ВЕТРОУСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА МАГНУСА

Область применения
Полезная модель относится к ветроэнергетике, а именно к конструированию ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения с использованием эффекта Магнуса, и предназначена для усиления эффекта Магнуса.
Уровень техники
Известны ВЭУ с горизонтальной осью вращения с радиальными лопастями в виде принудительно вращаемых цилиндров (роторов Магнуса // пат. СССР 10198, F03D 7/02, 1927; пат. США 4366386, F03B 5/00, F30D 7/06, 1982; заявка ФРГ 3246694, F03D 5/00, 1984; а.с. 1677366, F03D 1/02, СССР, 1991 и др.).
Основные недостатки этих ВЭУ - достаточно сложные приводы для вращения цилиндров, что удорожает изготовление и снижает надежность работы установки, а также невозможность практического применения их в водной среде на течении и в переносном виде.
Известно устройство по патенту GB 248471 от 05.12.1924. Недостатком данного устройства следует считать отсутствие указаний на тип привода роторов от мотора, который выполнен по низкоэффективной червячной передаче крутящего момента, через полую громоздкую станину на конический редуктор. Такой принцип привода роторов приводит к возникновению обратной реакции ветроколеса, которая будет стремиться некоторое время, особенно на начальном этапе раскрутки, следовать за основным валом установки.
Эта же сила будет присутствовать постоянно как вредная, забирающая часть энергии  аскрутки на себя. При этом в устройстве не указаны принципы отбора крутящего момента.
Известно устройство по патенту DE 3800070 А1 от 13.07.1989. Недостатком данного типа установки, работающей на принципе раскрутки роторов от встроенного спирального ускорителя, поток которого высвобождается через выпускные окна на концах цилиндров, следует считать то обстоятельство, что мощность установки такого типа будет достаточно низкой, т.к. раскрутка роторов от энергии ветра малоэффективна.
Известно устройство по патенту UA 63018 С2 от 15.01.2004. Недостатком является то, что для раскрутки роторов ветроколеса промышленного типа, когда необходимо достижение большого крутящего момента, данное устройство не эффективно, т.к. во-первых, автоматически возрастает громоздкость подобных конструкций при увеличении размеров ветроустановки, во-вторых, возникает вредная парусность, которая недопустима при шквалистых ветрах. Такие установки при ураганных ветрах становятся огромным парусом, и их конструкция может не выдержать напора воздуха. Кроме того, значительное усложнение конструкции приведет к повышению материалоемкости и цене всей установки. Чем больше деталей в конструкции, тем больше ее сложность и вероятность отказов. Установки такого типа пригодны только в качестве маломощных ветрогенераторов.
Известно устройство по патенту DE 3501807 А1 от 24.07.1986. Недостатком данного типа устройства является то, что сам способ раскрутки роторов в плане работоспособности находится под большим сомнением, т.к. есть некоторые противоречия в использовании эффекта Магнуса в данной конструкции.
Известно устройство по патенту AU 573400. Недостатком данного типа устройства следует считать то, что привод раскрутки роторов приводит во вращение и саму установку. У установки нет силовых элементов, предотвращающих вибрацию роторов. Приведены некоторые варианты раскрутки роторов, однако не предложена конкретная схема. Известно устройство по патенту US 4366386 от 28.12.1982. Недостатком данного типа устройства является максимальное усложнение конструкции при помощи огромного количества дифференциалов и систем шестеренок. В заявляемом устройстве этот момент обойден одним простым решением: электропривод роторов установлен непосредственно на редукторе самих роторов, максимально быстро и без потери энергии передавая крутящий момент.
К недостаткам всех вышеупомянутых аналогов следует отнести тот факт, что ни один из авторов данных патентов не выразил основную теоретическую сущность эффекта Магнуса, а именно то, что в его принципе скрыта очень неприметная деталь: взаимосвязь (по закону Бернулли) между статическим и динамическим давлениями на поверхности роторов. С помощью скоростного напора (pv2/2) в заявляемом способе происходит управление изменением «оболочки» - давления воздуха на ротор, то есть статической структуры.
Наиболее близким аналогом является патент RU 2333382. Данное решение принято за прототип. Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к конструированию ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения с использованием эффекта Магнуса. Способ усиления эффекта Магнуса характеризуется использованием ветроколеса с горизонтальным валом и обтекателем, радиальных лопастей в виде цилиндрических роторов, приводов для вращения роторов и электрогенератора, электродвигателя привода роторов. В ветроколесе устанавливают дополнительные профилированные плоскости в виде лопасти вдоль каждого цилиндрического ротора, которые по отношению к самим роторам делают неподвижными и крепят с корневой стороны непосредственно к передней части вращающегося обтекателя ветроколеса и/или по периметру окружности цилиндрического ротора вдоль его длины выполняют выемки в количестве не менее 8. По ходу движения встречного потока устанавливают, соответственно, лопасть переднего распределителя потока, лопасть уплотнителя потока со стороны ускорения потока и реактивную лопасть. Дополнительно со стороны зоны торможения потока может быть установлена лопасть торможения набегающего потока. В уплотнителе потока и/или реактивной лопасти, и/или лопасти торможения набегающего потока образуют специальные аэродинамические щели. Выемки могут быть выполнены параболической формы.
Недостатком данного решения является его недоработанность в плане аэродинамического профиля плоскости сжатия. Как только ветроколесо начинает вращаться, а с ним и указанная плоскость, возникает вихревой срыв потока (в зоне между точкой р2 и р3 на Фиг.4 прототипа образуются закрученные вихри), который усугубляется еще больше, чем больше скорость вращения всего ветроколеса. Картину еще больше портит и эффект некоторого вакуума за плоскостью, в который с еще большим эффектом втягивается боковой поток, расположенный выше лопасти (8) (на Фиг.2 прототипа), расширяя зону турбулентности. А как известно из аэродинамики, это в конечном счете приведет к уменьшению эффекта Магнуса, что сведет к минимуму все положительные моменты по его усилению способом, описанным в прототипе. В результате, сама реактивная лопасть (8) (на Фиг.2 прототипа) станет бесполезным атрибутом. Недостатки присущи и лопасти распределения потока (6) (на Фиг.2 прототипа). Эта лопасть снимает область хаотичного положительного давления на лобовую часть цилиндра, тем самым снижая парусность цилиндров, а значит и уменьшение до минимума коэффициента лобового сопротивления тела. В некоторой степени эта лопасть повышает и КПД, но незначительно.
Целью заявленной полезной модели было устранение недостатков, присущих прототипу.
Технический результат: достигается усиление эффекта Магнуса в широком диапазоне скоростей потока, начиная от его нулевого значения.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано общее конструктивное устройство, расположение и форма неподвижных лопастей (вид с торца ротора цилиндра), а также принцип действия набегающего потока на конструкции ветроколеса, где 1 - ротор-цилиндр в сечении (стрелкой внутри колеса показано направление вращения колеса), 2 - плоскость распределения потока, выполняющая функцию распределения потока, а также обжатия и ускорения пограничного слоя цилиндра вращения, 3 - лопасть, с функцией сжатия потока, содержащая не менее чем одну аэродинамическую щель - 7 вдоль плоскости; угол установки плоскости относительно цилиндра задается, предпочтительно автоматически, 4 - реактивная лопасть, с функцией создания дополнительной силы вращения ветроколеса, 5 - пограничный слой воздушной массы, обладающий скоростными характеристиками раскрученного цилиндра; ширина его зависит от скорости вращения цилиндра и других составляющих, 6 - силовой гребень, расположенный перпендикулярно профилю лопастей сжатия потока (3-4 элемента), служащий одновременно как для силовой структуры многоэлементной конструкции лопасти, так и как элемент противостоящий сходу потока при возникновении центробежных сил, 7 - щели в лопасти сжатия потока. На Фиг.2 показано конструктивное устройство ветроустановки, где 8 - задняя часть капсулы (вращается в сборе с ветроколесом), 9 - аэродинамическое кольцо, 10 - задняя силовая распорка - капля, 11 - корпус обтекателя, 12 - поворотный узел, 13 - вертикальная труба привода генератора, 14 - опорная мачта (многосекционная), 15 - стыковочный узел секций, 16 - повторный стыковочный узел, 17 - угловой комбинированный редуктор с приводом на генератор(ы), 18 - генератор, 19 - верхняя часть мачты удобообтекаемой формы (каплевидная), 20 - противовес-обтекатель.
Осуществление полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что ветроустановка на основе эффекта Магнуса, содержащая ветроколесо с горизонтальным валом и обтекателем, радиальные лопасти в виде цилиндрических роторов, приводы для вращения роторов и электрогенератора, электродвигатель привода роторов, установленные дополнительно профилированные плоскости в виде лопастей сжатия, распределителя потока и реактивной лопасти вдоль каждого цилиндрического ротора, которые по отношению к самим роторам выполнены неподвижными и закреплены с корневой стороны непосредственно к передней части вращающегося обтекателя ветроколеса, отличающаяся тем, что лопасть переднего распределителя потока смещена от центра в сторону области торможения, а плоскость лопасти выполнена более вытянутой в сторону направления вращения цилиндра, содержит дополнительно лопасть сжатия потока, расположенную перед реактивной лопастью и выше нее по уровню относительно цилиндра, причем лопасть сжатия потока содержит не менее чем одну аэродинамическую щель вдоль плоскости лопасти, а лопасть сжатия выгнута на набегающий боковой поток.
Кроме того, щели лопасти сжатия потока выполнены таким образом, что каждая часть лопасти, которой они разъединены с торца, подобна по контуру фигуры другой части. Аэродинамический контур щелей выполнен с возможностью беспрепятственного пропуска набегающего бокового потока ветра и его ускорения, заданное по нужному направлению. Кроме того, по периметру окружности цилиндрического ротора вдоль его длины выполнены выемки в количестве не менее 8. Выемки выполнены параболической формы. Кроме того, ветроколесо с горизонтальным валом и обтекателем установлено позади мачты. Мачта в зоне работы ветроколеса выполнена каплевидной формы.
Принцип работы энергоустановки, основанный на использовании эффекта Магнуса, заключается в следующем.
При включении электродвигателя (на чертежах не показан) его вращение передается на основной конический редуктор цилиндра (1) ротора, а в нем на ведомые шестерни приводов вала ротора. Ведущая шестерня приводит во вращение ведомые шестерни с валами роторов. При раскрутке роторов возникает эффект Магнуса. Принципиально сам эффект заключается в том, что при обтекании вращающегося цилиндра (1) (см. Фиг.1) возникает разность давлений (если смотреть на схему) над и под цилиндром.
Это обусловлено тем, что набегающий поток, совпадающий с направлением вращения цилиндра, накладывается на ламинарный слой воздуха на самом цилиндре. При этом скорость потока и скорость вращения цилиндра складываются, то есть общая скорость обтекания цилиндра увеличивается. С обратной стороны картина обратная.
В результате этого возникает сила, направленная вверх, т.е. в область меньшего давления.
Это, в свою очередь, приводит во вращение ветроколесо.
Крутящий момент, создаваемый раскрученным цилиндром, дает крутящий момент на порядок больший, чем лопасть обычного винта. Более того, изменение формы поверхности крутящегося цилиндра дает увеличение КПД ветроколеса на эффекте Магнуса в несколько раз.
Основным элементом ветроустановки, работающей на основе эффекта Магнуса, является цилиндрический ротор (см. Фиг.2).
Каждый цилиндр (1) ротора крепится на оси вращения, исходящей от редуктора с шестернями конического типа. Само крепление роторов к осям вращения, как и многая доля компонующих деталей и механизмов, не является предметом защиты настоящего устройства и на чертежах не показана.
Крутящий момент, создаваемый раскрученным цилиндром, дает крутящий момент на порядок больший, чем лопасть обычного винта ветроустановки. Более того, изменение формы поверхности крутящегося цилиндра дает увеличение КПД ветроколеса на эффекте Магнуса в несколько раз.
Это объясняется физическими законами уравнений неразрывности струйки воздушного потока (постоянства расхода воздуха) - уравнением аэродинамики, вытекающим из основных законов физики (сохранение массы и энергии) и устанавливающим взаимосвязь между плотностью, скоростью и площадью поперечного сечения струи воздушного потока.
Отличительными особенностями заявленного устройства являются расположение лопастей.
Лопасть переднего распределителя потока (2) смещена от центра в сторону области торможения, плоскость лопасти выполнена более вытянутой в сторону направления вращения цилиндра (1). Такая конструкция и расположение лопасти обеспечивает работоспособность энергоустановки в любом диапазоне ветров, вплоть до нулевого значения скорости потока, т.е. в штилевых условиях. Вытянутость плоскости в сторону направления вращения цилиндра повышает скорость потока в зоне пониженного давления в квадратной зависимости, что приводит к существенному повышению КПД. Щели (7) лопасти сжатия потока выполнены так, что каждая часть лопасти, которой они разъединены с торца, подобна по контуру фигуры другой части. Аэродинамический контур щелей (7) выполнен так, чтобы набегающий боковой поток (Vп или Vp) смог получить беспрепятственный проход и ускорение, заданное по направлению. Лопасть сжатия (3) выгнута на набегающий боковой поток, благодаря чему исключается срыв потока в носовой ее части.
Смешиваясь, вливаясь в общий набегающий поток, вектора потоков Vп и Vp суммируются. К полученному суммарному потоку добавляется сила потока V1 от лопасти (2), а также сила потока сжатого пограничного слоя между лопастью (2) и вращающимся цилиндром. При этом поток, образованный под лопастью (2), вырвавшись в область общего слияния потоков, имеет наибольшую величину ускорения. Это в свою очередь приведет к возникновению области самого пониженного давления. В эту область пониженного давления и начнет втягиваться большая часть формирующегося потока, образуя область всасывания потока со стороны вектора Vп (что важно, когда Vп стремится к нулю в условиях штиля). При малых скоростях ветра, близких к нулю, необходимо само ветроколесо раскручивать быстрее на величину, пропорциональную снижению скорости потока Vп. Тогда, (см. треугольник векторных сил на Фиг.1) начнет возрастать вектор ротации Vp. Достигается это за счет увеличения скорости вращения цилиндров и использования так называемого «мнимого ветра», широко применяемого в парусном деле. Хотя при этом расход собственной электроэнергии на раскрутку ветроколеса повысится, это повышение будет составлять несколько процентов. Если учесть, что с ростом Vp эффект от вращения цилиндров возрастет многократно, это превысит все издержки затрат на электроэнергию. Кроме того, формирование зоны отрицательного давления позади роторов-цилиндров ветроустановки позволяет использовать дополнительный эффект (см. Фиг.2). Он позволил расположение ветроколеса не спереди ветроустановки, а сзади. Такое расположение позволяет повысить принцип флюгерности, т.е. способность ветроколеса к самоориентации по ветру, а это значит, что практически отпадает необходимость в использовании механизма(ов) на разворот или доворот ветроколеса по ветру.
Недостатком решения по установке ветроколеса позади мачты является лишь то, что возникает затененная турбулентная область между мачтой (19) и ветроколесом, которая вредно может влиять на ротор с лопастями, когда они проходят через нее. Чтобы устранить этот вредный эффект достаточно мачту (19) в зоне работы ветроколеса выполнить каплевидной формы, которая будет сглаживать турбулентные потоки вокруг корпуса обтекателя (11) к ветроколесу. Поскольку в заявленном устройстве ветроустановка будет работать практически при штилевом ветре, потери от снижения скорости ветра на входе в ветроколесо от выполнения мачты каплевидной формы, будут ниже, чем преимущества, которые возникнут от снижения расходов энергии на поворот колеса по ветру и отказ от механизмов, осуществляющих этот поворот. Таким образом, поворотный узел (12) может быть выполнен просто в виде подшипника без дополнительных двигателей или механизмов, передающих вращение. Пример энергоустановки в сборке на основе заявленного устройства показан на Фиг.2. Задняя часть капсулы (8) вращается в сборе с ветроколесом. Аэродинамическое кольцо (9) и задняя силовая распорка (10) служат для закрепления к ним лопастей. Вращение от ветроколеса передается на вертикальную трубу (13) привода, которая расположена внутри опорной многосекционной мачты (14). Секции стыкуются посредством стыковочных узлов (15) и (16). Благодаря чему ветроустановка может быть выполнена разборной. От привода (13) вращение передается на угловой комбинированный редуктор (17) с приводом на генераторы (18).
С помощью плоскости распределения потока помимо функции распределения потока в сторону ускорения его и торможения, выполняется очень важное свойство плоскости - это формирование ускоренного пограничного слоя воздуха вокруг цилиндра-ротора. Это важное свойство приводит к возможности использования всей установки в штилевых условиях, что невозможно в других известных типах установок.