Ветродвигатель внип-2ф

 

Использование: в ветроэнергетике. Сущность изобретения: улучшение эксплуатационных характеристик обеспечивается за счет усовершенствования воздухозаборной части двигателя. Для этого стык раструба 5 и башни 1 поднят над воздухозаборником, а снаружи башни 1 на уровне стыка закреплен круговой грибовидный козырек 8 с полузамкнутой кольцевой камерой "б" под ним. Причем камера "б" снизу ограничена шайбой "в", а раструб 5 под козырьком 8 имеет пояс из сегментовидных пазов "ю". В раструбе 5 размещен обтекатель 4, а над ним - воздушная турбина 2. Конструкция позволяет увеличить ветроиспользование, проста в изготовлении и не требует квалифицированного обслуживания. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветродвигателей с направляющими устройствами для воздушного потока.

Известен проект ветродвигателя с воздушной турбиной, размещенной в вытяжной башне, которая имеет эжектирующий оголовок и круговой воздухозаборник в нижней башенной части. Причем указанный заборник включает в себя центральный обтекатель, сопряженный с башней посредством ее раструба и вертикальных перегородок, изогнутых по винтовым линиям и образующих сходящиеся сужающиеся кверху спиральные каналы. При этом оголовок по диаметру меньше заборника.

Ветровые токи, набегающие на оголовок и воздухозаборник, создают в тракте башни восходящий закрученный поток, приводящий турбину в быстрое вращение. Описанная конструкция легко улавливает струи воздуха, меняющие направление как по румбу, так и по высоте /1/.

Недостаток этого проекта заключается в недостаточной мощности двигателя и малой стабильности энерговыработки при ветрах переменной силы. Этот недочет частично снижен в следующем техническом решении, выбранном в качестве прототипа.

Оно отличается тем, что воздухозаборник ветродвигателя по периферийному поясу снабжен вертикальными пластинами, расположенными радиально и сопряженными с изогнутыми перегородками, а по верхнему ярусу этот заборник охвачен направляющим /струеповоротным/ кольцом. Причем упомянутое кольцо имеет серповидный профиль, обращенный вогнутостью к круговой кромке раструба, которая притуплена так, что с указанной вогнутостью создает кольцеподобный тракт, концентричный оси вращения турбины. При этом удерживается данное кольцо в конструкции с помощью вертикальных пластин, контактирующих с круговой вогнутостью своими внешними выступами /2/.

Ветровые токи в таком случае затекают в каналы заборника с диаметрально противоположных секторов. Как через наветренные входы, находящиеся под кольцом, так и посредством верхней заостренной кромки кольца и кромок вертикальных пластин, расположенных за стволом шахты. Мощность турбины при этом увеличивается за счет сокращения парциальности действия каналов заборника. Энерговыработка же двигателя благодаря турбулентности воздушных струй, что обтекают входные кромки боковых пластин, здесь несколько стабилизируется, когда ветер меняет свою силу.

Недостаток прототипа связан с ограниченными способностями его кольцевого воздухозаборника. Ствол шахты существенно затеняет входы направляющего кольца в подветренном секторе. Этот дефект сокращается лишь при увеличении отношения диаметров раструба и шахтного ствола. И еще. Указанное кольцо негодно для поворота потока всей воздушной массы, требуемой при ежектировании окружающей среды в спиральные каналы подветренного сектора. Не так сильна и турбулентность на входе в боковые каналы кольца. Выпуклая поверхность серповидного профиля, встречая набегающие токи воздуха, чрезмерно отклоняет эти струи вверх и вниз. Входы каналов наветренного и подветренного секторов от этого заполняются не очень полно. Двигатель не так "чувствителен" к слабым ветровым дуновениям. Стабилизирующий эффект направляющего кольца ухудшается, когда ветер задувает сверху. Или, например, кабрирует.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных параметров ветродвигателя. При этом преследуется и цель увеличить энерговыработку и более полно стабилизировать мощность воздушной турбины. Задача решается за счет усовершенствования конструкторской схемы воздухозаборной части двигателя, для чего предложен ветродвигатель, содержащий вытяжную башню с нижним кольцевым воздухозаборником и эжектирующим оголовком на башенной вершине, а также воздушную турбину, вмонтированную в шахту башни, причем в воздухозаборную часть включены центральный обтекатель, ограничивающий заборник снизу, и башенный раструб, размещенный на верхнем ярусе того же заборника, а обтекатель и заборник между собой связаны вертикальными перегородками, расположенными по кругу равномерно и закрученными по винтовым линиям в сторону вращения турбины. Предусмотрено в составе указанной части и направляющее кольцо.

Последнее находится на уровне упомянутого яруса, имеет серповидный профиль в радиальном сечении, своей вогнутостью охватывает кромку раструба /причем данный охват выполнен с круговым зазором/ и крепится к раструбу посредством вертикальных пластин. Пластины установлены радиально и равномерно по окружности кольца и так, что каждая из них является периферийным продолжением соответствующей перегородки заборника и контактирует с вогнутостью кольцевого профиля. Отличие предлагаемого ветродвигателя от прототипа состоит в том, что стык раструба с башней поднят над заборником, а на башенном стволе, над направляющим кольцом и на уровне стыка раструба с башней имеется круговой грибовидный козырек с кольцевой полузамкнутой камерой под грибковой выпуклостью. Направляющее кольцо охвачено с круговым зазором эжектирующим кольцом, которое скреплено с направляющим кольцом самостоятельными вертикальными пластинами, установленными радиально и равномерно по кругу. При этом на внешней поверхности раструба, на участке, примыкающем к кольцевой камере снизу и выступающем вверх из плоскости верхнего торца эжектирующего кольца, имеется пояс продольного оребрения, составленный, к примеру, из сегментоподобных врезов-пазов, причем расположены данные пазы равномерно по окружности и каждый в своей радиальной плоскости, совмещенной с осью вращения турбины. Ветродвигатель отличается еще и тем, что его грибовидный козырек по диаметру меньше эжектирующего оголовка башни, а кольцевая камера козырька ограничена на периферии нижнего козырькового среза горизонтально расположенной шайбой. Последняя же своим отверстием концентрична раструбу и по диаметральному размеру отверстия больше поперечника башенного ствола, причем так что между стволом и шайбой образован кольцевой проход. Этот проход в радиальных направлениях не меньше ширины шайбы, а эжектирующее кольцо по своему высотному размеру превосходит направляющее кольцо, верхним торцом возвышается над верхним срезом направляющего кольца и по профилю радиального сечения уподоблено остроугольному треугольнику. При этом наиболее короткая сторона треугольного профиля вогнута и обращена к направляющему кольцу. Две другие стороны выполнены выпуклыми, но с меньшей кривизной.

Отличается ветродвигатель тем, что эжектирующее кольцо нижним торцом делит спиральные каналы по их высоте примерно пополам. При этом межкольцевой тракт плавно сужается вниз и по живому сечению вверху превосходит тракт, заключенный между направляющим кольцом и раструбом. Причем вертикальные пластины межкольцевого тракта по численности превышают пластины, непосредственно связанные с раструбом, например, в два раза. Выполнены же данные пластины как по всей длине межкольцевого тракта, так и укороченными. При этом каждая из укороченных пластин встроена между соседними длинными пластинами и только во входах сужающихся каналов межкольцевого тракта.

Ветровые токи, набегающие на башню двигателя и обтекающие ее части и узлы, создают разрежение среды тут как естественным образом на подветренной стороне конструкции, так и при помощи эжектирующего оголовка. Одновременно потоки ветра образуют напор воздуха на фронтальных поверхностях и наддув трактов заборника, причем с диаметрально противоположных сторон последнего. Воздушные струи при этом затекают и через крупные наветренные входы, что под эжектирующим кольцом, и в многочисленные входы, которые расположены по верхнему и нижнему ярусам подветренного сектора заборника.

Роль направляющего кольца здесь почти ограничивается функциями пространственной лопатки Прандтля, обеспечивающей ламинарные течения при весьма крутом повороте потока вокруг не очень толстой кромки раструба. Основным же рабочим трактом подветренного сектора является межкольцевой. Тут происходит организованное ускорение воздушных струй, которые приметны повышенным объемным расходом. Вторгаясь в более крупные спиральные каналы заборника в зоне пониженного давления, эти струи эжектируют среду и снизу и сверху.

Особое внимание в предлагаемом ветродвигателе уделено сокращению теневой зоны за раструбом. Этому способствуют как увеличенное отношение диаметров заборника и башенного ствола, так и следующее. Чтобы ветер лучше проникал в затененную зону и боковые входы колец, срабатывает узел, состоящий из грибкового козырька, его кольцевой полости и пояса продольных пазов. В задачу данного узла входит прежде всего переброс неких воздушных масс с наветренной стороны башни в указанную зону разрежения и подача среды на входы подветренного сектора заборника. Секундный расход воздуха через затененные входы тем самым возрастает до значений, что имеют место с наветренной стороны. Мощность турбины, стабильность действия и "чувствительность" двигателя повышаются.

На чертеже ветродвигатель изображен в двух проекциях и на трех фигурах.

Фиг. 1 дает представление о двигателе в общем виде; показано сложное сечение А-А по фиг. 1; фиг. 3 иллюстрирует схему козырькового узла.

Предлагаемый двигатель содержит вытяжную башню 1 /фиг. 1/ с нижним кольцевым воздухозаборником, воздушной турбиной 2, вмонтированной в башенную шахту, и с эжектирующим оголовком 3. Данный оголовок 3 расположен на вершине башни 1 и обладает двухтрактной кольцевой частью, охватывающей срез шахты.

Заборник образован центральным обтекателем 4 и раструбом 5, который связан с обтекателем 4 вертикальными перегородками 6. Эти перегородки 6 разделяют заборник на суживающиеся кверху и в направлении турбины 2 спиральные каналы "к" /см. также фиг. 2/.

Новым в воздухозаборе двигателя является то, что кроме направляющего кольца 7, охватывающего кромку "с" раструба с помощью радиальных пластин "д", сопряженных с перегородками, предусмотрены грибовидный козырек 8 и эжектирующее кольцо 9.

Козырек 8 выполнен с кольцевой камерой "б" /фиг. 3/, имеющей проход возле поверхности раструба, несет с этой целью шайбу "в" и контактирует с верхним срезом раструба. Последний же непосредственно под козырьком 8 содержит пояс из сегментовидных пазов "ю".

Эжектирующее кольцо 9 крепится к направляющему кольцу 7 посредством самостоятельных вертикальных пластин. Они расположены равномерно по кругу, радиально и подразделяются на длинные 10 и короткие 11. Межкольцевой тракт "о" суживается книзу. Тракт "е", охватывающий кромку раструба, по живому сечению меньше межкольцевого. Внизу оба тракта одинаковы по проходу. Электрогенератор 12 подключен к турбине 2.

Направляющее кольцо 7, эжектирующее кольцо 9 и входы спиральных каналов "к" по высотным размерам удовлетворяют неравенству: h H h^', где h высота кольца 7, h^' высота кольца 9, Н высотный размер входа в спиральный канал.

При этом нижний торец эжектирующего кольца 9 пребывает на уровне 0,5 x Н. Диаметральный размер Д козырька меньше габаритного диаметра Д оголовка, что подчеркивает разницу в геометрических параметрах козырька 8 и тракта "О" по горизонту. Пазы "ю" аналогичны наружным шлицам.

При работе ветродвигателя ветровые токи, набегающие на башню 1 /фиг. 1/, единовременно взаимодействуют с заборником внизу, на оголовке 3 и козырьке 8. Причем кромка "р" кольца 9 плавно раздвигает ветровые струи на самостоятельные потоки "Л" и "М", которые после этого практически сохраняют горизонтальное направление.

Характер срабатывания названных струй зависит от степени их удаленности от "диаметральной плоскости" /той вертикальной, в которой находится ветровой вектор и ось вращения турбины 2/. Те струи "Л", что близки к указанной плоскости /фиг. 2/, легко захватываются перегородками 6 и вторгаются в каналы "к", обращенные своими входами к ветру фронтально.

Струи "И", удаленные от диаметральной плоскости, взаимодействуют с боковыми перегородками 6 иначе. В этих входах развиваются крупные вихри. А струи "М" ведут себя также двояко. Близкие к диаметральной плоскости сталкиваются с наклонной фронтальной поверхностью раструба 5, взбегают при этом по продольным пазам "ю" /см. фиг. 3/ вверх и оказываются в кольцевой полости "б".

Тут упомянутые струи двумя симметричными потоками перетекают в подветренный сектор камеры. Обе эти массы, сливаясь, выбрасываются из полости вниз уплотненной струей "Т", что и демонстрирует фиг.3. Объединенная струя направляется дальше по подветренной образующей раструба во входы "е" и "о", которые испытывают воздушное голодание. Так формируется ток "У". Тот, что эжектирует воздушные массы пониженного давления в каналы "к" подветренной стороны. Движение этих масс обозначено на фиг. 1 светлой стрелкой "Ф".

Струя "М", удаленная от диаметральной плоскости, захватывается внутренней боковиной решетчатого заборника. Того, что составлен верхними заостренными кромками колец 7, 9 и вертикальными пластинами "д", 10 и 11. В данных входах возникают мини-вихри "Х" /см. фиг. 2/. Эта турбулентность наиболее эффективно регулирует поступление воздуха в турбину. Чем слабей ветер, тем больше боковых входов срабатывает на ее вращение, и наоборот. При тайфуне число каналов, пропускающих воздушный поток, автоматически убывает.

В том случае, когда ветер задует с наклоном /пологое пикирование по стрелке "П", что на фиг. 1/ и кольцевая камера уже не функционирует, в действие вступает грибковая поверхность "а". Воздушные токи. здесь, стекая с указанной поверхности по стрелкам Т', продолжают процесс вторжения в тракты "е" и "о". Этому способствует то, что диаметр Д' много меньше диаметрального габарита заборника.

Ветродвигатель предлагаемой системы позволяет увеличить ветроиспользование. Он абсолютно надежен в эксплуатации, отличен большим ресурсом и не нуждается в квалифицированном обслуживании. Изготовить эту технику может любой машиностроительный завод. Он весьма удобен при конверсии предприятий авиационной и ракетной промышленности.

Ветродвигатель, по мнению автора, можно использовать на возвышенном хуторе, в небольшом фермерском хозяйстве, где открытая местность и часты ветры. К примеру, в тундре, на горной вершине, куда трудно доставлять нефтетопливо и прокладывать ЛЭП, а также для энергоснабжения высотных сооружений в черте города с непростой экологией /там, где ураганы и землетрясения/.

Формула изобретения

1. Ветродвигатель, содержащий вытяжную башню с нижним воздухозаборником и верхним эжектирующим оголовком, а также воздушную турбину, вмонтированную в башенный тракт, и включенные в воздухозаборную часть центральный обтекатель и раструб, размещенный на верхнем ярусе заборника, которые связаны между собой вертикальными перегородками, расположенными равномерно по кругу и закрученными по винтовым линиям в сторону вращения турбины, и направляющее кольцо, находящееся на уровне указанного яруса, имеющее в радиальном сечении серповидный профиль и охватывающее вогнутостью этого профиля кромку раструба с круговым зазором и крепящееся к раструбу посредством вертикальных пластин, которые установлены радиально к оси башни таким образом, что каждая из них является периферийным выступом соответствующей перегородки и контактирует с упомянутой вогнутостью, отличающийся тем, что стык раструба и башенного ствола поднят над заборником, причем снаружи башни и на уровне, приближенном к указанному стыку снизу, имеется круговой грибовидный козырек с полузамкнутой кольцевой камерой под грибковой выпуклостью, при этом камера снизу ограничена горизонтальной шайбой, примыкающей к периферии козырькового среза, а направляющее кольцо охвачено с круговым зазором эжектирующим кольцом, которое скреплено с направляющим кольцом самостоятельными вертикальными пластинами, установленными равномерно по кругу и радиально, а на внешней поверхности раструба, на участке, примыкающем к кольцевой камере и выступающем вверх из плоскости верхнего торца эжектирующего кольца, имеется пояс продольного оребрения, состоящий, например, из сегментоподобных пазов, расположенных равномерно по окружности и каждый в своей вертикальной плоскости, радиальной к оси башни.

2. Ветродвигатель по п. 1, отличающийся тем, что грибовидный козырек по диаметру меньше эжектирующего оголовка, а шайба кольцевой камеры концентрична раструбу и по диаметральному размеру своего отверстия больше вершин пояса оребрения, которые этим отверстием охватываются круговым зазором, причем эжектирующее кольцо по высотному размеру превосходит направляющее кольцо, верхним торцом возвышается над верхним срезом направляющего кольца и по профилю радиального сечения подобно остроугольному треугольнику, при этом наиболее короткая сторона треугольного профиля вогнута и обращена к направляющему кольцу, а две других стороны выполнены выпуклыми, но с меньшей кривизной.

3. Ветродвигатель по пп. 1,2, отличающийся тем, что эжектирующее кольцо нижним торцом делит спиральные каналы по их высоте примерно пополам, при этом межкольцевой тракт плавно сужается вниз и по живому сечению вверху превосходит тракт, что заключен между направляющим кольцом и раструбом, причем вертикальные пластины межкольцевого тракта по численности превышают пластины, непосредственно связанные с раструбом, например, в два раза, и выполнены как по всей длине межкольцевого тракта, так и укороченными, при этом каждая из укороченных пластин встроена между соседними длинными пластинами и только во входах сужающихся каналов межкольцевого тракта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3