Устройство преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию с использованием нижней направляющей структуры

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам, преобразующим кинетическую энергию ветрового потока в механическую энергию, и может быть использована для получения электрической энергии, потенциальной энергии сжатого воздуха, потенциальной энергии жидкости. Устройство содержит раструб с расположенным в нем ротором и нижнюю направляющую структуру. Ротор выполнен в виде вала с закрепленными на нем лопастями с частичным выступом их из нижней части раструба. Техническим результатом заявляемого устройства являются увеличение коэффициента полезного взаимодействия устройства с ветровым потоком и уменьшение «паразитных» неравномерных нагрузок на ротор.
Устройство может найти применение в качестве дополнительного источника электроэнергии на крышах высотных зданий, в полевых условиях для энергообеспечения силовых структур, фермерских хозяйств, ретрансляторов сотовой связи. Возможно также его применение для резервного энергообеспечения нефтегазодобывающих платформ и судов.
Сегодня распространены такие ветропреобразующие устройства, как, например ветряные мельницы, а также сделанные на их основе лопастные современные ветроэлектростанции (А. Соловьев, Наука и жизнь, № 7, 2013 г. с. 42-47).
Также известно устройство для преобразования энергии ветрового потока, включающее закрепленное на башне рабочее колесо (рабочий орган) с лопастями и закрепленный также на башне раструб, расположенный за колесом и содержащий боковые отверстия в виде кольцевых щелей, образованных рядом колец фигурного сечения, соединенных между собой продольными наружными полосами (авт.св. СССР № 40280, кл. 88 с., 1934 г.).
Разработано устройство, которое более эффективно по сравнению с аналогами позволяет преобразовывать кинетическую энергию ветра в механическую энергию (RU № 2552635 С2 от 07.10.2013 г.).
Принцип работы данного устройства заключается в том, что используется вихревая структура, возникающая в верхней части раструба и позволяющая увеличить эффективное сечение взаимодействия данного устройства с ветровым потоком.
Однако в нижней части данного устройства создается неравномерное избыточное давление на ротор с максимумом со стороны обдува, что приводит к гиперзвуковым динамическим ударам. Для уменьшения этой неравномерности давления в нижней части ротора, и, как следствие, уменьшения соответствующих «паразитных» неравномерных нагрузок может быть применена специальная направляющая структура в виде выпуклой фигуры вращения, осесимметрично расположенной с ротором.
Кроме того, данная структура за счет указанных особенностей своей геометрической формы и ориентации относительно ротора, дополнительно концентрирует, фокусирует ветровой поток в нижней части ротора, повышая давление под ним и увеличивая вертикальную силу тяги внутри раструба.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого в настоящей заявке устройства в поперечном сечении, где 1 - верхняя часть раструба, 2 - нижняя часть раструба, 3 - устройство нагрузки, например генератор ЭДС, 4 - вал ротора, 5 - диск, 6 - лопасти ротора, 7 - выступ лопастей ротора, 8 - опоры устройства, 9 - узел соединения опор с валом ротора, выполненный с возможностью осуществлять валом осевое вращение, 10 - нижняя направляющая структура, на которую крепятся нижние части опор (8).
Улучшение работы предлагаемого устройства в сравнении с рассмотренным выше аналогом, использующим вихревую структуру, заключается в том, что нижняя направляющая структура (10), во-первых, увеличивает давление в нижней части ротора, что повышает вертикальную силу тяги внутри раструба, вследствие чего возрастает вращающий момент на роторе.
Во-вторых, нижняя направляющая структура способствует значительному уменьшению паразитных неравномерных нагрузок на ротор за счет повышения равномерности распределения давления в нижней его части.
Ниже на фиг. 2 приведен пример технической реализации данной полезной модели.
Установка выполнена со следующими параметрами: раструб выполнен в виде усеченного конуса в основании ∅ 234 мм, вершина ∅ 1506 мм, с высотой 414 мм. По оси вращения на расстоянии 450 мм расположена нижняя направляющая структура, состоящая из двух усеченных конусов, - нижний у основания ∅ 3632 мм, верхний ∅ 422 с высотой 500 мм. Из верхнего конуса с основанием ∅ 1422, сопрягающего верхнего с высотой 66 мм и верхним диаметром 154 мм.
Функционирование представленного на фиг. 2 устройства можно описать на основании фиг. 1. Горизонтальный ветровой поток, обтекая верхнюю часть раструба 1, получает увеличение скорости относительно «Ветра». Обтекая нижнюю часть раструба 2, ветровой поток, попадая на выступающие лопасти ротора 7, тормозится, и его скорость становится меньше скорости «Ветра». Из формулы Бернулли следует, что Р1<Р2. Перепад давлений вызывает движение воздушного потока через ротор, тем самым преобразуя потенциальную энергию разности давлений между нижней и верхней частями ротора в кинетическую энергию его вращения.
Однако тыльная сторона лопастей ротора 6 испытывает разряжение, и для выравнивания давления с обдуваемой частью ротора применяется нижняя направляющая структура 10, которая образует «Тыльный ветровой поток», который значительно снижает неравномерность распределения избыточного давления на роторе. Кроме того, нижняя направляющая структура 10 концентрирует часть ветрового потока, попадающего на ее боковую поверхность с подветренной стороны, и направляет ее к нижней части ротора, вследствие чего в этой части повышается давление.
Таким образом, наличие нижней направляющей структуры 10 способствует значительному увеличению коэффициента полезного взаимодействия устройства с ветровым потоком и уменьшению «паразитных» неравномерных нагрузок на ротор. Этот результат достигается во многом за счет специальной выпуклой формы нижней направляющей структуры 10 и ее осесимметричного с ротором расположения.