Эжекторная установка ускорения воздушного потока и ее применение (варианты)
EJECTOR UNIT FOR ACCELERATING THE AIR FLOW AND ITS APPLICATION (OPTIONS)

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики, в частности к ветроэнергетическим установкам с ускорителями ветрового потока, касается эжекторной установки ускорения воздушного потока и вариантов ее применения.
Из патента RU 2607444 C1 (кл. F03D 1/00, F03D 1/06, опубл. 10.01.2017 г.) известен ветродвигатель, содержащий центральную среднюю и заднюю обечайку, закрепленные между собой ребра жесткости, а также турбоколесо.
Из патента RU 2186244 C1 (кл. F03D 1/04, опубл. 27.07.2002 г.) известна ветроэнергетическая установка, содержащая переднюю малую обечайку, большую обечайку, заднюю обечайку, а также генератор.
Из патента RU 2431759 C1 (кл. F03D 1/04, опубл. 20.10.2011 г.) известна ветротурбина со смесителями и эжекторами также имеющая обечайки с ребрами жесткости и турбоколесо.
Из патента RU 60148 U1 (кл. F03D 1/04, опубл. 10.01.2007 г.) известна ветроэнергетическая установка, содержащая осесимметричный диффузорный ускоритель с лопатками направляющего аппарата, имеющими отклоняемый закрылок, радиально закрепленными неподвижно внутри ускорителя в зоне входа, центральное тело, состоящее из неподвижной носовой части с обтекателем, вращающейся средней части, выполненной в виде ротора электрогенератора с лопатками ветроколеса пропеллерного типа, и хвостовой части, содержащей цилиндрические обечайки.
Из патента RU 2261362 C2 (кл. F03D 1/04, опубл. 27.09.2005 г.) известна аэротермодинамическая ветроэнергетическая установка, содержащая генератор, турбину, вытяжное кольцевое крыло с внутренней поверхностью, выполненной по профилю «Де-Лаваль», являющееся несущим элементом установки и оснащенное флюгерной поверхностью, обеспечивающей ориентацию по ветру, несущие радиальные кронштейны для крепления генератора, кабину генератора с обтекаемой наружной поверхностью и с внутренней несущей конструкцией для опор генератора и опоры турбины, входной неподвижный конус, закрывающий ротор турбины, радиальные кронштейны, несущие входной конус, входное кольцевое крыло, имеющее замкнутый контур для вращения ротора турбины, опорную мачту установки и поворотный стенд с токосъемниками, осуществляющий коммуникацию между кабиной генератора и опорной мачтой, причем профиль входного кольцевого крыла выполнен в паре с вытяжным кольцевым крылом.
Из патента RU 2124142 C1 (кл. F03D 1/04, опубл. 27.12.1998 г.) известна ветроэнергетическая установка, содержащая одну турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с генератором, центральную оболочку, кольцевую переднюю оболочку с по крайней мере одним входным каналом турбины, образующую с центральной оболочкой выходной канал турбины, а также кольцевую наружную оболочку, образующую с центральной оболочкой диффузорный выходной канал, отличающаяся тем, что энергоагрегат снабжен дополнительной кольцевой оболочкой, образующей с внешними поверхностями передней и центральной оболочек сужающе-расширяющийся первый промежуточный канал, сообщенный в промежуточной части с выходным каналом турбины, а с внутренней поверхностью наружной оболочки - второй промежуточный канал, сообщенный вместе с первым промежуточным каналом с диффузорным выходным каналом.
Из патента RU 2230219 С1 (кл. F03D1/04, опубл. 10.06.2004 г.) известен способ преобразования энергии свободного воздушного потока и ветроэнергетическая установка его реализации, содержит крайней мере одну турбину с сопловым аппаратом, механически связанную с по крайней мере одним энергопреобразователем, по крайней мере одну центральную капсулу и одну центральную кольцевую оболочку с входом проточного канала и выходом, образованным внутренней поверхностью центральной кольцевой оболочки и внешней поверхностью центральной капсулы, по крайней мере одну дополнительную кольцевую оболочку и одну внешнюю кольцевую оболочку, образующую с центральной капсулой диффузорный выход проточного канала.
Из патента US 4075500 (кл. F03D 1/00, F03D 1/04, F03D 7/00, F03D 7/02, H02P 9/04 опубл. 21.02.1978 г.) известна ветровая электрогенерирующая система, содержащая канал с возможностью вращения, имеющий выходное отверстие, а также ветротурбину, установленную внутри канала, генератор, приводящий в действие турбину, а также вал генератора.
Из патента AU 201026621 (кл. F03D 1/04, опубл. 12.01.2012 г.) известна ветротурбина, содержащая центральную и заднюю обечайки, а также генератор турбоколесо и вал генератор.
Недостатком указанных устройств является недостаточное ускорение воздушного потока для увеличения КПД, а именно для преобразования энергии ветра в кинетическую энергию.
В ходе анализа описаний к документам, отобранным при проведении тематического поиска, была выявлена ветроэнергетическая установка, защищенная патентом RU 2345246 C1 (кл. F03D 1/04, опубл. 27.01.2009 г.), совпадающая с разработанной системой по наибольшему количеству существенных признаков, а также имеющая наиболее приближенный технический результат, принятый за ближайший аналог (прототип).
Ветроэнергетическая установка по прототипу включает входную оболочку кольцевой формы, расположенную коаксиально внутри входной оболочки турбину, механизм для преобразования механической энергии, кинематически связанный с турбиной, и кольцевую наружную оболочку с поперечным сечением ее внутренней поверхности круговой формы. По меньшей мере, часть наружной поверхности входной оболочки имеет в поперечном сечении форму эллипса, а также имеющая часть наружной поверхности наружной оболочки, образованную боковой поверхностью цилиндра вращения, имеющая часть внутренней поверхности входной и наружной оболочки, образованной боковой поверхностью конуса вращения и имеющая часть внутренней поверхности входной оболочки и наружной оболочки образована боковой поверхностью цилиндра вращения. Установка по прототипу обеспечивает увеличение КПД, а также повышения коэффициента ускорения воздушного потока.
В установке по прототипу ветроколесо размещено в передней части третьей обечайки, из-за чего ускорение воздушного потока производилось за счёт его протекания только в двух обечайках, что недостаточно для ускорения воздушного потока и повышения КПД установки. Также из-за малого диаметра ветроколеса образуется малая рабочая площадь на лопатках ветроколеса и меньший крутящий момент. Помимо вышеперечисленного, был невозможен свободный доступ к ветроколесу, в случае возникновения поломок и необходимости замены.
В задачу изобретения положено создание новой эжекторной установки ускорения воздушного потока, устраняющей указанные недостатки, а также разработка вариантов ее нового применения.
Техническим результатом является повышение коэффициента ускорения воздушного потока внутри конструкции и, как следствие, повышение производительности установки, а также повышение экологичности, упрощение обслуживания и ремонта.
Поставленная задача достигается тем, что эжекторная установка ускорения воздушного потока содержит четыре обечайки, выполненные разного размера и диаметра, увеличивающихся от передней обечайки к четвертой обечайке, и установленные друг в друге, при этом передняя обечайка установлена внутри второй обечайки, вторая обечайка установлена внутри третьей обечайки, третья обечайка установлена внутри четвертой обечайки, каждая обечайка имеет форму полого усеченного конуса с выпуклостью на внутренней поверхности, причем более широкая часть конуса обечаек направлена наружу, а более узкая - к задней части установки, четвертая обечайка выполнена с закрылком, внутри третьей обечайки установлена капсула, обечайки соединены между собой рёбрами жесткости, третья обечайка соединена с капсулой рёбрами жесткости, четвертая обечайка и вместе с ней вся установка крепится путём зажима хомутом, который зафиксирован на стойке, в капсуле в пазах установлен генератор, на валу генератора также закреплено турбоколесо, содержащее лопасти с законцовками; турбоколесо содержит два ряда лопастей; турбоколесо закреплено на валу генератора при помощи шпоночного соединения.
Поставленная задача достигается также тем, что осуществляют применение предлагаемой установки в качестве рабочей единицы мегаватной установки; мегаватная установка содержит не менее 20 эжекторных установок ускорения воздушного потока, закрепленных на мачте; каждая эжекторная установка ускорения воздушного потока имеет мощность 50 кВт.
Поставленная задача достигается также тем, что осуществляют применение предлагаемой эжектороной установки ускорения воздушного потока в качестве источника возобновляемой энергии для подзарядки аккумуляторов в электромобилях; эжекторная установка ускорения воздушного потока установлена либо на мачте на кузове автомобиля, либо на крыше автомобиля, либо за лицевой решеткой автомобиля.
На фиг. 1 представлен общий вид эжекторной установки ускорения воздушного потока, где: 1а - вид спереди; 1б - вид сзади.
На фиг. 2 представлен изометрический вид эжекторной установки ускорения воздушного потока.
На фиг. 3 представлено ветроколесо эжекторной установки ускорения воздушного потока.
На фиг. 4 представлен чертеж установки сзади и два поперечных разреза в плоскости с указанием деталей.
На фиг. 5 представлен поперечный разрез эжекторной установки ускорения воздушного потока.
На фиг. 6 представлен закрылок обечайки эжекторной установки ускорения воздушного потока.
На фиг. 7 представлена симуляция протекаемого воздушного потока в эжекторной установки ускорения воздушного потока.
На фиг. 8 представлена мегаватная установка с использованием 20 эжекторных установок ускорения воздушного потока.
На фиг. 9 представлен автомобиль с использованием эжекторной установки ускорения воздушного потока, где: 9а, 9б - эжекторная установка ускорения воздушного потока, закрепленная на мачте на кузове автомобиля; 9в, 9г - эжекторная установка ускорения воздушного потока закреплена на крыше автомобиля; 9д, 9е - эжекторная установка ускорения воздушного потока установлена за лицевой решеткой автомобиля.
Конструктивно эжекторная установка ускорения воздушного потока на фиг. 1-7 содержит:
1 - переднюю обечайку;
2 - вторую обечайку;
3 - третью обечайку;
4 - четвертую обечайку (центральную);
5 - закрылок;
6 - капсулу;
7 - ребра жесткости;
8 - генератор;
9 - вал генератора;
10 - турбоколесо;
11 - лопасти;
12 - шпоночное соединение;
13 - стойка.
Обечайки выполнены разного размера и диаметра, увеличивающихся от передней обечайки 1 к четвертой обечайке 4, и установлены друг в друге по принципу матрешки. При этом передняя обечайка 1 установлена внутри второй обечайки 2, вторая обечайка 2 установлена внутри третьей обечайки 3, третья обечайка 3 установлена внутри четвертой обечайки 4.
Каждая обечайка 1, 2, 3, 4 имеет форму полого усеченного конуса с выпуклостью на внутренней поверхности. При этом более широкая часть конуса обечаек направлена наружу, а более узкая - к задней части установки.
Четвертая обечайка 4 выполнена с закрылком 5.
Внутри четвертой обечайки 4 установлена капсула 6.
Обечайки 1, 2, 3, 4 соединены между собой рёбрами жесткости 7.
Четвертая обечайка 4 соединена с капсулой 6 рёбрами жесткости 7.
Четвертая обечайка 4 закреплена на стойке 8.
В капсуле 6 установлен генератор 9 на валу генератора 10.
На валу генератора 10 также закреплено турбоколесо 11.
Турбоколесо 11 содержит лопасти 12, выполненые с законцовками.
Турбоколесо 11 содержит, например, два ряда лопастей 12.
Турбоколесо 11 закреплено на валу генератора 10, например, при помощи шпоночного соединения 13.
Предлагаемая эжекторная установка ускорения воздушного потока работает следующим образом.
Воздушный поток поступает через переднюю меньшую обечайку 1, проходит через вторую обечайку 2, а затем поступает в третью обечайку 3. При этом форма обечаек 1 и 2 позволяет создать необходимый перепад давления при переходе направления воздушного потока в третью обечайку 3, и осуществить эффект эжекции воздуха между второй 2 и третьей 3 обечайками. Затем воздушный поток поступает в центральную обечайку 4, ускоряется в ней и вращает турбоколесо 10, которое передает усилие на вал генератора 9 через шпоночное соединение 11.
Для снабжения электричеством предприятий и населенных пунктов предназначена мегаватная установка, состоящая из нескольких эжекторных установок ускорения воздушного потока, мощностью 50 кВт каждая. Преимущества этой установки в том, что эжекторные установки ускорения воздушного потока весят менее 500 кг каждая. При неисправности одной эжекторной установки ускорения воздушного потока она легко демонтируется и заменяется на аналогичную. Конструкция эжекторной установки ускорения воздушного потока предполагает достичь наименьшего веса всей мегаватной установки, что позволяет сократить расходы на ее изготовление, монтаж и обслуживание конструктивных элементов.
Использование обечаек с выпуклостями на внутренней поверхности, форма которых выполнены путем подбора с помощью предварительной симуляции поведения воздушного потока через эжекторную установку ускорения воздушного потока с использованием дополнительной библиотеки “Flow simulation” программы “Solid Works”, препятствует завихрениям и встречным потокам воздуха.
Размещение турбоколеса в конечной части капсулы позволяет не только увеличить его диаметр и ометаемую площадь лопастей, но и осуществить возможность интеграции ветроколеса из двух рядов лопастей, что более значительно повышает ометаемую площадь. Также выполнение турбоколеса с двумя рядами лопастей, один из которых находится внутри четвертой обечайки, а другой - извне третьей и внутри четвёртой, позволяет упростить обслуживание и ремонт установки, уменьшает сложность конструктивных деталей при изготовлении и сборки конструкции.
Добавление законцовок лопастям способствует большей проходимости воздушного потока и снижению завихрений обтекающего лопасти потока.
Все перечисленные улучшения позволяют добиться повышения коэффициента ускорения воздушного потока внутри конструкции до 7,7 раза и увеличения крутящего момента на ветроколесе. Следовательно, появляется возможность раскручивать валы генераторов с большим вращающим моментом.
Эжекторная установка ускорения воздушного потока с мощностью генератора от 2кВт до 5кВт может применяться для обеспечения электроэнергии частного дома, с генератором мощностью от 10 кВт может быть применена для обеспечения электроэнергией различных структур сельского хозяйства.
Начиная с генератора, мощность которого составляет от 50кВт и выше, эжекторная установка ускорения воздушного потока может применяться как рабочая единица мегаватной установки, содержащей не менее 20 эжекторных установок ускорения воздушного потока, закреплённых на одной мачте (фиг. 8). Электрогенераторы эжекторных установок ускорения воздушного потока подключаются к блоку управления, которые подключаются к аккумуляторам, данное решение принято для того, чтобы в случае возникновения неполадок конкретной рабочей единицы, останавливать только её работу, а не всей мегаватной установки. Блоки управления через предохранитель и переключатель подключаются к инвентору, который подключается к АВР (автоматический ввод резерва), в свою очередь подключенный через счётчик к сети.
Также, предлагаемая конструкция эжекторной установки ускорения воздушного потока может быть применена в качестве возобновляемого источника энергии для подзарядки аккумулятора. За счёт сравнительно небольших габаритов эжекторной установки ускорения воздушного потока предусмотрена интеграция данного устройства в конструкцию электромобиля (фиг. 9). Представлены варианты размещения эжекторной установки ускорения воздушного потока в качестве возобновляемого источника энергии для подзарядки аккумулятора на автомобиле. Например, в устройство диаметром 25 см устанавливается дисковый бессердечниковый генератор мощностью в 1 кВт, рабочий диапазон установки начинается со скорости движения электромобиля 20 км/час (5 м/с). Генератор эжекторной установки ускорения воздушного потока параллельно подключается к блоку управления, который в свою очередь подключается к аккумуляторным батареям постоянного тока.
Данное решение делает возможным зарядку аккумуляторов электромобиля на ходу и стоянках (для запуска установки достаточно скорости ветра 3 м/с), без использования подзарядки от электросети.
Применение эжекторной установки ускорения воздушного потока для подзарядки аккумуляторов в электромобилях дополнительно позволяет сократить их количество, соответственно количественно уменьшается производство аккумуляторов и понижается его вредное воздействие на экологию, т.к. производство аккумуляторов отрицательно сказывается на экологии.
Ниже представлен пример конкретного осуществления предлагаемого изобретения.
Пример 1.
Для подтверждения достижения технического результата был проведён эксперимент, который заключался в том, что вал генератора предлагаемой эжекторной установки раскручивался при двух условиях - с корпусом эжекторной установки ускорения воздушного потока и с его отсутствием, при одном и том же установленном ветроколесе.
На ветроколесо подавался раскрученный воздух от вентилятора и строительного фена, скорость воздушного потока замерялась анемометром. Затем тахометром были замерены обороты вала. Данная череда действий выполнялась при двух вышесказанных условиях.
Таблица 1
Результаты испытаний
Без корпуса
С корпусом
Скорость ветра, м/с
Количествооборотов, об/мин
Скорость ветра, м/с
Количество оборотов, об/мин
3
30
3
231
4,5
48
4,5
369,6
6
60
6
462
13
130
13
1000
Исходя из данных в таблице, можно вычислить коэффициент ускорения:
,
Где  - количество оборотов без корпуса;  - количество оборотов с корпусом.
Подставляя значения из таблицы в выражение получаем то, что коэффициент ускорения равен .