Ветродвигатель

 

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветродвигатель снабжен экраном, закрепленным на торце диффузора при помощи пилонов, а размеры элементов ветродвигателя выбраны из определенных соотношений. 2 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветродвигателям.

Известен ветродвигатель, содержащий корпус с входным конфузором, горловиной и выходным диффузором, размещенный в корпусе вал, закрепленную на нем в зоне горловины турбину и лопастный ротор, установленный на конце вала перед конфузором и имеющий наружный диаметр, превышающий входной диаметр конфузора [1] . Конфузор снабжен направляющими лопатками. Ротор установлен с возможностью вращения относительно вала и выполнен в виде размещенной на нем втулки с вентиляторными лопатками. Концы лопаток связаны кольцевым ободом с диаметром, равным входному диаметру конфузора. Лопасти ротора закреплены на наружной поверхности обода. Соосно лопастному ротору на валу установлен второй лопастной ротор, выполненный аналогично первому с возможностью вращения в противоположную сторону. Ободы роторов размещены относительно друг друга с образованием кольцевой эжектирующей щели, наклоненной к валу под углом, вершина которого расположена со стороны корпуса.

Недостатками этого ветродвигателя являются то, что он имеет неоправданно сложную конструкцию, дорог в изготовлении и ненадежен в работе.

Известен ветродвигатель, содержащий корпус с входным конфузором и выходным диффузором, обтекатель, размещенный в корпусе и связанный с конфузором при помощи направляющих лопаток, лопастное колесо, расположенное за обтекателем (в горловине), и конус, установленный в диффузоре и связанный с ним при помощи радиальных перемычек [2] . Поверхность диффузора выполнена гофрированной в окружном направлении с образованием внутренних и наружных клинообразных лотков. Конус связан с диффузором в зоне наружных клинообразных лотков.

Недостатком ветродвигателя является то, что при достаточно сложной конструкции он имеет низкий коэффициент использования энергии ветра.

Целью изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветра и упрощение конструкции.

Для этого выходной диффузор выполнен с углом раскрытия ϕ = 14-20^о и заканчивается раструбом, имеющим радиус скругления h = 0,5-1,0 и внешний диаметр D_р = 2-3 от диаметра горловины D_о, а за раструбом на расстоянии h = 0,2-0,4D_о установлен на пилонах круглый экран диаметром D_э = 0,9-0,95D_р.

Поскольку при дополнительном поиске не были обнаружены аналоги с признаками, отличающими предложенное решение от прототипа, делается вывод о соответствии заявляемого решения критериям новизны и существенных отличий.

На фиг. 1 приведена схема ветродвигателя; на фиг. 2 - график зависимости относительного коэффициента использования энергии ветра от относительной площади раструба.

Ветродвигатель содержит корпус 1 с входным конфузором 2, горловиной 3 и выходным диффузором 4 с углом раскрытия 14-20^о. В горловине 3 расположен лопастной ротор 5. На выходе из диффузора 4 выполнен раструб 6, внешний диаметр которого составляет 2-3 диаметра D_огорловины 3. Радиус скругления поверхности раструба 6 составляет 0,5-1,0 от диаметра горловины 3. За раструбом 6 на расстоянии h = 0,2-0,4D_о с помощью пилонов 7 установлен круглый экран диаметром 0,9-0,95 от диаметра раструба D_р.

Принцип работы ветродвигателя заключается в следующем.

При обтекании ветродвигателя ветром со скоростью v_н (сила ветра) на внешней кромке раструба 6 происходит отрыв потока (см. фиг. 1). В зоне отрыва возникает разрежение с коэффициентом давления С_р = (P_отр-P_н)/(1/2πV²_н) = -0,5-0,6, вследствие чего увеличивается расход воздуха через ветродвигатель. При этом пропорционально расходу в кубе возрастает коэффициент использования энергии ветра.

Приведенные на фиг. 2 результаты экспериментальных исследований показывают, что при относительной площади раструба (D_p/D_o)² = 4-9 коэффициент использования энергии ветра N/N_o увеличивается на 30-90% по сравнению с исходным вариантом без раструба и экрана, где N_о - мощность исходного ветродвигателя с диффузором, ϕ = 6^о и относительной площадью D²_д /D²_o = 2,56).

Из фиг. 2 видно, что уменьшение относительного диаметра раструба D_p= D_p/D_o меньше 2 нецелесообразно, так как при этом резко падает (круче, чем по линейной зависимости) эффективность ветродвигателя. Видно также, что и увеличение диаметра раструба свыше 3 практически не дает прироста мощности, однако приводит к существенному увеличению внешней нагрузки, которая растет пропорционально (D_p/D_o)². Таким образом, оптимальные значения D_р соответствуют диапазону 2-3. Наличие экрана позволяет увеличить угол раскрытия диффузора ϕ до 14-20^обез возникновения отрыва, а значит, и без увеличения гидравлических потерь. Это в 2-3 раза больше оптимального угла обычного безотрывного диффузора. Примерно во столько же раз сокращается и длина предлагаемого устройства. Величина зазора R = 0,2-0,4D_о и диаметр экрана D_э = 0,9-0,95D_р получаются из уравнения расхода при условии поворота потока без изменения площади струи. Форма раструба и величина радиуса скругления его поверхности R определены из точного решения, полученного путем наложения бесконечного потока на течение около пространственного стока. В этом течении уравнение линий тока имеет вид r = (см. фиг. 1). Для рассматриваемого случая функция тока Ψ составляет -0,005 и 0 (для раструба и экрана соответственно).

Предлагаемый ветродвигатель позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра при более упрощенной конструкции по сравнению с прототипом. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1590626, кл. F 03 D 1/04, 1990.

2. Авторское свидетельство СССР N 1592573, кл. F 03 D 1/04, 1990.

Формула изобретения

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий корпус с входным конфузором, горловиной, переходным участком, выходным диффузором и лопастной ротор, размещенный в горловине, отличающийся тем, что, выходной диффузор снабжен экраном, закрепленным на торце диффузора при помощи пилонов, внутренняя поверхность горловины выполнена в виде конуса, обращенного меньшим основанием к входному конфузору и имеющего угол раскрытия 14^o - 20^o, причем радиус округления переходного участка и внешний диаметр диффузора составляет соответственно 0,5 - 1,0 и 2,0 - 3,0 диаметра меньшего основания конуса, расстояние от диффузора до экрана выполнено равным 0,2 - 0,4 диаметра меньшего основания конуса, а диаметр экрана составляет 0,9 - 0,95 внешнего диаметра диффузора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2