Ветродвигатель

 

Использование: в ветротехнике. Сущность иэобретения: ветродвигатель содержит ветроколесо 1 с поворотными лопастями 2 и турбулизаторы 3, установленные с зазором относительно передней кромки лопастей. Турбулизатор выполнен в виде профиля углового сечения с острым передним углом величиной 15-35 град., шириной (0,05-0,1)b и закреплен с помощью кронштейнов 6 на передней кромке лопасти 2 с зазором, равным (0,07-0,15)b, где b - хорда соответствующего сечения лопасти. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а именно к ветроэнергетическим установкам.

Известен ветродвигатель, содержащий ветроколесо с лопастями и турбулизаторы, установленные в передней кромке лопастей (а.с.N 1268790, кл. F 03 D 1/00, 1982 г.).

Турбулизатор в этом устройстве выполнен из нескольких выпуклых пластин, установленных по замкнутой кривой с образованием выпускных щелей и внутреннего канала, подключенного к источнику высокого давления.

Недостатками устройства является сложность конструкции и необходимость дополнительного источника высокого давления в энергетической установке.

Известен ветродвигатель, содержащий ветроколесо с лопастями и турбулизаторы, установленные с зазором относительно передней кромки лопастей (а.с. N 1539387, кл. F 03 D 7/02).

Данное устройство является наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату.

Недостатком этого устройства является малая эффективность турбулизатора из-за сравнительно небольшого увеличения скорости воздушного потока, набегающего на лопасть, так как в нем турбулизатор выполнен цилиндрическим с постоянным сечением по длине лопасти.

Целью изобретения является увеличение эффективности преобразования энергии ветра.

Данная цель достигается тем, что в ветродвигателе, содержащем ветроколесо с поворотными лопастями и турбулизаторы, установленные с зазором относительно передней кромки лопасти, турбулизатор выполнен в виде профиля углового сечения с острым передним углом величиной 15.35^o, шириной (0,05.0,1)b и закреплен с помощью кронштейнов на передней кромке лопасти с зазором, равным (0,07.0,15)b, где b ширина соответствующего сечения лопасти.

На фиг. 1 изображен общий вид ветродвигателя; на фиг. 2 сечение по В-В; на фиг. 3 сечение по В-В.

На фиг. 4.6 изображены графики прироста мощности ΔN, развиваемой ветродвигателем от соотношений параметров: фиг. 4 от угла α переднего угла турбулизатора; фиг. 5 от ширины d(b) турбулизатора; фиг. 6 от расстояния a(b) турбулизатора от передней кромки лопасти.

Ветродвигатель состоит из ветроколеса 1 с лопастями 2, турбулизаторов 3, поворотной гондолы 4 и башни 5.

Турбулизатор 3 выполнен в виде профиля углового сечения с острым передним углом α и величиной 15.35^o, с переменной шириной d (0,05.0,1)b и закреплен на передней кромке лопасти с помощью кронштейнов 6 с зазором, равным (0,07.0,15)b, где b ширина соответствующего сечения лопасти.

Работает устройство следующим образом. При вращении ветроколеса за турбулизатором возникают вихри, средняя скорость потока которых увеличена по сравнению со скоростью невозмущенного потока, в результате чего происходит увеличение выработки энергии ветроколесом.

Угловое сечение турбулизатора уменьшает сопротивление лопасти при вращении и увеличивает среднюю скорость потока ветра, набегающего на лопасть, что повышает эффективность преобразования энергии ветра.

Острая кромка турбулизатора, обращенная к набегающему потоку, обеспечивает эффективную турбулизацию потока в широком диапазоне скоростей, что в особенности важно при низких скоростях ветра.

Турбулизатор, выполненный в виде профиля углового сечения, установленный на кронштейнах с зазором относительно передней кромки лопасти, обладает достаточной жесткостью и прочностью для работы в широком диапазоне скоростей ветра.

При работе в неблагоприятных климатических условиях (резкий ветер, повышенная турбулентность, выпадение дождя, снега, обледенение) профиль может быть усилен при выполнении его замкнутым (треугольного сечения), полым или сплошным, например, со вспененным заполнителем.

Заявляемые диапазоны соотношений передних углов, переменной ширины турбулизатора, связанные с важнейшим конструктивным параметром ветродвигателя b (хордой лопасти), и переменным, в зависимости от хорды b, расстоянием выноса турбулизатора вперед от профиля лопасти, установлены на основании многочисленных исследований, в ходе которых исследовались эффекты вихреобразования на острых кромках с целью повышения эффективности работы ветродвигателей при низких скоростях ветра.

Величина хорды b выбрана в качестве конструктивного параметра по той причине, что она, по существу, единственная величина в каждом сечении r при оптимальных характеристиках ветроколеса.

Из теории ветроколеса известно, что при заданных: радиусе ветроколеса, скорости вращения, скорости выхода на номинальную мощность и типе применяемого аэродинамического профиля, величина хорды и закон ее изменения по радиусу b(r) имеют единственные значения для условий максимального отбора мощности от потока, который требует достижения максимального коэффициента мощности в каждом сечении.

Поэтому при создании практических конструкций ветроколес для достижения максимальной эффективности ветроколеса в соответствии с поставленной целью изобретения использование хорды b(r) в качестве конструктивного параметра показательно и оправдано.

Границы диапазонов соотношений устанавливались из условия снижения эффекта, обеспечиваемого заявляемым устройством вне их границ, до уровня менее приблизительно 10% от максимального эффекта внутри диапазонов, имея ввиду, что для большинства устройств и режимов их работы уход от значений параметров в центральных областях диапазонов до уровня 10% практически означает отсутствие эффекта.

Как правило, для ветродвигателей, ориентированных на отдачу мощности от низкоскоростных ветропотоков, имеющих диапазон 3,0.6,0 м/с, при скоростях более 7.8 м/с необходимо ограничивать мощность, развиваемую ветродвигателем, т.к. она уже является избыточной.

Кроме того, при возрастании скорости ветра, необходимо поддерживать оптимальные углы установки сечений лопасти ветродвигателя с турбулизаторами во избежание возникновения отрывных течений и связанных с ними неприятных явлений (потеря мощности и перегружение конструкции).

Поэтому лопасти заявляемого ветродвигателя выполнены поворотными.

В результате исследований установлено, что при выполнении ветродвигателя согласно заявляемого решения эффективность выработки энергии по развиваемой мощности в диапазоне скоростей ветров 3,0.6,0 м/с повышается в 1,5.2,3 раза.

Следует подчеркнуть, что указанные выше соотношения размеров диапазоны параметров относятся к области регулируемых ветродвигателей, т.е. таких, которые имеют постоянную скорость вращения при работе во всем рабочем диапазоне скоростей ветра. Исследования работы заявляемого ветродвигателя производились для профиля "ЭСПЕРО" 20.30% толщины, который эффективен для низко и среднескоростных ветропотоков.

Применение профиля "ЭСПЕРО" не является обязательным для достижения поставленной цели изобретения при использовании совокупности признаков заявляемого устройства. Важным является относительная толщина от 20 до 30% что дает возможность достижения максимального коэффициента Ср мощности каждого сечения теоретического предела при низкоскоростных потоках.

Могут применяться профили NACA, ЦАГИ, например, экспериментальный профиль "П1".

Применение профиля "ЭСПЕРО" дополнительно усиливает эффект. Таким образом, применение заявляемого ветродвигателя позволяет достичь поставленную цель, а именно: увеличить эффективность преобразования энергии ветра.

Изобретение предназначено для выработки энергии в низкоскоростных ветровых потоках преимущественно в центрально-материковых районах континентов, например в Центральной России, где среднегодовая скорость ветра лежит в диапазоне 3,0.4,8 м/с.

Формула изобретения

1. Ветродвигатель, содержащий ветроколесо с поворотными лопастями и турбулизаторы, установленные с зазором относительно передней кромки лопастей, отличающийся тем, что турбулизатор выполнен в виде профиля углового сечения с острым передним углом величиной 15-35^o, шириной (0,05-0,1)в и закреплен на передней кромке лопасти с зазором, равным (0,07-0,15)в, где в ширина соответствующего сечения лопасти.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что профиль углового сечения выполнен замкнутым.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6