АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ, СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
AERODYNAMIC POWER PLANT, METHOD FOR CLEAN ELECTRIC ENERGY GENERATION AND HIGH-SPEED AERODYNAMIC ENGINE FOR USE AT AERODYNAMIC POWER PLANT

Изобретение относится к энергетике и может быть применено для выработки чистой электроэнергии.
Из уровня техники известна аэроэлектростанция, включающая несколько (три) вертикальных аэродинамических труб (АДТ), входы которых расположены навстречу направлению ветра, а выходы сообщены с атмосферой; каждая труба имеет среднюю часть квадратного сечения и в ней установлена многолопастная турбина (RU 2438040 С2, опубл. 27.12.2011).
Известная аэроэлектростанция из-за неравномерности частоты вращения генератора не позволяет применять полученный ток в электродвигателях коммунального и промышленного назначения, а также имеет недостаточно высокий КПД из-за невысокой скорости вращения турбин и непостоянства ветра.
Известен способ получения электроэнергии, реализуемый данной электростанцией, по которому создают поток воздуха в аэродинамических трубах за счет действия ветра, воздействуют потоком воздуха на лопасти турбин, последовательно установленных в АДТ, и преобразуют вращение турбин в электроэнергию посредством генераторов (см. там же).
Известный способ также не позволяет применять полученный ток в электродвигателях коммунального и промышленного назначения из-за неравномерности частоты вращения генератора, а также обеспечивает недостаточно высокий КПД из-за невысокой скорости вращения турбин и непостоянства ветра.
Наиболее близким к предложенному аэродвигателю является ветряной двигатель, турбина которого содержит центральную вертикальную ось со ступицей и закрепленные на ней вогнутые крылья с шарнирно установленными на последних лопастях. Каждое из крыльев снабжено горизонтальными подкрылками. Средний подкрылок жестко закреплен, а верхний и нижний выполнены в виде подвижных секторов, установленных внахлестку с рабочей поверхностью крыльев (RU 2009371 C1, опубл. 15.03.1994). Лопасти турбины имеют неизменяемый профиль, поэтому в некоторых своих положениях они оказывают большое сопротивление набегающему потоку, что ограничивает скорость вращения турбины.
Задачей изобретения является создание высокоэффективной АДЭС с постоянной частотой вырабатываемой электроэнергии и высоким КПД.
Задача решается аэродинамической электростанцией (АДЭС), содержащей по меньшей мере одну аэродинамическую трубу (АДТ), входная часть которой сообщена с вентилятором, а выходная - с атмосферой, и размещенные по длине АДТ высокоскоростные аэродинамические агрегаты (ВАДА), каждый из которых включает высокоскоростной аэродинамический двигатель (ВАДД) и соединенный с его валом генератор, при этом согласно изобретению каждый ВАДА включает также соединенный с валом ВАДД разгонный двигатель, АДТ имеет прямоугольное сечение, а каждый ВАДД включает ротор с установленными на нем качающимися лопастями, расположенными поперек АДТ вдоль вала.
Задача также решается способом получения и тиражирования электроэнергии с помощью данной аэродинамической электростанции, заключающимся в том, что разгоняют поток воздуха в аэродинамической трубе за счет нагнетания его на входе в АДТ и выброса воздуха в атмосферу, воздействуют потоком воздуха на лопасти ВАДД, последовательно установленные в АДТ, и преобразуют вращение роторов ВАДД в электроэнергию посредством генераторов, и характеризующимся тем, что с помощью разгонных двигателей разгоняют лопасти соответствующих ВАДД до скорости, превышающей скорость потока, набегающего на лопасти каждого ВАДД.
Технический результат от использования предложенных способа и АДЭС заключается в повышении скорости вращения лопастей изменяемого профиля и одновременно в повышении скорости потока, омывающего лопасти, за счет использования разгонных двигателей в каждом ВАДА. Линейная скорость лопасти ВАДД превышает скорость потока воздуха в АДТ на коэффициент быстроходности, который определяется отношением линейной скорости лопасти к скорости потока воздуха в пределах 30-35 раз.
Задача также решается высокоскоростным аэродинамическим двигателем (ВАДД) для использования на АДЭС, ротор которого включает установленные на валу два маховика, а каждая лопасть ВАДД выполнена из двух полулопастей, каждая из которых установлена с помощью прямых шипов в подшипниках маховиков с возможностью качания на 8-10 градусов относительно хорды лопасти, расположенной вдоль оси ротора, при этом полулопасти находятся в зубчатом зацеплении друг с другом посредством одного зуба, выполненного на одной полулопасти, и двух зубьев, выполненных на другой полулопасти.
В предпочтительном варианте выполнения каждая полулопасть имеет симметричный профиль, поперечное сечение первой полулопасти каждой лопасти имеет закругленный конец, обращенный навстречу потоку, расширяется в сторону второй полулопасти, длина первой полулопасти в поперечном сечении составляет 0,35-0,45 хорды лопасти, вторая полулопасть плавно сужается в поперечном сечении в направлении от первой полулопасти и заканчивается острым концом, а при нулевом угле атаки оси качания полулопастей пересекают хорду лопасти посередине отрезка хорды каждой полулопасти соответственно.
В вышеуказанных известных технических решениях аэродинамические трубы работают за счет давления аэропотока, которое значительно меньше давления, создаваемого ВАДА, в которых скорость лопасти определяется ВАДД, превышающими скорость природного встречного воздушного потока в несколько раз, что создает подъемную силу лопасти, которая используется предложенным изобретением. В результате лопасти вращаются со скоростью больше скорости аэропотока как минимум в 30-35 раз (скоростной коэффициент ВАДД).
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показана предложенная АДЭС в плане.
На фиг. 2 показан ВАДД, вид спереди (со стороны боковой стенки АДТ) с частичным разрезом.
На фиг. 3 - вид на ВАДД сверху с частичным разрезом.
На фиг. 4 - поперечный разрез ВАДД в плоскости, перпендикулярной оси ротора в процессе работы.
На фиг. 5 - поперечный разрез лопасти ВАДД при нулевом угле атаки.
На фиг. 6 - вид лопасти на фиг. 5 сверху.
На фиг. 7 - поперечный разрез лопасти ВАДД при угле атаки, отличном от нуля.
Предложенная аэродинамическая электростанция содержит несколько (или одну) аэродинамических труб (АДТ) 1. В каждой АДТ 1 входная часть соединена через жалюзийную решетку 2 и приемную камеру с вентилятором 3, а выходная часть 4 - с атмосферой. В машинном зале 8 по длине каждой АДТ 1 установлены высокоскоростные аэродинамические агрегаты 9 (ВАДА) с определенным шагом в зависимости от мощности ВАДА. Каждый ВАДА 9 включает высокоскоростной аэродинамический двигатель 10 (ВАДД) и соединенные с его валом с одной стороны генератор 11 и с другой стороны разгонный двигатель 12 - рекуператор электроэнергии.
В предпочтительном варианте АДЭС имеет две АДТ 1, одна из которых работает постоянно, а вторая включается в периоды пиковых нагрузок (зимний период, суточные пиковые нагрузки) и во время ремонта другой трубы.
Внутри каждой АДТ 1 прямоугольного сечения установлен корпус 13 ВАДД 10, в котором на валу 14 с двух сторон на шпонках установлены маховики ротора 15, которые соединены друг с другом по ободам установленными на прямых шипах шатунно-лопастными механизмами изменяемого профиля в виде качающихся лопастей 16. Лопастям 16 присвоено имя «лопасти Ушаковой изменяемого профиля».
Высота прямоугольного сечения АДТ 1 равна диаметру маховиков ротора 15 ВАДД 10. Съемная крышка 17 ВАДД 10 с помощью болтов соединена в корпусом 13.
Маховики ротора 15 расположены в углублениях боковых стенок АДТ 1, так что ширина АДТ 1, обозначенная на фиг. 3 как «В», равна размеру посадки маховиков (расстоянию между роторами). Высота АДТ 1 (глубина), обозначенная на фиг. 2 «h», равна высоте корпуса 13 от днища до крышки.
Вал 14 выходит через стенки АДТ, опираясь концами на подшипники. На тонком конце вала 14 насажена на шпонках муфта для соединения с разгонным двигателем 12. На большем по диаметру конце вала 14 насажена муфта для подсоединения генератора 11.
Число лопастей 16 предпочтительно является нечетным, например 3, 5, 7 лопастей, поскольку при этом меньше ударные нагрузки на вал, чем при четном числе лопастей.
Каждая лопасть 16 ВАДД 10 выполнена из двух полулопастей - первой ведущей полулопасти 17 и второй ведомой полулопасти 18 (фиг. 5, 6). Полулопасти 17 и 18 имеют каждая прямые шипы 19 и 20, которые вставлены в игольчатые подшипники, закрепленные на ободах ротора 15 с возможностью поворота на углы 8-10 градусов. Углы поворота полулопастей 17, 18 ограничены приваренными на ободах ротора 15 пластинами 21, 22. Таким образом каждая полулопасть 17, 18 является качающейся, преимущественно на 8-10 градусов относительно хорды лопасти 16, расположенной вдоль оси ротора 15. Полулопасти 17, 18 находятся в зубчатом зацеплении друг с другом. На фиг. 5 показано, что на первой полулопасти 17 выполнены два зуба 23, а на второй полулопасти 18 выполнен один зуб 24. (Возможен обратный вариант: один зуб на первой полулопасти 17 и два зуба на второй полулопасти 18). Зубья 23 и 24 имеют профиль, обеспечивающий обкатывание зуба 24 по обращенным к нему поверхностям зубьев 23, как это имеет место при зубчатом зацеплении колес.
Полулопасти 17 и 18 имеют симметричный профиль, первая ведущая полулопасть 17 закруглена с одного конца, расширяется в направлении к зубчатому зацеплению. Вторая ведомая полулопасть 18 плавно сужается в направлении к свободному концу и заканчивается острым концом толщиной 3-5 мм. Поверхности второй полулопасти 18 являются продолжениями поверхностей первой полулопасти 17. Длина первой полулопасти 17 в поперечном сечении равна 0,35-0,45 хорды лопасти, длина второй полулопасти 18 равна 0,55-0,65 хорды. Хорда равна сумме длин полулопастей. Длина хорды может составлять 400-500 мм. При нулевом угле атаки оси качания полулопастей 17 и 18 пересекают хорду лопасти посередине отрезка хорды каждой полулопасти 17 и 18 соответственно.
Хорда относительно вала ВАДД 10 делится меридианом, проходящим через ось вала под прямым углом к хорде в равных долях. Углы атаки лопасти 16 при воздействии аэропотока могут быть положительными, отрицательными или равными нулю. (При положительных и отрицательных углах атаки поворот концов полулопастей 17 и 18 составляет ±6-10 мм.) При нулевом угле атаки лопасть 16 имеет симметричный профиль. При положительных и отрицательных углах атаки - S-образный профиль.
Способ получения и тиражирования электроэнергии и работа АДЭС и ВАДД осуществляются следующим образом.
2
На первой стадии происходит разгон потока воздуха в АДТ 1 за счет нагнетания воздуха вентилятором 3 на входе в ГДТ 1 и выброса аэропотока в атмосферу. Скорость V, вытекающей из хвостового отверстия ГДТ, определяется по формуле V=2gH. На второй стадии происходит разгон лопастей 16 ВАДА 10 до скоростей, превышающих скорости потока в 30-35 раз. При воздействии аэропотока на качающиеся лопасти 16 полулопасти 17 и 18 меняют свое положение на 8-10 градусов относительно хорды лопасти 16 за счет поворота вокруг своих осей.
Синхронизация поворота полулопастей 17 и 18 обеспечивается за счет их зубчатого зацепления. При повороте полулопастей 17 и 18 в своих положениях при положительном и отрицательном углах атаки лопасти 16 приобретают S-образный профиль за счет своей вышеописанной геометрии (фиг. 4).
1
За один оборот маховиков ротора 15 на 360 градусов лопасти 16 изменяемого профиля Ушаковой меняют свой профиль четыре раза: а) при повороте от 0 до 3 градусов - симметричный профиль со знаком +; б) от 3 до 180 градусов - S-образный профиль со знаком +; в) от 180 до 183 градусов - симметричный профиль со знаком -; г) от 183 до 360 градусов - S-образный профиль со знаком -. Как при положительном, так и при отрицательном углах атаки (от 3 до 180 градусов - S-образный профиль со знаком + и от 183 до 360 градусов - S-образный профиль со знаком -) смещение перерезывающей силы от нагрузки смещено от оси вращения вала 14 в сторону острия ведущей полулопасти 17 всегда влево, что дает произведение перерезывающей силы на плечо смещения перерезывающей силы h, что приводит к положительному результату, направленному в сторону вращения лопасти 16 изменяемого профиля Ушаковой (дополнительное увеличение мощности).
Омывающий лопасть 16 S-образного профиля высокоскоростной аэропоток создает подъемную силу лопасти. Проекция подъемной силы лопасти 16 на вектор линейной скорости создает силу тяги лопасти. Лопасти 16 ВАДД 10 S-образного изменяемого профиля будут способствовать ускорению аэропотока, играя роль насоса для прокачки аэропотока.
После разгона лопастей 16 включаются разгонные двигатели 12, которые дополнительно разгоняют лопасти 16 и роторы 15 ВАДД 10, и скорость аэропотока нарастает по длине ГДТ 1. Разгонные двигатели 12 - рекуператоры позволяют ВАДД 10 преодолеть сопротивление вращения силами тяги лопастей, поддерживать скорости вращения роторов 15 ВАДД 10 в нужных параметрах (3000 или 2250 об/мин). Кроме того, при снижении нагрузок в линии электропередачи (ЛЭП) и увеличении оборотов разгонный двигатель 12 - рекуператор способен возвращать в сеть (ЛЭП) электрическую энергию (рекуперация), снижая до проектных показателей обороты ВАДА 8.
Вращение роторов 15 ВАДА 10 передается на валы генераторов 11, преобразующих вращение вала в электроэнергию.
Предложенная группа изобретений позволяет повысить КПД выработки электроэнергии на АДЭС за счет увеличения скорости вращения лопастей роторов высокоскоростных аэродинамических двигателей.