РОТОРНЫЙ ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для преобразования кинетической энергии ветра или иной текущей среды в другие виды энергии.
Известные крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, карусельные с вертикальной осью вращения, конвейерные, роторные, типа Дарье и другие.
Наибольшее распространение получили крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения и роторные ветродвигатели с вертикальной осью вращения и реже - с горизонтальной осью вращения, например, барабанного типа.
Основным недостатком крыльчатых ветродвигателей с горизонтальной осью вращения является необходимость строительства высоких дорогостоящих башен, для энергоустановок средней и большей мощности.
С увеличением необходимой мощности таких ветродвигателей растет диаметр ветроколеса, и, как следствие, увеличивается и высота башни. Эти показатели увеличивают аварийность работы ветродвигателя при штормовом ветре, обеспечение достаточной надежности работы крыльчатых ветродвигателей высотой более 65 метров и мощностью превышающей 2,5 МВт требует дополнительных капиталовложений, причем значительных.
Известен способ уменьшения габаритов ветроколеса и высоты башен без снижения необходимой мощности за счет установки перед ветроколесом коробчатого конфузора в форме, например, усеченного полого конуса установленного соосно ветроколесу с расширением диаметра конуса против направления ветра (См Шефтера Я.И.) Использование энергии
ветра. М. Энергоатом издание 1983 г). При этом увеличении мощности достигается за счет увеличения скорости ветра перед ветроколесом пропорционально отношению большого и малого отверстий конфузора. Данное техническое решение не получило широкого применения. При этом, одним из недостатков встала необходимость увеличения габаритных размеров и веса элементов конструкции в верхней части башен. Включая необходимое увеличение габаритных размеров и веса флюгерного устройства. В противном случае сам конфузор превратится во флюгер. Все это приводит к повышению неустойчивости конструкции в целом, а при штормовых ветрах к неоправданному увеличению жесткости, и, как следствие, увеличению поперечных габаритов башни. При этом практически полностью исключаются основные преимущества крыльчатых ветродвигателей - их простота конструкции и относительно малая металлоемкость.
Основным недостатком роторных ветродвигателей с вертикальной осью вращения является большое лобовое сопротивление при поочередном вращении каждой лопасти, нерабочей лопасти против направления ветра и примерно в два раза меньший коэффициент использования ветровой энергии.
Использование крана, установленного перед лопастью вращающейся против ветра (АС №1467248) вызывает необходимость применения для него или флюгерного устройства или отдельного силового привода для перемещения экрана против ветра. Такое техническое решение может быть использовано только для роторных ветродвигателей малой мощности. Для роторных ветродвигателей с вертикальной ось вращения большей мощности до 1 МВт и более, у которых высота ротора достигает нескольких десятков метров, применение управляющих заслонок вызывает значительные технические затруднения.
Кроме того, такие мощные ветродвигатели также как и крыльчатые обладают повышенной аварийностью при штормовых ветрах, перед которыми их рекомендуется разбирать. Это связано с большими затратами и потерей времени за счет вынужденного простоя, или следует стопорить их в положении наименьшего сопротивления. А штормовые ветра не всегда стабильны по направлению, а переустановка положения многометрового ротора при штормовом ветре не безопасна.
3
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является конструкция ветродвигателя по АС №1268732 - прототип, который содержит ротор с горизонтальной ось вращения и два конфузора с заслонками, один из которых расположен выше оси вращения, а другой - с противоположной стороны ниже оси ротора для случая изменения направления ветра на 180°. При этом конфузоры можно надежно закрепить на земле, что обеспечивает безаварийность работы такого ветродвигателя при штормовых ветрах, решая одну из главных проблем ветроэнергетики. Кроме того, стационарными наземными конфузорами можно без каких либо технических сложностей увеличить скорость воздушного потока перед ветроколесом в десять и более раз. А увеличение скорости воздушного потока в десять раз, без учета потерь на трение воздуха в конфузоре, увеличивает мощность ветродвигателя в тысячу раз, поскольку при прочих равных условиях мощность зависит от скорости воздушного потока возведенной в третью степень (т.е. 10). Даже при уменьшении омеваемой площади ротора в десять раз можно увеличить мощность ветродвигателя примерно в сто раз. Таким образом можно получить относительно компактный и мощный ветродвигатель, который может работать не только при штормовых ветрах, но и малоскоростных, решая важную задачу ветроэнергетики.
Основным недостатком такого технического решения является то, что данные ветродвигатели могут эффективно работать там, где возможны
только два направления воздушного потока - прямой и противоположный, например, в горном ущелье... берег моря.
Для преобразования боковых по отношению к конфузорам ветров, возникающих на открытой местности, громоздкие конфузоры вместе с ротором необходимо разворачивать навстречу ветру с помощью специального привода, управляемого от датчиков направления ветра, что усложняет конструкцию ветродвигателя, увеличивает его стоимость, требует дополнительного источника энергии, например при внезапных изменениях направления ветра на 90°, дополнительного обслуживания. А при штормовых ветрах снижается безаварийность работы ветродвигателя.
Цель изобретения:
- увеличение ветродвигателем вырабатываемой энергии, например, в 20 раз;
- обеспечение безаварийной работы ветродвигателя при произвольном изменении направления ветровой нагрузки;
- обеспечение надежности и работоспособности ветродвигателя и при штормовых ветрах.
Поставленные цели и технический эффект изобретения достигается за счет того, что ветродвигатель содержит по крайне мере не менее трех конфузоров, установленных неподвижно вокруг роторного ветроколеса, а боковые поверхности каждого конфузора образованы плоскостями или криволинейными поверхностями, последние выполнены отрезками цилиндрических, спиралеобразных и отрезками других криволинейных поверхностей - касательными к цилиндрической поверхности ротора, а на заслонках выполнены, например, щелевые продольные отверстия
На фиг.1 изображен роторный ветродвигатель - вид сверху. На фиг.2 дано сечение А-А фиг.1. на фиг.№3 и 4; дано сечение Б-Б фиг.2, на которых дано различное исполнение конфузоров - прямолинейных отрезков (фиг.3 и цилиндрического (радиусного типа) (фиг.4).
Роторный ветродвигатель содержит: ротор 1, ось которого установлена на подшипниковых опорах и кинематически связана с валом отбора мощности 2, вокруг ротора на опорах 3 установлены конфузоры 4, крышу 5 и содержит дно 6, выполненного в виде конической обечайки, два опорных кольца 7, с установленными в них на подшипниках осями 8, жестко соединенных со шкивами 9, которые кинематически связаны между собой гибкими связями 10, например, цепными или тросовыми, и червячной передачей 11, которая содержит электродвигатель (на чертеже не показан), заслонки 12, жестко соединенные с подвижными осями 8.
Роторный ветродвигатель работает следующим образом. При движении потока ветра, его кинетическая энергия преобразуется во вращательное движение ротора 1 и через вал отбора мощности 2 передается исполнительному механизму. При превышении скорости ветра выше расчетной величины от датчиков угловой скорости, установленного в цепи ротор-нагрузка, включается управляющий электродвигатель соединенный с червячной передачей 11, заслонки 12 поворачиваются на осях 8 и перекрывают отверстия щелевые между конфузорами 4, уменьшают поток воздуха к ротору 1 до тех пор пока частота вращения вала отбора мощности не сравняется с номинальной. А при уменьшении скоростного потока ветра процесс совершается в противоположном направлении от команды датчика угловой скорости.
Следует отметить, что на заслонках 12 выполнены продольные сквозные отверстия, которые позволяют пропускать минимальный скоростной поток воздуха, даже при штормовом ветре. Таким образом достигается стабилизация в определенных пределах частоты вращения исполнительного механизма.
-1
В целях вынужденной остановки рортора 1 заслонки 12 полностью перекрывают отверстия конфузоров 4, а ротор вращается с частотой холостого хода, например, делает от 20 до 40 мин Если же скоростной
поток составляющей от 1 до 2 м/с при закрытых заслонках 12 - ротор 1 остановлен.
Остановку вращения ротора 1 можно осуществить и за счет включения, например, колодочного тормоза на генераторе при закрытых заслонках 12.
Необходимо заметить, что габариты ротора уменьшены в десять раз его диаметр равен 1 м, а высота Н 3 м. Тогда как известные карусельный, крыльчатый, роторный без конфузора имеют диаметр ротора 10 м, а высоту до 65 м.
Экономическая эффективность.
Эффективная мощность предложенного роторного ветродвигателя при его малых габаритах (1 м × Н 3 м) увеличила с более чем в 20 раз по сравнению с крыльчатым ветродвигателем; по сравнению с обычным роторным ветродвигателем - в 40 раз; а по сравнению с карусельным - более чем 45 раз.
Эффективная мощность нового роторного ветродвигателя растет за счет достижения максимального коэффициента усиления скорости ветра равного - 10, за счет профилирования поверхностей конфузоров (см. фиг.4), которые выполнены в форме спиралей, позволяющие еще и демпфировать при шквалистых порывах ветра. Данная форма конфузоров способствует концентрации ветровой энергии на периферийных участках ротора, увеличивая крутящий момент.
Роторный ветродвигатель остается работоспособным и при скоростях ветра менее 1 м/с, а с применением и включением заслонок и при штормовых ветрах.
Эффективность роторного ветродвигателя заключается еще и в том, что он, будучи установлен стационарно, не зависит от изменения направления ветра, и может быть установлен как в поле, на холме, в ущелье, на корабле, также на берегу моря, вырабатывая до 1500 Квт/ч энергии.
Роторный ветродвигатель предполагает возможность выработки избыточной энергии превосходящей потребную при скоростях ветра выше расчетной, которая может быть использована для полезных целей, например, в насосных установках для перекачки в накопительные баки воды, для привода пилорам, для получения электролизом водорода, выплавки алюминия, для подогрева воды в отопительных системах и... в других целях.
Таким образом предложенная конструкция роторного ветродвигателя позволяет использовать силу ветра - чистый и возобновляемый источник энергии, решив одновременно четыре задачи современной ветроэнергетики, ограничивающее ее широкое применение:
- обеспечить безаварийную работу роторных ветродвигателей, при штормовых ветрах и различных направлениях потоков ветра, за счет пространственной жесткости конструкции конфузоров;
- обеспечить многократное расширение диапазона скоростей действующего ветра с использованием подшипников чистого качения по патенту RU 2232926;
- обеспечить увеличение эффективной мощности за счет уменьшения габаритов ветроколеса и всего роторного ветродвигателя:
- снизить стоимость 1 КВт энергии в 10 раз.