Ветропневмотурбинная установка с ветродвигателем, имеющим диффузор, и компрессором в пневмомагистрали

Изобретение относится к ветроэнергетике и используется в горизонтально-осевых ветроустановках с пневматическим способом передачи ветровой мощности от ветродвигателя к потребителю (электрогенератору). Техническим результатом является увеличение КПД (коэффициента полезного действия) пневмопередачи, увеличение коэффициента использования энергии ветра, уменьшение массы полой лопасти, что достигается, во-первых, за счет установки компрессора между входом в полые лопасти ветродвигателя и выходом из пневмомагистрали и, во-вторых, за счет размещения ветродвигателя внутри атмосферного диффузора при входе в него. Диффузор имеет кольцевую щель для вдува наружного ветрового потока и торцевой фланец. При вращении ветродвигателя развиваемая им полезная мощность расходуется на прокачку воздуха внутри полых лопастей и на вращение через повышающий редуктор компрессора. Компрессор имеет устройство регулирования идущего через него расхода воздуха. В результате совместного действия двух ступеней сжатия воздуха (полых лопастей и компрессора) в пневмомагистрали устанавливается давление ниже атмосферного, что дает возможность наземной воздушной турбине работать за счет перепада давления между атмосферным давлением и давлением в пневмомагистрали. Воздушная турбина приводит во вращение электрогенератор. 1 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам.

Известно устройство (ветропневмотурбинная установка), преобразующее энергию воздушного потока в механическую мощность привода электрогенератора при помощи установленного на мачте-трубе свободновращающегося горизонтально-осевого ветроколеса с полыми лопастями, наземной воздушной турбины и соединяющей их посредством мачты-трубы пневмомагистрали с давлением воздуха в ней ниже атмосферного [1] - прототип. К недостаткам этого ветроагрегата относятся увеличенный размер хорды лопасти и пониженный КПД пневмопередачи, составляющий величину порядка 0,5. Увеличение размера хорды лопасти, особенно на ее периферии, обусловлено течением внутри лопасти с допустимой скоростью необходимого количества воздуха. Увеличение хорды лопасти вызывает увеличение профильных потерь, что ведет к снижению КПД ветродвигателя, и снижает расчетное значение аэродинамического коэффициента подъемной силы профиля Су, что ведет к перегрузке ветродвигателя с ростом скорости ветра выше расчетного значения. Пониженный КПД пневмопередачи в значительной степени обусловлен тем, что в прототипе невозможно использовать кинетическую энергию уходящей из лопасти струи воздуха.

Известно устройство, преобразующее энергию воздушного потока в механическую мощность привода электрогенератора при помощи горизонтально-осевого ветроагрегата с ветродвигателем, имеющим диффузор ([2] стр.134 и далее). Одним из недостатков этого ветроагрегата является расположение электромеханического оборудования на башне, над землей, что усложняет монтаж, обслуживание и ремонт.

Задачей изобретения, на решение которой направлены предлагаемые ниже технические решения, является увеличение эффективности работы горизонтально-осевой ветроустановки с пневматическим способом передачи мощности ветрового потока к потребителю при помощи ветродвигателя с полыми лопастями, в которых происходит процесс сжатия воздуха, наземной воздушной турбины, в которой осуществляется получение полезной работы в процессе расширения в ней атмосферного воздуха, и соединяющей их пневмотрассы, давление воздуха в которой меньше атмосферного.

Техническим результатом является увеличение КПД пневмопередачи, увеличение коэффициента использования энергии ветра, уменьшение массы полой лопасти.

Решение поставленной задачи по достижению заявленного технического результата осуществляется следующими способами:

1). В схему пневмопередачи прототипа [1] добавляется вторая ступень сжатия воздуха в виде компрессора, например, осевого или центробежного (с устройством регулирования идущего через него расхода воздуха), расположенного в пневмомагистрали, непосредственно в гондоле, при входе в полые лопасти ветроколеса, и механически связанного с ветроколесом при помощи повышающего частоту вращения редуктора. В отличие от прототипа двухступенчатая схема сжатия воздуха дает возможность увеличить разряжение за воздушной турбиной, т.е. величину степени понижения полного давления в воздушной турбине при неизменном заданном значении ее мощности. Это позволяет существенно (примерно в 1,3...1,6 раза) уменьшить расход воздуха внутри лопасти, в результате чего уменьшается суммарная потеря кинетической энергии, уходящей из лопасти струи воздуха, уменьшается хорда лопасти, ее масса, уменьшаются профильные потери и в результате возрастают как КПД ветродвигателя, так и КПД пневмопередачи, несмотря на необходимость дополнительных затрат мощности на преодоление механических потерь в редукторе и осуществление процесса сжатия в компрессоре. Кроме того, при небольшом абсолютном значении степени понижения полного давления в воздушной турбине (в прототипе порядка 1,05...1,08) ее увеличение повышает КПД воздушной турбины. Одновременно уменьшение хорды лопасти приводит к росту коэффициента подъемной силы Су и позволяет снизить перегрузку ветродвигателя при увеличении скорости ветра выше расчетной.

2). В схему ветроустановки прототипа [1] добавляется атмосферный диффузор. Так же, как и в случае аналога [2] установка за ветродвигателем диффузора позволяет уменьшить статическое давление за ветродвигателем, увеличить расход воздуха через него и мощность, извлекаемую из воздушного потока. Увеличение расходной скорости перед ветродвигателем позволяет увеличить окружную скорость на периферии лопасти при сохранении оптимальной величины коэффициента быстроходности. В отличие от рассматриваемого аналога [2] с ветродвигателем, имеющим сплошные лопасти, это приводит к достижению нового технического результата, а именно к увеличению степени повышения давления в процессе сжатия воздуха внутри канала полой лопасти, т.е. к увеличению степени понижения давления в воздушной турбине и в конечном счете к достижению того же положительного результата, что и в предыдущем пункте 1).

Установка диффузора у ветродвигателя с полыми лопастями в отличие от аналога [2], имеющего ветродвигатель со сплошными лопастями, также приводит к достижению нового технического результата, а именно позволяет улучшить энергетические показатели процесса повышения статического давления в диффузоре за счет использования кинетической энергии струй воздуха, выходящих из полых лопастей. Образуя внутри диффузора вблизи его внутренних стенок геликоидальную вихревую пелену, струи воздуха выполняют роль генераторов вихрей, турбулизирующих поток при входе в диффузор, что, как известно, увеличивает его эффективность при больших углах раскрытия стенок.

На чертеже изображена принципиальная конструктивная схема ветропневмотурбинной установки с ветродвигателем, имеющим диффузор, и компрессором в пневмомагистрали.

Ветропневмотурбинная установка состоит из следующих основных узлов: ветродвигателя 2, компрессора 11, расположенного внутри диффузора 5 между входом в полые лопасти 3 ветродвигателя и выходом 9 пневмомагистрали 12 с устройством регулирования расхода воздуха, атмосферного диффузора 5, пневмомагистрали 12, соединяющей полые лопасти ветроколеса и воздушную турбину 14, наземной воздушной турбины 14, вырабатывающей полезную мощность, электрогенератора 16. Ветродвигатель 2 имеет полый ротор 1 и полые лопасти 3, в периферийной части которых располагаются отверстия 4 для выхода воздуха. Ротор 1 вращается в подшипниковых опорах 8 и механически соединяется при помощи повышающего редуктора 10 с компрессором 11. Полые лопасти 3 через полый ротор 1 и патрубок 9 соединены аэродинамически с проточной частью компрессора 11, который, в свою очередь, аэродинамически через пневмомагистраль 12 соединен с воздушной наземной турбиной 14. Турбина 14 механически, возможно через редуктор 15, соединена с электрогенератором 16.

Ветропневмотурбинная установка работает следующим образом. При помощи поворотной опоры 13 ветроустановка ориентируется на направление ветра. Ветровой поток раскручивает ветродвигатель 2, в результате чего развиваемая на роторе 1 полезная мощность расходуется на прокачку воздуха внутри полых лопастей 3 и на вращение через редуктор 10 компрессора 11, из которого сжатый воздух через патрубок 9 направляется во внутрь полого ротора 1 и далее к полым лопастям 3. В результате совместного действия двух ступеней сжатия воздуха (полых лопастей 3 и компрессора 11) в пневмомагистрали 12 устанавливается давление ниже атмосферного, что дает возможность наземной воздушной турбине 14 работать за счет использования перепада давления между атмосферным давлением и давлением в пневмомагистрали 12. Воздушная турбина 14 приводит во вращение электрогенератор 16. Для увеличения эффективности процесса сжатия в диффузоре 5 предусмотрены кольцевая щель 6 для вдува через стенки диффузора 5 наружного ветрового потока и торцевой фланец 7 для увеличения разряжения за диффузором 5. Регулирование расхода воздуха через компрессор 11 (например, при помощи поворотных лопаток) является дополнительным способом регулирования ветродвигателя.

Возможность осуществления изобретения подтверждается использованием в качестве прототипа и аналога устройств, которые были ранее изготовлены и успешно функционировали. По патенту [1] (прототип) в 1953 г. английской фирмой Enfild Cables Ltd была изготовлена ветроустановка с пневмопередачей, имеющая электрогенератор мощностью 100 кВт [3]. По схеме ветроустановки с диффузором (аналог) в 1996 г. в Новой Зеландии была смонтирована и пущена в работу ветроустановка Vortec-7 с электрогенератором мощностью 1000 кВт [4].

Источники информации

1. Патент Германии №900079, кл. F 03 D 11/02.

2. “Ветроэнергетика”. Под ред. Д. де Рензо: Пер.с англ. Под ред. Я.И.Шефтера. - М.: Энергоатомиздат, 1982. – 272 с.

3. Wind-Generated Electricity. Prototype 100-kW Plant “Engineering”. V.180, №4652, 1955, (March 25, 1955). - Р.371-374.

4. Вruce Cole. New turbine could offer low cost wind power. “Modem Rotor Systems”. August 1977. - P.27-30.

Ветропневмотурбинная установка с ветродвигателем, имеющим диффузор, и компрессором в пневмомагистрали, содержащая ветроколесо с полыми лопастями, атмосферный диффузор, воздушную турбину, расположенную на земле и вырабатывающую полезную мощность, и пневмомагистраль, соединяющую полые лопасти ветроколеса и воздушную турбину, при этом внутри диффузора, в гондоле, между входом в полые лопасти ветродвигателя и выходом из пневмомагистрали установлен компрессор с устройством регулирования идущего через него расхода воздуха и приводимый во вращение ветроколесом через повышающий редуктор.