Ветроколесо

 

Использование: ветротехника, а именно в ветродвигателях с горизонтальной осью вращения. Сущность изобретения: повышение коэффициента использования ветроустановки, увеличение мощности при уменьшении габаритов, сокращение сроков окупаемости и расширение универсальности и применяемости обеспечивается тем, что ветроколесо содержит ступицу 1, радиальные лопасти 2, установленные на них поперечные вихреобразующие элементы 3, имеющие, как и лопасти, профиль аэродинамического крыла и присоединенные к периферийным частям лопастей 2. Каждая лопасть 2 выполнена с сужающейся по радиусу хордой в пределах корневой и центральной частей и с расширяющейся по радиусу хордой - в периферийной части, причем расширение хорды лопасти 2 в периферийной части имеет место в диапазоне от 0,85 до 0,9 радиуса до конца лопасти 2, угол закрутки на сужающемся участке лопасти 2 выполнен неравномерным по радиусу: монотонно уменьшающимся на сужающемся ее участке и увеличивающимся - в ее периферийной части, кроме того, каждая лопасть 2 выполнена с относительной толщиной, уменьшающейся в диапазоне от 30% до 20% от корневой части к периферийной с плавным переходом на конце в поперечный вихреобразующий элемент 3, выполненный с соотношением длины в аксиальном направлении и хорды, равным 0,8-1,5, и относительной толщиной в пределах от 5 до 15%. Профиль поперечного вихреобразующего элемента 3 установлен под углом атаки 4-6 градусов относительно касательной к поверхности, образованной вращением ветроколеса. Хорда концевого сечения лопасти 2 может быть выполнена равной хорде поперечного вихреобразующего элемента 3. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в ветроэнергетических установках с горизонтальной осью вращения.

Известно ветроколесо /1/, включающее в себя ступицу, вращающуюся вокруг своей оси, с прикрепленными к ней лопастями, расширяющимися с увеличением радиуса, каждая лопасть у своей вершины скреплена с дополнительной лопаткой (поперечным элементом), расположенной относительно лопасти так, что пики низкого давления на лопатках и лопастях при вращении расположены друг от друга на расстоянии более, чем 0,3 длины наибольшей хорды.

Недостатком этого известного решения является неэффективное использование собственно лопастной части ветроколеса, т.к. лопасти фактически выполняют функцию маха, удерживая в заданном положении поперечные элементы.

Из теории ветродвигателей известно, что для съема максимальной мощности от ветроколеса необходимо, чтобы каждое сечение (по радиусу) лопасти отдавало наибольшую возможную мощность, а для этого хорда лопасти в корневой части должна быть больше, чем в концевой. Уход от этого в известном решении означает неоптимальное использование ветроколеса.

Корневая часть лопасти в известном решении, обладающая малой "строительной высотой" в сечении, плохо работает на изгиб при ветровых нагрузках.

Перечисленные недостатки затрудняют создание с использованием известного решения ветроколес сколь-нибудь значительных размеров, необходимых для получения высокой мощности в низкоскоростных ветропотоках и ограничивают его эффективность.

Целью изобретения является: повышение коэффициента использования ветроэнергетической установки за счет расширения диапазона рабочих скоростей в сторону низких скоростей ветра; увеличение мощности ветроколеса при уменьшении его габаритов; сокращение сроков окупаемости; расширение универсальности и применяемости в районах с низкоскоростными ветропотоками.

Поставленная цель достигается за счет того, что лопасти ветроколеса, снабженные поперечными вихреобразующими элементами, выполнены в начале с сужающейся по радиусу хордой в корневой и центральной частях и расширяющейся - в периферийной части.

Расширение хорды начинается в периферийной части в диапазоне от 0,85.0,9 радиуса ветроколеса до конца лопасти. Угол закрутки лопасти выполнен переменным и монотонно уменьшающимся по длине в пределах корневой и центральной частях.

В периферийной части в диапазоне от 0,85.0,9 радиуса до конца лопасти угол ее закрутки вновь возрастает.

Относительная толщина лопасти выполнена переменной, монотонно уменьшающейся от 30% в корневой до 20% в концевой частях, а поперечного вихреобразующего элемента в пределах 5.15% Длина поперечного вихреобразующего элемента в аксиальном направлении и хорда выполнены в соотношении 0,8.1,5, при этом аэродинамический профиль установлен под углом атаки 4.6^o относительно касательной к поверхности, образованной вращением ветроколеса.

Фиг. 1, 2 общий вид лопастей ветроколеса; фиг. 3 график угла ϕ закрутки сечений лопасти по радиусу R лопасти; фиг. 4 график изменения относительной толщины d(b) по радиусу лопасти ветроколеса; фиг. 5 эпюра скоростей ветропотока через сечение круга, ометаемого ветроколесом при работе. фиг. 6 графики коэффициента мощности С_р(Z) для заявляемого и "классического" решения ветроколеса.

Ветроколесо содержит ступицу 1, радиальные лопасти 2, установленные на них поперечные вихреобразующие элементы 3, имеющие, как и лопасть, профиль аэродинамического крыла, и присоединенные к лопастям в периферийной части.

Лопасть 2 выполнена с сужающейся по радиусу хордой b(R) в пределах корневой 4 и центральной частей (см. фиг. 1). В периферийной 6 части в диапазоне значений радиуса от 0,85.0,9 до 1,0 хорда лопасти расширяется.

В корневой 4 и центральной 5 частях угол закрутки монотонно уменьшается (см. фиг. 3), а от (0,85.0,9)R в периферийной 6 части угол закрутки возрастает.

Лопасть имеет переменную относительную толщину δ(b) по радиусу ветроколеса: в корневой части при r R_к (фиг. 1) она составляет 30% а в концевой r R 20% с плавным переходом в поперечный вихреобразующий элемент (см. фиг. 2).

Поперечный вихреобразующий элемент 3 установлен на конце лопасти 2 (фиг. 1, 2) и выполнен с соотношением длины L его в аксиальном направлении и хорды b_в в диапазоне 0,8.1,5. Относительная толщина δ_b вихреобразующего элемента 3 выполнена в пределах 5.15% а угол атаки β (фиг. 1) составляет 4.6^o касательной к поверхности, образованной вращением ветроколеса.

Работа ветроколеса происходит следующим образом. При воздействии ветрового потока ветроколесо вращается с номинальной скоростью w,, определяемой балансом мощности, отбираемой от ветропотока и мощности нагрузки.

При движении вихреобразующего элемента 3, имеющего профиль аэродинамического крыла, обращенного наибольшей кривизной к центру ветроколеса из-за перепада давлений, происходит дополнительное перетекание воздуха в зону под вихреобразующим элементом, см. фиг. 2 (стрелка). С учетом набегающего ветропотока со скоростью V∞, окружной скорости V_окр=ω·R, формируется торовое вихревое кольцо, своего рода динамический конфузор, который "засасывает" воздух в ветроколесо.

В результате скорость потока в периферийной зоне возрастает. За счет увеличения расхода повышается мощность, развиваемая ветроколесом.

Как показали исследования, эффективность ветроколеса зависит от совместной работы собственно лопасти и вихреобразующего элемента: его длины l, хорды b_в, углов атаки, конструктивных параметров периферийной части лопасти.

На фиг. 5 изображен поперечный профиль скоростей потока по сечению вращающегося ветроколеса.

В периферийной зоне в диапазоне радиусов от R (0,85.0,9) до 1,0 расходуется возрастание скорости, что практически, например, удваивает расход воздуха через ветроколесо и соответственно повышает его мощность. Возрастание скорости потока в периферийной части лопасти приводит к изменению ориентации и величины суммарного вектора скорости набегающего на сечения лопасти ветроколеса потока: что требует изменения увеличения углов установки сечений лопастей в периферийной части лопасти и увеличения хорды, как показано на фиг. 1 и 3.

Ветроколесо предназначено для преимущественного использования в области низкоскоростных ветропотоков, 2,5. 6,0 м/с с сохранением эффективности в диапазоне рабочих скоростей до 20.25,0 м/с и выработки электроэнергии до десятков кВт мощности в диапазоне как малых, так и больших скоростей ветра. Ветроколесо имеет высокую приспосабливаемость в широком диапазоне ветров и на различной местности.

Так, в корневой, центральной и периферийной частях при r <(0,85.0,9)R лопасть имеет оптимальные зависимости b(r), ϕ(r),, позволяющие достичь максимального коэффициента мощности для каждого сечения.

Это достигнуто применением переменного по относительной толщине профиля δ(r) и подбором оптимальной для каждого сечения сужающейся по радиусу хорды.

Сочетание увеличенной против классической толщины профиля с расширенной шириной лопасти в корневой и центральной частях обеспечивает высокую изгибную и крутильную жесткость системы "лопасть вихреобразующий элемент", исключает возникновение аэроупругих колебаний ветроколеса при рабочих режимах в расширенном диапазоне скорости ветра.

Толщина аэродинамического профиля вихреобразующего элемента выбиралась из условия достижения максимальной эффективности при конструктивно приемлемых параметрах: l, b_в, β..

Исследования показали, что при скоростях ветра V 2,5.3,5 м/с ветроколесо обладает повышенной устойчивостью к провалам скорости ветра и ветровым паузам за счет инерционности процессов в вихревом динамическом конфузоре.

Ограничение мощности, развиваемой ветроколесом (при необходимости), производится классическим путем изменения углов установки сечений лопастей при увеличении скорости ветропотока.

Ветроколесо обладает уменьшенными размерами, высоким ресурсом по длительности работы, высокой прочностью, а также позволяет уменьшить размеры и прочность башни ВЭУ.

Коэффициент мощности ветроколеса (рассматривается приведенный коэффициент как коэффициент пропорциональности между скоростью δ потока (в кубе), развиваемой мощностью N, плотностью , диаметром d ветроколеса), определяемый соотношением V∞= 5...6 м/с, может превышать известный теоретический предел для 5.6 м/с и достигать, например, 1,5.1,8.

При этом следует отметить расширение области положительных в области высоких чисел Z (быстроходность Z=ω·R/V∞), что повышает мощность на низкоскоростных потоках (см. график на фиг. 6, где показаны расчетные данные коэффициентов для данного решения С_р(Z) для "классической" схемы трехлопастного ветроколеса с тем же диаметром и скоростью вращения.

Применение ветроколеса ориентировано прежде всего для центрально-материковых регионов континентов, в которых среднегодовые скорости ветра лежат в диапазоне 2,5.4,5 м/с и увеличения при этом выработки электроэнергии, как за счет увеличения мощности, отбираемой от ветропотока, так и за счет коэффициента использования по времени работы.

Формула изобретения

1. Ветроколесо, содержащее ступицу, радиальные лопасти, установленные на них поперечные вихреобразующие элементы, имеющие, как и лопасти, профиль аэродинамического крыла и присоединенные к периферийным частям последних, отличающееся тем, что каждая лопасть выполнена с сужающейся по радиусу хордой в пределах корневой и центральной частей и с расширяющейся по радиусу хордой в периферийной части, причем расширение хорды лопасти в периферийной части имеет место в диапазоне 0,85 0,9 радиуса до конца лопасти, угол закрутки лопасти выполнен неравномерным по радиусу: монотонно уменьшающимся на сужающемся ее участке и увеличивающимся в ее периферийной части, а сама лопасть выполнена с относительной толщиной, уменьшающейся в диапазоне 30 20% от корневой части к периферийной с плавным переходом на конце в поперечный вихреобразующий элемент, выполненный с соотношением длины в аксиальном направлении и хорды, равным 0,8 1,5.

2. Ветроколесо по п. 1, отличающееся тем, что поперечный вихреобразующий элемент выполнен с относительной толщиной в пределах 5 15% 3. Ветроколесо по п. 1, отличающееся тем, что профиль поперечного вихреобразующего элемента установлен под углом атаки 4 6^o относительно касательной к поверхности, образованной вращением ветроколеса.

4. Ветроколесо по п. 1, отличающееся тем, что хорда концевого сечения лопасти выполнена равной хорде поперечного вихреобразующего элемента.

РИСУНКИ

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