генератор на спільному валу, які розміщені в кінці напірного конфузора, та 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. 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, з’єднаним ним з опорно-підшипниковим вузлом за допомогою радіальних траверс.

Claims

( (53) МПК КИ ЕОЗО 1/04 (2006.01) У ЕОЗО 7/02 (2006.01) МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ Ї НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ о, п И С ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ДО ПАТЕНТУ НА ВИНАХІД

Ї. нн (54) ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНИЙ ПРИСТРІЙ 1 2 (21) аг00907303 (57) Вітроенергетичний пристрій, що містить кар- (22) 13.07.2009 кас, який складається з конфузорного напірного (24) 10.03.2011 повітроводу, а також вітроколесо і генератор на (46) 10.03.2011, Бюл.Мео 5, 2011 р. спільному валу, розміщені в кінці напірного конфу- (72) ДЗЕНЗЕРСЬКИЙ ВІКТОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, зора, який відрізняється тим, що додатково міс- ТАРАСОВ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ, КОСТЮюКОВ тить комбінований повітряний ротор, який закріп- ІГОР ЮРІЙОВИЧ, БУРЯК ОЛЕКСАНДР АФАНАСІ- лений за допомогою опорно-підшипникових вузлів Ович на подовженому у бік вихідного зрізу конфузора (73) ІНСТИТУТ ТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ І ТЕХ- валу і що містить не більше чотирьох махів, на НОЛОГІЙ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРА- кожному з яких закріплено по дві лопаті протилеж- ЇНИ "ТРАНСМАГ" ної крутки - репелери та пропелери, причому ре- (56) ВО 2138683, 27.09.1999 пелери змонтовані на кінцях махів, орієнтовані під ЗИ 1590626, 07.09.1990 кутом назустріч повітряному потоку і є вітроприй- ПА 45657, 15.04.2002 мальними елементами, а пропелери укріплені на Ви 2147693, 20.04.2000 початку махів, орієнтовані вертикально і працюють Ви 2078995, 10.05.1997 у вентиляційному режимі, репелери зв'язані між СА 1102703, 09.06.1981 собою зміцнюючим ободом, сполученим з опорно- ЕВ 2793528, 17.11.2000 підшипниковим вузлом за допомогою радіальних 2004/0156710, 12.08.2004 траверс. сч о) - 5 Винахід відноситься до вітроенергетики, а са- Ефективна корекція поля можлива також шля- ме - до вітросилових установок для використання хом прискорення загальмованого відпрацьованого с в регіонах з низькопотенціальними стійкими вітра- потоку. со ми, зокрема до конструювання вітроагрегатів се- Відомі технічні рішення, в яких вказані про- ша редньої потужності. блеми частково вирішені. со Відомо, що щільність зривних турбулентних Такий відомий овітродвигун за А.с. СРСР Ге) вихорів на виході з робочого об'єму конфузора Мо1546696, МПК" ГОЗО 3/02, автори: В. Х. Дуберш- - визначається динамічним станом поля тиску в тейн, А. Е. Гінзбург, Б. С. Канєвський., пріоритет г, околицях пристрою. Якщо на зрізі вхідного пере- від 18. 04. 88, опубл. 28. 02. 90, бюл. Мов. тину тиск збільшений за рахунок гальмування Вітродвигун складається з дифузорно- швидкісного натиску, то по всій тильній поверхні конфузорного корпусу. В дифузорній частині вста- ската конфузора тиск занижений в середньому на новлене вітроколесо з лопатями. Зовні дифузора « таку ж величину. Стійке існування цієї зони приз- на корпусі закріплені обтічники. Усередині обтічни- -2 водить до того, що відпрацьований потік, що втра- ків розміщені вали з підшипниками, а на валах в тив швидкість і одержав перевагу статичного тис- встановлені додаткові вітроколеса. В корпусі ди- май ку, підсмоктується при виході у напрямі цієї зони. фузора виконаний кільцевий канал. Порожнини Тангенціальне перетікання збільшує тертя потоку обтічника, каналу і дифузора сполучені між собою. об краї вихідного сопла, що веде до посиленого Радіуси лопатей додаткових вітроколес більше ніж продукування вихорів. Через цю обставину, по- радіуси обтічників. При обертанні додаткових віт- ліпшити бароструктуру потоків навкруги концент- роколес відбувається відсмоктування по цих кана- ратора - це значить фактично зменшити втрати лах повітря з порожнини, що утворилася за основ- енергії, що йде на виробництво зривних вихорів. ним вітроколесом.

До недоліків аналога слід віднести наступне. заявлених ознак поставленій задачі. Відтік повітря з порожнини дифузора проводиться 1. "замість ежекторного каркаса встановлено по вузьких каналах, природний аеродинамічний комбінований повітряний ротор, який закріплений опір яких значно ослабляє дію відсмоктування. за допомогою опорно-підшипникових вузлів на Збільшення розрідження безпосередньо за вітро- подовженому у бік вихідного зрізу конфузора валу" колесом не усуває утворення відривних вихорів на Низькопотенціальна повітряна течія для ефек- вихідному зрізі пристрою. Загальні габарити при- тивної утилізації потребує попередньої обробки - строю залежать від діаметра вхідного конфузора концентрації і прискорення. Але якщо ці процедури Для збільшення захвату повітряної маси автома- при сильних напорах можна здійснювати за раху- тично збільшується плече рознесення додаткових нок енергії основного потоку, то в при слабких для вітроколес, що призводить до небезпечного збі- цього доводиться залучати додаткову енергію. льшення моменту вітрового навантаження на си- Основних проблемних зон в периферичному ловий каркас. полі тиску дві: зона виходу відпрацьованого стру- Найближчим технічним рішенням до рішення, меня і підвітряна зона тіні на зовнішніх скатах що заявлено, узятим як прототип, є вітроенергети- конфузора. Перша характеризується підвищенням чний пристрій для генераторів за патентом Росій- статичної компоненти тиску щодо зони вхідного ської федерації Ме 2138683, МПК? гОоЗО 1/04, ав- перетину, друга - зниженням. Такий розподіл тиску тори: Таєгян М. М., Романов А. В., Юргалов П. В., збільшує аеродинамічний опір робочому потоку не заявники: вони ж, патентовласник: Таєгян М. М., тільки тим, що виникає стрічний підпір, а ще і тим, Романов А. В., Юргалов ПП. В. заявка Мо що відтік повітряних мас відбувається не тільки 98109439/06, пріоритет від 13. 05. 1998, опубл. 27. уздовж основної течії, але також і упоперек (тягою

09. 1999. з боку підвітряних зон), стимулюючи інтенсивне Вітроенергетичний пристрій містить каркас, що виробництво зривних вихорів. Це навантаження складається з конфузорних повітроводів - напірно- ще більш гальмує потік, завищуючи статичний го та ежекторного, а також вітроколесо і генера- тиск. тор, які розміщені в кінці напірного повітроводу. Корекція поля тиску на користь енерговідбору Напірний повітровід охоплений ежекторним з під- проводиться в даному випадку шляхом приско- вітряної сторони. Додаткова тяга, створювана рення течії на виході з конфузора та "піддуву" до- ежекторним повітроводом, забезпечує відтік повіт- даткових мас на зовнішніх (підвітряних) скатах. ря з напірного повітроводу. В прототипі задача частково вирішуватися за До недоліків прототипу слід віднести громізд- рахунок додаткового каркаса - твердого огоро- кість та масивність ежекторного каркаса, а також дження у вигляді коробчатого конфузора, який істотні втрати потужності на його вихідному пере- охоплює напірний конфузор в його хвостовій час- тині. тині. Розтруб ежекторного конфузора захоплює В основу запропонованого технічного рішення потік, який обминає напірний конфузор, і направ- поставлена задача зменшення габаритів і матері- ляє його у звужену частину каналу. Тут прискоре- алоємкості пристрою, а також підвищення продук- ний потік зустрічається із загальмованим відпра- тивності пристрою за рахунок стимуляції динаміки цьованим потоком і проводить за рахунок своєї периферичних струмів. невитраченої енергії його ежекцію, стимулюючи Поставлена задача вирішується тим, що в за- винесення цієї маси і полегшуючи прохід через пропонованому вітроенергетичному пристрої, що вітроколесо новим масам енергонасиченого повіт- містить каркас, який складається з конфузорних ря. Таким шляхом, на думку авторів, захопленням і повітроводів - напірного і ежекторного, а також поворотом до зовнішньої площини напірного кон- вітроколесо і генератор на спільному валу, розмі- фузора вільних периферичних струменів знімаєть- щених в кінці напірного конфузора, згідно винахо- ся депресія тиску в цій зоні. А прохід швидкісного ду замість ежекторного каркаса встановлено ком- потоку через зону виходу робочого потоку, знижує бінований повітряний ротор, який закріплений за в ній статичний тиск. допомогою опорно-підшипникових вузлів на подо- Помітимо, проте, що, якщо перша проблема вженому у бік вихідного зрізу конфузора валу і що дійсно майже усувається, то друга залишається містить не більше чотирьох махів, на кожному з актуальною. Кільцевий зазор, що утворюється між яких закріплено дві лопаті протилежної крутки - каркасами має підвищений аеродинамічний опір репелери та пропелери, причому репелери змон- унаслідок надмірної вузькості вихідного перетину. товані на кінцях махів, орієнтовані під кутом назу- В прототипі це зроблено з метою максимального стріч повітряному потоку і є вітроприймальними розгону струменів. Але дана міра спрацює позити- елементами, а пропелери укріплені на початку вно тільки при сильному вітровому натиску. При махів, орієнтовані вертикально і працюють у вен- середніх і слабких вітрах рівного характеру потік в тиляційному режимі, репелери зв'язані між собою цьому зазорі втратить більше енергії, ніж віддасть зміцнюючим ободом, сполученим з опорно- в камері ежекції. Тиск в зазорі підвищиться саме підшипниковим вузлом за допомогою радіальних за рахунок надмірного гальмування ламінарного траверс. потоку стінками каркаса. Пристрою, що патентується, не притаманна Розбір конструкторської логіки в розробці при- універсальність. Він призначений для роботи в строю, що патентується, стане можливий після регіонах із стійкими низькопотенціальними вітра- конкретизації схеми комбінованого повітряного ми. Саме така технічна політика визначає його ротора, замінюючого пасивний каркас. особливості. Проведемо аналіз на відповідність 2. "ротор містить не більше чотирьох махів, на кожному з яких закріплено дві лопаті протилежної створити для ротора розвинений опорний каркас, крутки - репелери та пропелери, причому репеле- що додає йому необхідну міцність, але в той же ри змонтовані на кінцях махів, орієнтовані під ку- час не перешкоджаючий вільній циркуляції напра- том назустріч повітряному потоку і є вітроприйма- влених повітряних струменів. | компенсаційні і від- льними елементами, а пропелери укріплені на працьовані струмені проходять по напрямах, на- початку махів, орієнтовані вертикально і працюють даних їм структурою статичного поля тиску і у вентиляційному режимі». динамічним натиском. Даний ротор є динамічним концентратором За відомостями, що є у авторів, запропоновані потоку, теорія якого дає можливість провести декі- істотні ознаки, які характеризують суть винаходу, лька технічних аналогій. не відомі в даному розділі техніки. Робота репелера супроводжується серйозною Запропоноване технічне рішення може бути зміною структури повітряного потоку. Швидкісний використано при проектуванні вітроенергетичних натиск розкручує ротор і створює за репелерними пристроїв малої і середньої потужності для регіо- лопатями слідові площину, яка пропускає частину нів з низькопотенціальними вітрами. потоку, а частину відбиває. Відхилена частина Конструкція пристрою, що патентується, ілюс- потоку «тече» по кордону турбулентної зони з не- трується схемою. На Фіг. 1 представлений осьовий значним опором, тому не втрачає енергії. розріз пристрою, оснащеного ротором. На Фіг.
2 Встановлені на тих же махах пропелери обер- наведена схема тильного виду цього ж пристрою. таються за рахунок енерговідбору на репелерах, Вітроенергетичний пристрій складається із працюючи в режимі вентиляції. Пропелери розмі- зміцненого конфузора 1, усередині якого розташо- щені так, що знаходяться безпосередньо в зоні ваний генератор 2, заключений в обтічний кожух, виходу відпрацьованого основного потоку. Вони який виконує роль прискорюючого обтічника в ка- прискорюють як відбиті, так і відпрацьовані стру- налі. Подовжений вал З генератора є загальною мені. Таким чином, сумісною дією двох частин віссю для вітроколеса 4 і додаткового ротора 5. комбінованого ротора розв'язуються обидві про- Силовим каркасом пристрою, що патентується, блеми одночасно. Причому відбитий потік не служить трубчаста стійка 6, що виходить за межу угрузає в зазорі, як це відбувається насправді в площі, займану ротором, і що спирається на баш- прототипі, а прискорення відпрацьованого потоку ту, яка стоїть на фундаменті (не показані). Стійка проводиться за рахунок двох ефектів відразу: еже- кріпиться до корпусу конфузора 1. Корпус зміцне- кції і вентиляції. ний шляхом потовщення стінок в місцях кріплення Динамічний спосіб примусової зміни структури генератора 2, вітроколеса 4 і опорно- потоку, не дивлячись на те, що реалізується за підшипникового вузла 7 ротора. Вузол 7 через допомогою пристрою складнішої конструкції, має систему траверс сполучений з силовим кільцем 8 і ряд переваг. служить для нього зміднюючою опорою, яка поєд- Збільшення вхідного перетину ежекторного нує усі махи ротора. Ротор 5 містить не більше конфузора не дає прогресуючого збільшення ене- чотирьох махів, які мають механічну прив'язку до ргонасиченості захопленого потоку. Це відбува- іншого опорно-підшипникового вузла 9, який є ос- ється тому, що надмірний тиск газу усередині по- новною опорною деталлю для махів. На кожному току не може бути більше статичної надбавки від маху встановлені вітроприймальні (репелерні) повної зупинки швидкісного натиску (для вітру 5 лопаті 10 і вентиляційні (пропелерні) лопаті 11. м/с це всього 10 Па). Навпаки, збільшення розмірів Лопаті 11 орієнтовані вертикально і зміщені до осі, ротора істотно підвищують його потужність. а лопаті 10 орієнтовані наклінно до вітрового пото- Для роботи пристрою в низькопотенціальних ку і зсунуті до країв махів. Діаметр ротора більше вітрах це вкрай важливо. Стимуляція робочого діаметра вхідного перетину розтруба конфузора. потоку за рахунок направленої динамічної струк- таким чином, репелерні лопаті частково виступа- туризації поля тиску в околицях пристрою дає на- ють за його фронтальні габарити, ловлячи вільні багато кращі результати, ніж при використанні з струмені вітру. Напірний конфузор і ротор, який тією ж метою статичних огороджень. замінив ежекторний конфузор, залишаються у цій Що стосується обмеження на кількість махів (і новій конструкції суміжними вузлами з аналогічною відповідно, лопатей), то це продиктовано резуль- функціональною залежністю. татами проведених обчислень. Встановлено, що Розроблений пристрій може мати дві модифі- інтенсивність енерговідбору у трилопатевого ро- кації: одно- та двопривідну. Перша, в якій ротор тора більше, ніж у дволопатевого. А чотирьохло- налаштований тільки на «холостий» хід, не має патевий ротор вже не має переваг по цьому пара- передавального механізму руху з опорного вузла метру, і лише на підставі того, що ефект на вал генератора. Друга модифікація дає можли- екранування досягає максимуму саме на цьому вість частково утилізувати надлишкову енергію роторі, введений вказаний конструкційний орієн- ротора за рахунок регульованого кінематичного тир. зв'язку ротора з валом.
3. «репелери зв'язані між собою зміцнюючим Двопривідна модифікація може розроблятися ободом, сполученим з опорно-підшипниковим вуз- для регіонів з поривчастими вітрами. лом за допомогою радіальних траверс». Пристрій, що патентується, працює наступним Лопаті, що формують поле і забезпечують по- чином. ворот струменів є силовими елементами, і тому Фронт основної вітрової течії захоплюється потребують опори, яка конфігурується відповідно розтрубом 1 напірного конфузора і перетворюєть- до розподілу сил. Дана ознака дає можливість ся в ньому на прискорений потік малого перетину.