Ветродвигатель внип-2

 

Использование: применяется в ветроэнергетике. К направляющему кольцу воздухозаборника подвешена на тросиках обечайка с выпукло-вогнутым S-образным профилем, а выхлопной срез бандажа турбинной крыльчатки продолжен за пределы выходных кромок лопастей крыльчатки до уровня, который не выше оконечности центральной втулки "т", причем бандаж представляет собой вращающийся патрубок трения; цилиндрическое же основание имеет круговой козырек, охваченный аналогично, как и нижний торец стекателя, упомянутой обечайкой с круговым зазором. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветродвигателей башенного типа, рассчитанных на малую мощность.

Известен проект ветродвигателя, содержащего вытяжную башню с эжектирующим оголовком наверху и с воздухозаборником, имеющим спиральные каналы, сообщенные с башенным трактом снизу посредством раструба. В составе этого ветряка предусмотрена турбина осевого типа с бандажом по периферии турбинной крыльчатки и направляющее кольцо. Причем турбина размещена в тракте башни на вертикальном валу, заключенном в стекатель заборника, под стекателем находится цилиндрическое основание.

При этом направляющее кольцо охватывает кромку раструба своей вогнутой серповидной стороной. Указанное кольцо соединено с раструбом и стекателем посредством пластин, установленных радиально к валу турбины. Упомянутые пластины представляют собой периферийные выступы вертикальных перегородок заборника, разделяющих спиральные каналы по кругу, а входная решетка каналов поделена на верхний и нижний ярусы.

Ветродвигатель действует при воздушных потоках с любого румба, причем как за счет наддува каналов заборника, так и путем вытяжки среды из башенного тракта через верх. При этом фронтальные каналы воздухозаборника срабатывают нижним ярусом входной решетки, а подветренные каналы верхним ярусом. В результате закрутки токов воздуха спиральными каналами перед турбиной образуется уплотненный восходящий вихрь. Он-то и обеспечивает вращение турбинной крыльчатки.

Вращение последней усиливается благодаря указанной выше вытяжке, которая осуществляется через верх башни при помощи эжектирующего оголовка. Такому ветряку не опасен ураган, не нужно дорогостоящее обслуживание.

Недостаток двигателя-прототипа заключается в том, что при уменьшенных габаритных размерах и слабых атмосферных течениях турбина не развивает необходимой мощности. Это происходит потому, что, во-первых, при этом малоэффективно направляющее кольцо из-за увеличения затененности подветренного сектора, во-вторых, вихрь перед турбиной уже не так уплотнен и крыльчатка действует лишь периферийным поясом, который примыкает к бандажу. Немалая часть вихревой энергии не передается турбине и оказывается в выходном тракте.

Цель изобретения увеличение мощности малогабаритного двигателя, расширение диапазона рабочих ветров путем повышения коэффициента использования энергии слабых атмосферных течений. Преследуется также цель уменьшения стоимости изделия.

Цель достигается тем, что к направляющему кольцу снизу при помощи одинаковых по длине тросиков подвешена обечайка с выпукло-вогнутым S-образным профилем, а выхлопной срез бандажа турбинной крыльчатки продолжен за пределы выходных кромок лопастей крыльчатки до уровня, который не выше оконечности центральной втулки турбины.

Причем бандаж представляет собой вращающийся патрубок трения, а цилиндрическое основание имеет круговой козырек, коаксиальный оси башни. При этом кромка нижнего торца стекателя радиально выступает за границы входной решетки спиральных каналов и снизу выполнена с круговым скосом. Козырьковая же кромка расположена под кромкой стекателя и адекватно скосу отогнута кверху.

При этом обечайка срезом выпуклого пояса охватывает торец стекателя с круговым зазором. Кромка же козырька охвачена верхней частью вогнутого пояса с возможностью образования просвета меньше кругового зазора.

Предлагаемый ветродвигатель отличается еще тем, что тросики подвеса обечайки расположены равномерно по кругу и верхними концами наклонены к валу турбины. При этом верхний и нижний диаметры мест крепления тросов в исходном положении обечайки концентричны стволу вытяжной башни, а бандажный патрубок трения коаксиален валу крыльчатки. Причем на внутренней поверхности патрубка трения предусмотрены шлицеподобные рифли.

При этом тракт башни за входом в патрубок трения расширен, а вогнутый пояс обечайки с наружной стороны содержит вертикальные плоскопарусные вставки, размещенные по кругу равномерно и радиально к валу турбины. Причем двигатель содержит четное число тросиков подвеса и вставок-парусов. При этом количество тросов ≥ 4 и меньше, чем число парусных вставок.

Новый ветряк наконец отличается тем, что бандажный патрубок турбины на участке рифлей выполнен с плавным коаксиальным заужением своей рифленой поверхности в направлении выходного среза. Причем центральный угол конусности здесь острый, устремленный к нулевому значению.

Ветровой поток, как сильный, так и очень слабый, воздействуя на легкую обечайку, на ее боковые вставки-паруса, изначально сдвигает подвесной узел в направлении воздушных течений. При этом обечайка упирается в наветренный козырьковый скос и наклоняется. Причем так, что фронтальная часть обечайки немного опускается, а подветренная сторона приподнимается так, что касается козырьковой кромки. Круговой зазор между стекателем и выпуклым поясом обечайки при этом деформируется и преобразуется в вертикальные щели.

Ветер задувает во фронтальную дугообразную щель, которая расположена под скосом стекателя, омывает цилиндрическое основание с обоих боков и своими токами встречается с внутренней поверхностью обечайки в затененном секторе. Здесь воздушный поток меняет направление в вертикальной плоскости. Так, струйки атмосферной среды затекают в тыльные каналы воздухозаборника, причем через нижний ярус входной решетки.

Вихрь перед турбиной уплотняется и срабатывает не только на лопастях крыльчатки, а и воздействует на рифли бандажного патрубка. В результате мощность двигателя, в том числе и малоразмерного, будет поддерживаться даже при слабых дуновениях ветра. Этому способствует и то, что турбулентность в боковинах входной решетки с уменьшением скорости атмосферных масс сокращается и количество спиральных каналов, участвующих в работе, тем самым увеличивается.

Чем легче обечайка, чем больше ее "аэродинамическое несовершенство", тем лучше улавливаются воздушные течения. Это позволяет ветряку быстрее развивать расчетную мощность N_т N_k + N_п, где N_k составляющая турбинной мощности генерируемая крыльчаткой; N_п составляющая турбинной мощности, вырабатываемая патрубком трения.

В случае изменения в направлении атмосферных течений по азимуту произойдет автоматическое "перекатывание" обечайки по круговому скосу козырька.

На фиг. 1 изображен общий вид ветряка в разрезе; на фиг. 2 кинематика подвеса обечайки.

Двигатель малой мощности включает ствол вытяжной башни 1 (фиг. 1) с воздухозаборником внизу и эжектирующим оголовком 2 сверху, также осевую турбину на вертикальном валу 3 и цилиндрическое основание 4, внутри которого размещен электрогенератор 5. Он кинематически (напрямую) соединен с турбинным валом.

Ствол башни связан с цилиндрическим основанием посредством раструба 6, который перегородками 7, что разделяют спиральные каналы "а" между собой, опирается на стекатель 8. Перегородки выполнены с выступающими пластинами б, несущими направляющее кольцо 9. Тем самым образуются и упомянутые каналы, и входная решетка заборника. К направляющему кольцу с помощью тросиков 10 подвешена обечайка 11, имеющая S-образный профиль в радиальном сечении.

Турбинная крыльчатка 12 выполнена с бандажом, продолженным патрубком трения 13. При этом на внутренней поверхности патрубка предусмотрены шлицеподобные рифли "р". Конусность рифленой поверхности отображена углом α, втулка буквой "т".

Цилиндрическое основание содержит круговой козырек 14. При этом нижняя кромка "к" стекателя, выступая за границы входной решетки, снизу выполнена с круговым скосом "с". Верхняя кромка козырька расположена под нижней кромкой стекателя и тоже скошена.

Выпуклый пояс обечайки расположен выше вогнутой части и в исходном положении охватывает нижний торец стекателя, причем с круговым зазором и концентрично. Вогнутый же пояс обечайки содержит плоскопарусные вставки 15. Центральный угол b, составленный противорасположенными тросиками подвеса, равен приблизительно 120^o (фиг. 2).

Обечайка 11 (фиг. 2) под воздействием усилия "В" изначального дуновения ветра постоянно наклонена на угол γ ≃ 5°. Причем упирается обечайка при этом своей внутренней поверхностью в козырек 14. В результате образуются дугоподобные проходные щели "е" и "л".

Воздушные токи омывают конструкцию и заставляют действовать узлы заборника и оголовок 2, который работает в режиме эжектора. Функционируют фронтальный сектор входной решетки своим нижним ярусом и направляющее кольцо 9 (фиг. 1) с серповидным профилем в радиальном сечении. Одновременно ветер задувает в проточную кольцевую полость "п" (фиг. 2) через щель "е".

С помощью подветренного сектора обечайки и щели "л" воздушные струйки "у" устремляются в спиральные каналы а, находящиеся с тыльной стороны двигателя (нижний ярус заборника). Туда же посредством направляющего кольца поступают струи через верхний ярус. Так на входе в крыльчатку 12 возникает сильно уплотненный вихрь.

Одновременно на выходе крыльчатки при помощи эжектора башни 1 создается разрежение среды. Вихрь устремляется вверх и поочередно срабатывает в лопастях крыльчатки и на рифлях "р" патрубка 13.

Соотношение величин N_к и N_п зависит от размеров ветряка. Для крупногабаритной конструкции: N_к > N_п. При мини-двигателе, когда значимость рифлей, степени конусности патрубка возрастает, N_к ≅ N_п. В этом случае профилировка лопастей крыльчатки наипростейшая. Лопасти турбины могут обрести форму обыкновенных пластин, которые располагаются вдоль вала 3. Это существенно упростит конструкцию, технологию производства двигателя. Отсюда небольшая рыночная стоимость изделия, массовое применение его в индивидуальных хозяйствах.

Итак, новый башенный ветродвигатель способен развить значительную мощность при малогабаритном исполнении, работать в широком диапазоне ветровых скоростей. Единственное условие его эффективности нахождение двигателя на открытой со всех румбов продувной высоте.

Формула изобретения

1. Ветродвигатель, содержащий вытяжную башню с эжектирующим оголовком наверху и с воздухозаборником, имеющим спиральные каналы, сообщенные с башенным трактом снизу посредством раструба, воздушную турбину осевого типа с бандажом по периферии крыльчатки и направляющее кольцо, при этом турбина размещена в тракте на вертикальном валу, заключенном в стекатель заборника и расположенное под стекателем цилиндрическое основание, при этом направляющее кольцо охватывает кромку раструба своей вогнутой серповидной стороной, кольцо соединено с раструбом и стекателем посредством пластин, установленных радиально к валу турбины, причем пластины представляют собой периферийные выступы вертикальных перегородок заборника, разделяющих спиральные каналы по кругу, а входная решетка каналов поделена на верхний и нижний ярусы, отличающийся тем, что к направляющему кольцу снизу при помощи одинаковых по длине тросиков подвешена обечайка с выпукло-вогнутым S-образным профилем, а выхлопной срез бандажа крыльчатки продлен вверх за пределы выходных кромок лопастей крыльчатки до уровня, который не выше оконечности центральной втулки турбины, причем бандаж представляет собой вращающийся патрубок трения, цилиндрическое основание имеет круговой козырек, коаксиальный оси башни, при этом кромка нижнего торца стекателя радиально выступает за границы входной решетки спиральных каналов и снизу выполнена с круговым скосом, козырьковая кромка расположена под кромкой стекателя и адекватно скосу отогнута кверху, при этом обечайка срезом выпуклого пояса охватывает торец стекателя с круговым зазором, кромка козырька охвачена верхней частью вогнутого пояса с возможностью образования просвета меньше кругового зазора.

2. Ветродвигатель по п.1, отличающийся тем, что тросики подвеса обечайки расположены равномерно по кругу и верхними концами своими наклонены к валу турбины, при этом верхний и нижний диаметры мест крепления тросов в исходном положении обечайки концентричны стволу вытяжной башни, а бандажный патрубок трения коаксиален валу крыльчатки, на внутренней поверхности патрубка трения предусмотрены шлицеподобные рифли, при этом тракт башни за входом в патрубок трения расширен, а вогнутый пояс обечайки с наружной стороны содержит вертикальные плоскопарусные вставки, размещенные по кругу равномерно и радиально к валу турбины, причем двигатель содержит четное число тросиков подвеса и вставок парусов, причем число тросов 4 и меньше, чем число вставок-парусов.

3. Ветродвигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что бандажный патрубок турбины на участке рифлей выполнен с плавным коаксиальным заужением своей рифленой поверхности в направлении выходного среза, причем центральный угол конусности здесь острый, устремленный к нулевому значению.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2