Ветроустановка с диффузором, имеющим два вдува
Изобретение относится к области ветроэнергетики. Техническим результатом является увеличение коэффициента использования энергии ветра, уменьшение осевой длины диффузора и его стоимости. Ветроустановка содержит ветродвигатель, мультипликатор, электрогенератор, гондолу, опорное устройство с механизмом поворота и атмосферный диффузор в виде кольцевого крыла. На его внутренней стенке имеются две последовательно расположенные независимые щели для кольцевого вдува, при этом первый вдув осуществляется периферийной частью основного потока воздуха, входящего в ветроколесо при помощи воздействия на эту периферийную часть потока концевыми компрессорными участками лопастей, отделенными пластинами от основной турбинной части лопастей и вращающимися в нише корпуса диффузора, с последующей подачей воздуха в кольцевой канал, расположенный под внутренней поверхностью диффузора, разделенный изогнутыми лопатками на отдельные межлопаточные каналы и оканчивающийся первой щелью вдува. 4 ил.
Изобретение относится к области энергетики, а именно к ветроустановкам.
Известна схема горизонтально-осевой ветроустановки с диффузором, имеющим два места вдува в виде кольцевых щелей наружного атмосферного воздуха в пограничный слой, имеющийся на внутренней поверхности диффузора: один вдув - в кольцевую щель при входе в диффузор, непосредственно в плоскости ветроколеса, второй - в кольцевую щель на внутренней поверхности диффузора, ниже по потоку (см. (1), стр.134-138, рис.4.11). По этой схеме была изготовлена в 1996 г. в Новой Зеландии и была смонтирована и введена в работу ветроустановка Vortec-7 с электрогенератором мощностью 1000 кВт (см.(2)).
Известна изготовленная и работающая ветроустановка СН Caphom 10/POL мощностью 10 кВт (Франция) с диффузором без вдува типа кольцевое крыло (см.(3)).
Недостатком схемы, имеющей вдув в пограничный слой наружного атмосферного воздуха, является относительно низкая энергоемкость вдуваемой массы воздуха, т.к. вносимое в пограничный слой количество движения жидкости определяется относительно малой кинетической энергией наружного потока воздуха и небольшой разностью статических давлений на внешней и наружной сторонах диффузора.
Техническим результатом является увеличение коэффициента использования энергии ветра, уменьшение массы и стоимости диффузора. Решение поставленной задачи по достижению заявленного технического результата осуществляется следующим способом.
Ветроустановка с диффузором содержит ветродвигатель, мультипликатор, электрогенератор, гондолу, опорное устройство с механизмом поворота и атмосферный диффузор в виде кольцевого крыла. На его внутренней стенке имеются две последовательно расположенные независимые щели для кольцевого вдува в пограничный слой наружного атмосферного воздуха, при этом первый вдув осуществляется периферийной частью основного потока воздуха, входящего в ветроколесо, при помощи воздействия на эту периферийную часть потока концевыми компрессорными участками лопастей, отделенными пластинами от основной турбинной части лопастей и вращающимися в нише корпуса диффузора, с последующей подачей этого воздуха в кольцевой канал, расположенный под внутренней поверхностью диффузора, разделенный изогнутыми лопатками на отдельные межлопаточные каналы и оканчивающийся первой щелью вдува.
Корпус диффузора в своем поперечном сечении выполняется в виде крылового профиля и образует тело вращения, при этом внутренняя стенка диффузора образуется выпуклой стороной крылового профиля и диффузор имеет увеличивающийся по его длине угол раскрытия α (так называемый диффузор в виде кольцевого крыла). Максимальная величина угла раскрытия α ограничивается появлением отрыва пограничного слоя от поверхности стенки диффузора из-за возрастания положительного градиента давления по направлению течения. Для предотвращения такого отрыва в аналогах и прототипе предусмотрены как втекание наружного атмосферного воздуха через первую кольцевую щель в зону образования пограничного слоя, так и втекание наружного атмосферного воздуха во вторую кольцевую щель в зону перед отрывом пограничного слоя. Однако относительно малый импульс вдуваемых потоков воздуха не дает возможность существенно уменьшить длину диффузора. Для увеличения количества движения массы воздуха в пограничном слое (с целью отодвинуть или избежать отрыва потока) предлагается изменить и интенсифицировать схему первого вдува, а именно формировать первую вдуваемую кольцевую струю за счет не только энергии набегающего потока на щель атмосферного воздуха, но и за счет отбора некоторой малой доли мощности ветродвигателя. С этой целью предлагается выполнить периферийную часть каждой лопасти ветроколеса ветродвигателя в виде компрессорного участка. Эти периферийные части лопастей углублены в кольцевую нишу на внутренней стенке диффузора. Ниша не имеет уступа в передней своей части и поэтому атмосферный воздух свободно засасывается компрессорными участками лопастей и нагнетается ими затем в кольцевой щелевой канал, расположенный внутри корпуса диффузора под его внутренней поверхностью и начинающийся непосредственно за вращающимися лопастями, так что вход в канал является задней частью ниши. В результате в пограничный слой на внутренней стенке диффузора подается как кинетическая энергия атмосферного воздуха, так и некоторая малая часть мощности ветродвигателя, что предотвращает отрыв потока от стенки и, уменьшая потери в диффузоре, делает процесс повышения статического давления в нем более эффективным. В результате увеличивается разрежение за ветродвигателем, его мощность и, в конечном счете, коэффициент использования энергии ветра, а также уменьшает осевой размер диффузора и его массу.
На фиг.1 изображена принципиальная конструктивная схема ветроустановки с диффузором, имеющим два вдува воздуха в пограничный слой на его внутренней стенке. На фиг.2 изображена схема поперечного сечения корпуса диффузора, показывающая воздушные магистрали первого и второго вдувов. На фиг.3 изображена развертка сечения А-А по фиг.1, показывающая взаимное расположение лопасти и межлопастных каналов кольцевого участка первого вдува. На фиг.4 дано сечение В-В по фиг.1, показывающие вид на лопасть и вход в канал первого вдува.
Ветроустановка состоит из следующих основных узлов: ветродвигатель 1, атмосферный диффузор 5, гондола 11, мультипликатор 12, электрогенератор 13, опора 17. Ветродвигатель 1 имеет поворотные лопасти (механизм поворота на фиг.1 не показан), периферийная часть 3 которых имеет профиль, повернутый на определенный угол относительно продольной оси основной части лопасти против часовой стрелки (фиг.3). Между периферийной (компрессорной) частью 3 лопасти и основной (турбинной) частью лопасти 2 имеется разделяющая их пластина 20. Диффузор 5 имеет корпус, поперечное сечение которого (фиг.2) получено вращением вокруг его оси крылового профиля. На внутренней поверхности диффузора на некотором расстоянии от входа расположена ниша 4 (фиг.2) треугольного поперечного сечения, в которой вращаются периферийные компрессорные участки лопастей. Ниша 4 в своей передней части в точке А имеет излом поверхности стенки, а не уступ. Задняя часть ниши ВС представляет собой вход в кольцевой канал 6 для первого щелевого вдува атмосферного воздуха, нагнетаемого периферийной (компрессорной) частью 3 лопасти. Кольцевой канал 6 (фиг.3) разделен изогнутыми лопатками 18 на отдельные межлопаточные каналы 19 с увеличивающейся в направлении течения площадью поперечного сечения. Межлопастные каналы 19 объединяются кольцевой щелью 9 для вдува воздуха в пограничный слой на внутренней стенке диффузора. В задней части диффузора имеется кольцевой канал 7 для второго вдува через кольцевую щель 8 наружного атмосферного воздуха. Корпус диффузора 5 через силовые стойки 10 соединен с гондолой 11, которая находится наверху опоры 17. Для поворота гондолы совместно с диффузором имеется поворотная опора 15 и механизм поворота 16.
Ветроустановка работает следующим образом. При помощи гидро- или электромагнитного привода 14 ветроустановка ориентируется поворотным устройством 15 на направление ветра. Ветровой поток, энергетически воздействуя на лопасти 2, раскручивает ветродвигатель 1, ротор которого вращается в опорном узле 14, в результате чего через мультипликатор 12 осуществляется вращение электрогенератора 13. Атмосферный воздух втекает в диффузор 5, натекая также и на периферийные части 3 лопастей 2. Периферийные части 3 лопастей работают как низконапорная компрессорная решетка и осуществляют подачу натекающего атмосферного воздуха в щелевой кольцевой канал 6. В относительном движении (фиг.3) атмосферный поток натекает на компрессорный профиль 3 со скоростью W1 и уходит с него со скоростью W2. Получив периферийную скорость (скорость вращения лопасти) U, поток входит в межлопастные каналы 19 с абсолютной скоростью С. Затем поток поворачивается при помощи изогнутых лопаток 18 в направлении, близком к осевому, а скорость его снижается до величины, энергетически необходимой для вдува в пограничный слой на внутренней поверхности диффузора для предотвращения отрыва основного потока. Высота h межлопаточного щелевого кольцевого канала 6 (фиг.2) при входе в кольцевую щель 9 определяется условием h>δ**, где δ** - толщина потери импульса в пограничном слое на стенке диффузора перед кольцевой щелью 9. Повторное энергетическое воздействие на пограничный слой производится при помощи вторичного щелевого вдува 7 наружного атмосферного воздуха через кольцевой канал 8 ниже по потоку.
Возможность осуществления изобретения подтверждается использованием успешно работающей ветроустановки Vortec-7 (2) с двумя кольцевыми щелевыми вдувами в диффузор атмосферного воздуха и ветроустановки СН Caphorn 10/POL (3) с диффузором типа кольцевое крыло.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. «Ветроэнергетика» Под ред. Д. де Рензо: - Москва, Энергоатомиздат, 1982, стр.134-138, рис.4.11.
2. Bruce Cole. New turbine could offer low cost wind power. «Modem Rotor Systems». August 1977 - p.27-30.
3. Windpower Monthly, vol.17, No11, November 2001, р.33.
Ветроустановка с диффузором, содержащая ветродвигатель, мультипликатор, электрогенератор, гондолу, опорное устройство с механизмом поворота и атмосферный диффузор в виде кольцевого крыла, на внутренней стенке которого имеются две последовательно расположенные независимые щели для кольцевого вдува в пограничный слой наружного атмосферного воздуха, при этом первый вдув осуществляется периферийной частью основного потока воздуха, входящего в ветроколесо, при помощи воздействия на эту периферийную часть потока концевыми компрессорными участками лопастей, отделенными пластинами от основной турбинной части лопастей и вращающимися в нише корпуса диффузора, с последующей подачей этого воздуха в кольцевой канал, расположенный под внутренней поверхностью диффузора, разделенный изогнутыми лопатками на отдельные межлопаточные каналы и оканчивающийся первой щелью вдува.
