РОТОРНАЯ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
ROTARY WIND-DRIVEN ELECTRIC POWER STATION

Изобретение относится к энергетике, в частности к конструкциям ветроэлектрических установок, у которых оси вращения роторов могут иметь различное положение относительно координатных осей, но всегда соосно с направлением воздушного потока, что может быть использовано для выработки электроэнергии за счет преобразования энергии воздушного потока, удаляемого вентиляционными установками из различных помещений (метро, заводские цеха и др.), а также на ветровых электростанциях с выдачей ее как в частную, так и в общественную энергосистемы.
Известен ветродвигатель, содержащий ротор с криволинейными лопастями, направляющий аппарат, установленный с возможностью поворота относительно ротора и выполненный в виде двух групп лопаток, в каждой из которых длина лопаток увеличивается в направлении вращения ротора, и флюгер, расположенный в плоскости, проходящей между группами лопаток (см. SU 985402 A, МПК F03D 3/00, 30.12.1982).
В известном ветродвигателе часть воздушного потока непосредственно воздействует на изогнутые поверхности лопастей ротора, а другая часть потока улавливается направляющим аппаратом и посредством его лопаток направляется на лопасти ротора, что обеспечивает более полное использование ветра.
К недостаткам известного устройства следует отнести невозможность его работы без флюгера, наличие которого усложняет конструкцию устройства и повышает его инерционность.
Усложняет конструкцию известного устройства и необходимость установки лопаток различной длины, а натекание потока практически под прямым углом к поверхности лопастей приводит к их ударному воздействию и, как следствие, появлению обратных потоков.
Кроме того, лопасти ротора по всей длине выполнены плоскими, то есть без учета аэродинамики.
Известен ветродвигатель, турбина которого образована рядом профилированных осесимметричных лопастей и расположена внутри направляющей системы, образованной несколькими установленными неподвижно направляющими створками, при этом каждая из лопастей турбины представляет собой часть боковой поверхности цилиндра, поперечное сечение каждой из створок имеет профиль в виде синусоиды, кромки лопастей сориентированы так, чтобы обеспечить плавное обтекание воздуха с направляющих створок на лопасти турбины (см. RU 2168059 C2, МПК F03D 3/04, 27.05.2001).
Известный ветродвигатель может работать без флюгера, что повышает его маневренность и делает его простым в изготовлении.
Однако полнота использования энергии ветра в данном устройстве недостаточна, что является одним из его главных недостатков.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является роторная ветроэлектростанция, содержащая ротор, выполненный в виде диска с установленными на нем лопастями, выполненными в форме аэродинамических крыльев и расположенными с зазором относительно вала ротора, механически связанного с валом электрогенератора, отклоняющий воздушный поток обтекатель, установленный на валу перед ротором по воздушному потоку и охватывающий зазор между внутренними кромками лопастей, и конфузор, размещенный перед обтекателем по потоку и на выходе его охватывающий. Установка на ветер производится флюгером, которым роторная ветроэлектростанция может быть дополнительно снабжена, причем флюгер установлен на электрогенераторе. Кроме того, роторная ветроэлектростанция может быть дополнительно снабжена направляющим аппаратом с лопатками (см. RU 2270359 C1, МПК F03D 1/04, 20.02.2006).
Однако конструкция известной ветроэлектростанции довольно сложна и, следовательно, ненадежна при больших скоростях ветра. Кроме того, обеспечиваемая известной ветроэлектростанцией схема движения воздушного потока внутри нее повышает эффективность использования энергии ветра, однако не в полной мере.
Задачей настоящего изобретения является повышение полноты использования энергии ветрового потока путем торможения его о лопасти и диск, а также упрощение конструкции роторной ветроэлектростанции и ее эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в роторной ветроэлектростанции, содержащей ротор, выполненный в виде диска с установленными на нем лопастями, выполненными в форме аэродинамических крыльев и расположенными с зазором относительно вала ротора, механически связанного с валом электрогенератора, обтекатель, установленный на валу перед ротором по воздушному потоку и охватывающий зазор между внутренними кромками лопастей, и конфузор, размещенный перед ротором по потоку, согласно изобретению торцы лопастей выполнены скошенными к оси вала, а конфузор установлен на периферийных частях торцов лопастей с образованием зазора с обтекателем.
Поставленная задача решается также тем, что торцы лопастей скошены к оси вала под углом, составляющим 15-20 градусов, площадь поперечного сечения обтекателя составляет 25%-35% площади диска, а площадь проекции конфузора на диск составляет 35%-45% площади диска.
Поставленная задача решается также тем, что ветроэлектростанция может быть снабжена флюгером, установленным на электрогенераторе.
На фиг.1 представлена предлагаемая роторная ветроэлектростанция с горизонтально расположенной осью ротора.
На фиг.2 - вид А фиг.1.
На фиг.3 - вариант предлагаемой роторной ветроэлектростанции с вертикально расположенной осью ротора.
Предлагаемая роторная ветроэлектростанция (фиг.1) содержит ротор 1, выполненный в виде диска 2 с установленными на нем лопастями 3, расположенными с зазором относительно вала 4 ротора 1, механически связанного через втулку 5 с валом электрогенератора 6. Лопасти 3 ротора 1 выполнены в форме аэродинамических крыльев, обращенных в сторону оси вала 4. Ветроэлектростанция (фиг.2) содержит также отклоняющий воздушный поток обтекатель 7, установленный на валу 4 перед ротором 1 по воздушному потоку и охватывающий зазор между внутренними кромками лопастей 3, и конфузор 8, размещенный перед ротором 1 по потоку. Торцы лопастей 3 выполнены скошенными к оси вала 4. Конфузор 8 установлен на периферийных частях торцов лопастей 3 с образованием зазора с обтекателем 7. При этом торцы лопастей 3 скошены к оси вала 4 под углом, составляющим 15-20 градусов. Площадь поперечного сечения обтекателя 7 составляет 25%-35% площади диска 2. Площадь проекции конфузора 8 на диск 2 составляет 35%-45% площади диска 2. Такие геометрические соотношения получены экспериментально. Угол от 15 до 20 градусов обусловлен тем, что 15 градусов обеспечивают достаточную концентрацию потока ветра (скорость), увеличение больше 20 градусов будет влиять положительно на увеличение скорости потока ветра, но потребуется неоправданное увеличение высоты лопастей 3. Уменьшение укрываемой площади диска 2 обтекателем 7 меньше 25% уменьшает эффективность использования энергии потока ветра и усложняет конструкцию ротора 1, а увеличение больше 35% уменьшает рабочую поверхность диска 2 и также снижает скорость вращения ротора 1. Укрытие конфузором 8 по потоку ветра диска 2 меньше 35% приведет к резкому уменьшению скорости вращения ротора 1, а увеличение укрытия больше 45% площади диска 2 сократит требуемый зазор между конфузором 8 и обтекателем 7 и также приведет к снижению скорости вращения ротора 1. Установка на ветер производится флюгером 9, которым роторная ветроэлектростанция может быть снабжена, причем флюгер 9 установлен на электрогенераторе 6. Ветроэлектростанция установлена на опоре 10 с соединительным поворотным устройством 11 для настройки на ветер. Выход нагрузки электрогенератора 6 производится через преобразователь (условно не показан) и регулятор 12, электрически связанный с распределительным щитом 13. Кроме того, электрогенератор 6 связан с аккумуляторной батареей 14.
Работа описываемой ветроэлектростанции осуществляется следующим образом.
Поток ветра одновременно поступает на обтекатель 7 и в конфузор 8, там ускоряется и с большой скоростью попадает сразу на все лопасти 3 ротора 1. Отдав часть своей кинетической энергии сразу всем лопастям 3, воздушный поток попадает на диск 2 ротора 1, где происходит его торможение о лопасти 3 и диск 2, меняет направление движения на 90 градусов, а затем покидает объем ротора 1 через расширяющиеся отверстия, образованные смежными лопастями 3 и внутренней поверхностью конфузора 8. Работа сразу всех лопастей 3, а также наличие обтекателя 7 и встроенного конфузора 8, создающего пристенный вращающийся поток, позволят повысить полноту использования энергии ветрового потока. Скорость вращения ротора 1 может достигать несколько тысяч оборотов в минуту, что позволит отказаться от применения редукторов.
В варианте в случае неподвижной установки ветроэлектростанции (фиг.3) в креплении 15, например, над вентиляционной шахтой 16 (ось вала 4 вертикальна) воздушный поток также одновременно поступает на обтекатель 7 и в конфузор 8 и там ускоряется и с большой скоростью попадает сразу на все лопасти 3 ротора 1. Отдав часть своей кинетической энергии сразу всем лопастям 3, попадает на диск 2 ротора 1. При наличии естественного горизонтального потока ветра он может одновременно воздействовать на лопасти 3 вне зависимости от направления ветра.
Ротор 1, в свою очередь, может быть использован вместо пропеллерных роторов, так как не генерирует звуки различной частоты. Он имеет больший коэффициент использования энергии ветрового потока, не опасен для пролетающих птиц и т.д.
Таким образом, использование предлагаемой ветроэлектростанции с встроенным конфузором 8, который обеспечивает укрытие части диска 2 с лопастями 3, и обтекателем 7 позволит повысить полноту использования энергии ветрового потока, а также существенно упростить конструкцию роторной ветроэлектростанции и ее эксплуатацию.