Ветроустановка с вихревыми аэродинамическими преобразователями воздушного потока
WIND TURBINE WITH VORTEX AERODYNAMIC AIR FLOW CONVERTERS

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для создания ветроэлектростанций, работающих на низкопотенциальных набегающих воздушных потоках, а также на термоиндуцированных восходящих воздушных потоках.
Известны ветродвигатели, где используемый поток воздуха формируется в устройстве в виде аэродинамической трубы Вентури, данный способ предположительно позволяет повысить мощность ветродвигателя за счет увеличения скорости потока в узком сечении конуса по сравнению с его скоростью в широком сечении у входа в раструб (патент РФ №2103545, кл. F03D 1/02, опубл. 27.01.1998, патент РФ №2101550, кл. F03B 1/04).
Недостатками данных двигателей являются низкий КПД, малое значение коэффициента использования ветра ξ вследствие образования воздушной подушки на входе в раструб за счет подпора, создаваемого ветроколесом, и обтекания частью воздушного потока конуса по его внешней поверхности.
Известны изобретения, использующие «вихревой эффект». «Вихревой эффект» был открыт Ж.Ж. Ранком (патент Франции №743111, кл. K85F 4, приоритет 1931 г., публикация в 1933 г.), а применен в промышленности в 70-е годы XX столетия Меркуловым А.П. (Вихревой эффект и его применения в технике, М.: Машиностроение, 1969 г.). «Вихревой эффект» проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости или газа и реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой. В настоящее время разработаны различные конструкции ветроустановок, принцип работы которых основан на использовании вихревого эффекта. Так, например, известны ветроустановки в которых эффективно используется энергия ветра (патент РФ №84475, МПК F03D 3/04, патент РФ №2375603 МПК F03D 7/00, патент РФ №2285149, МПК F03D 3/00). Набегающий поток воздуха даже при небольшой силе ветра преобразуется с помощью профилированных входных каналов, образованных спиралеобразными направляющими перегородками, закручивается и ускоряется. Таким образом, кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в энергию вихря, которая, в свою очередь, преобразуется при помощи ветроколеса в механическую, а затем в электрическую энергию. Недостатками данных вихревых ветроэнергетических установок являются низкий КПД, малое значение эксергии воздушного потока ξ, а также то, что конструкции таких ветроустановок очень громоздки, металлоемки и сложны в обслуживании.
Известно физическое явление, используемое в некоторых ветроустановках, связанное со значительным падением давления внутри потока (патент DE 20201004335, МПК F02K 3/02, F05D 222074, F02K 3/025, USD 681793 S1, МПК D 23/370, CN 102966607 МПК F24H 3/04, F04F 5/16). Внешняя среда пытается выровнять возникший дисбаланс. В область низкого давления устремляется атмосферный воздух. В итоге происходит многократное возрастание расхода воздуха через кольцевой диффузор (безлопастный вентилятор), эффективность которого можно увеличить, пропуская поток воздуха через щель толщиной всего 1,3 м, расположенную по всему периметру внутренней поверхности кольца. Таким образом, создается равномерный воздушный поток без использования лопастей. Работает это устройство следующим образом, воздух всасывается в основание прибора, скапливается в полости внутри кольца, после чего мощный поток выходит из узкой щели и равномерно обтекает аэродинамический профиль. При этом в центре кольца создается область низкого давления, втягивающая и создающая направленный поток воздуха. В результате, на выходе объем воздуха увеличивается пятнадцатикратно, при этом создается мощный и равномерный воздушный поток.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ветроэнергетическая установка с пассивным ускорителем ветрового потока (патент РФ №143120, МПК F03D 1/04, опубл. 10.06.2014). Установка содержит ускоритель ветрового потока, расположенный в центре горизонтально-осевого ветроприемного устройства и выполненный в виде трубки Вентури, на суженном участке которого установлены патрубки для всасывания наружного воздушного потока внутрь сопла.
Недостатком данной установки является то, что эффективность ветроэнергетической установки увеличивается незначительно и зависит от скорости поступающего ветрового потока.
В основу изобретения была положена задача разработки такого конструктивного решения ветроустановки, который при относительной простоте конструкции обладал бы высокой эффективностью преобразования кинетической энергии низкопотенциальных воздушных потоков и термоиндуцированных восходящих воздушных потоков и, одновременно, обеспечивал бы осуществление этого преобразования с минимальными потерями, расширяя эксплуатационные возможности предлагаемого устройства в целом.
В результате использования предлагаемого изобретения ветроустановка с вихревыми аэродинамическими преобразователями воздушного потока, включающая горизонтально-осевое ветроколесо (ветроприемное устройство), кольцевой концентратор-ускоритель воздушного потока, размещенный в центре горизонтально-осевого ветроприемного устройства, подкачивающий и подтягивающий воздушный поток, увеличивая его скорость, содержит расположенный внутри концентратора потока завихритель этого воздушного потока, конструкция которого образована тонкостенным цилиндрическим корпусом с размещенными внутри криволинейными лопастями-направляющими, формирующими закрученный поток сплошной среды, который с минимальными потерями также формирует, закручивает, поддерживает и увеличивает скорость движения воздушного потока, а также вихревой эжектор потоков сплошной среды (потоков воздуха), конструкция которого сформирована из n модульно расположенных устройств, для генерации закрученного потока сплошной среды, каждое из которых выполнено, по меньшей мере, из двух коаксиально установленных в устройстве полых элементов, размещенных один в другом в форме усеченных конусообразных гиперболоидов вращения с размещенными внутри каналами для протекания и формирования закрученного потока, задачей которого является преобразование ветрового потока в закрученный поток с минимальными энергетическими потерями, генерации стабильного, с повышенной скоростью воздушного потока и подача его в полость кольцевого концентратора-ускорителя установки.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемая ветроустановка с вихревыми аэродинамическими преобразователями воздушного потока, содержащая ветроприемное устройство с ускорителем ветрового потока, выполненным в виде трубки Вентури, включает в себя полый кольцевой концентратор, в котором ускоряется воздушный поток, размещенный в центре ветроприемного устройства с расположенным внутри концентратора завихрителем воздушного потока, а также вихревым эжектором потоков воздуха, состоящим из n модулей.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1., фиг. 2 и фиг. 3.
На фиг. 1 представлена общая схема ветроустановки с вихревыми преобразователями воздушного потока.
На фиг. 2 - схематическое изображение завихрителя.
На фиг. 3 - изображение вихревого эжектора потоков сплошной среды.
Ветроустановка с вихревыми аэродинамическими преобразователями воздушного потока содержит последовательно связанные между собой горизонтально-осевое ветроприемное устройство 1, размещенный в его центре активный кольцевой концентратор-ускоритель воздушного потока 2 с расположенным внутри завихрителем воздушного потока 3, а также вихревой эжектор потоков сплошной среды 4.
Такое конструктивное выполнение ветроустановки обеспечивает предлагаемому техническому решению следующие преимущества.
Ветроустановка с вихревыми аэродинамическими преобразователями воздушного потока работает следующим образом.
Ветровой поток одновременно поступает на ветроприемное устройство 1 установки и во входные каналы 5 вихревого эжектора 4, состоящего из n+1 модулей, в котором воздушный поток трансформируется в единый ускоренный и закрученный поток, поступаемый в полый концентратор-ускоритель потока 2, откуда через кольцевую узкую щель 6 этот воздушный поток эжектируется внутрь кольца в завихритель 3, в котором, закручиваясь и концентрируясь, поток значительно увеличивает скорость и, одновременно, создает большое отрицательное давление (- Δp) в «зоне разряжения» устройства.
Предлагаемое изобретение наиболее эффективно может быть промышленно реализовано при использовании в качестве источника первичной энергии низкопотенциальных и термоиндуцированных восходящих воздушных потоках со значительно увеличенной скоростью этого потока сплошной среды за счет реализации в установке вихревых аэродинамических преобразователей потоков сплошной среды: - в железнодорожном транспорте (средняя скорость набегающего потока воздуха, при отсутствии ветра 60 км/час) для автономного (аварийного) энергоснабжения; - в автомобильном транспорте для подзарядки аккумуляторов, в качестве автономного источника энергообеспечения, например, рефрижераторов; - в авиационных транспортных средствах в качестве малогабаритного автономного источника энергоснабжения и т.д.
Необходимо отметить, что с увеличением направленного набегающего воздушного потока пропорционально повышается эффективность использования вихревых аэродинамических преобразователей энергии при одновременном упрощении его конструкции и уменьшении габаритных параметров.