ВЕТРОУСТАНОВКА
WINDMILL

Изобретение относится к ветроэнергетике и касается ветроустановок с вращающимися цилиндрами, использующими для работы эффект Магнуса, который характеризуется появлением подъемной силы (силы Магнуса) при вращении цилиндра в поперечном потоке. Эта сила используется для вращения ветроколеса, аналогично подъемной силе лопасти, но имеет гораздо большую величину.
Известна установка - ветроколесо с горизонтальной осью вращения, содержащее радиальные вращающиеся цилиндры с надстройками в виде интерцепторов, установленных вдоль одной из боковых сторон цилиндров /1/.
Основным недостатком этой установки являются увеличенные затраты мощности на вращение цилиндров, что связано с большим индуктивным сопротивлением, которое возникает из-за схода закрученного потока с концов цилиндров. Затраты мощности на преодоление этого сопротивления возрастают с увеличением скорости вращения цилиндров, особенно при малом их числе и малом удлинении (отношении длины к диаметру).
За прототип выбрана ветроустановка, содержащая ветроколесо с горизонтальной осью вращения и радиально установленными цилиндрами увеличенного удлинения, которые выполнены составными из вращающейся концевой и невращающейся корневой частей, что позволяет увеличить суммарную длину цилиндров и соответственно диаметр ветроколеса и его мощность /2/.
Недостатком прототипа является увеличенная скорость вращения концевых частей цилиндров, что необходимо для компенсации потерь движущей силы из-за наличия невращающихся корневых частей, но при этом одновременно ограничиваются возможности снижения индуктивного сопротивления.
Задачей изобретения является снижение индуктивного сопротивления до уровня, который позволяет заметно уменьшить скорость вращения цилиндров и затраты мощности на их вращение, чтобы обеспечить более высокую эффективность по отношению к традиционным лопастным ветроустановкам.
Поставленная задача реализуется на ветроустановке, которая содержит ветроколесо с горизонтальной осью вращения и радиально установленными роторами Магнуса в виде цилиндров, каждый из которых выполнен с невращающейся корневой и вращающейся концевой частями и с шайбой на конце, а также привод цилиндров и электрогенератор. Вращающаяся часть роторов выполнена из цилиндрической части с усеченным конусом на конце, основание которого обращено к цилиндру и имеет диаметр больше диаметра цилиндра, при этом цилиндрические и конические поверхности имеют спиральные ребра-шнеки, с навивкой в направлении вращения цилиндров, начиная от корневого их сечения до шайбы, обеспечивающие движение воздуха от концов цилиндров к оси ветроколеса.
Данное конструктивное решение обеспечивает снижение индуктивного сопротивления цилиндров и улучшение их обтекания, приближая его к безотрывному, что позволяет уменьшить скорость вращения цилиндров и снизить соответствующие затраты мощности при сохранении числа оборотов и мощности ветроколеса.
Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.
На фиг.1 представлен общий вид ветроустановки, на фиг.2 - цилиндр с конической концевой частью и спиральными ребрами, на фиг.3 - пример экспериментальных данных для модели предлагаемого устройства.
Ветроустановка (фиг.1) содержит ветроколесо с горизонтальной осью вращения, которое может поворачиваться на неподвижной опоре в направлении ветра. Ветроколесо состоит из корпуса 1 с обтекателями (передним и задним), невращающихся корневых частей 2 и вращающихся концевых частей 3 цилиндров с конусами 4 и шайбами 5. Поверхности вращающейся части цилиндра и конуса выполнены со спиральными ребрами-шнеками 6 (фиг.2) с навивкой в направлении вращения цилиндров, начиная от корневого их сечения до шайбы.
0
ц
к
o
ш
Цилиндры представляют собой тонкостенные оболочки, которые посажены на консольный вал с подшипниками и вращаются от встроенного привода (не показан). Обозначено: D - диаметр ветроколеса, R - расстояние до вращающейся части цилиндров, d - диаметр цилиндрической части цилиндров, d и d - максимальный и минимальный диаметры конуса, α - угол конусности, d - диаметр концевой шайбы, h - высота ребра, S - шаг винтовой линии ребер.
Наличие конической концевой части 4 и спиральных ребер-шнеков 6 позволяет уменьшить индуктивное и профильное сопротивление цилиндров и тем самым снизить затраты мощности на вращение цилиндров.
Снижение индуктивного сопротивления достигается, в основном, путем использования разности центробежных сил на противоположных концах конуса, под влиянием чего формируется течение, направленное к центру ветроколеса. Этот эффект усиливается при наличии спиральных ребер-шнеков на конусе и на вращающейся цилиндрической части, что при вращении цилиндра способствует дополнительному движению воздуха в направлении к центру ветроколеса. Кроме того, наличие ребер-шнеков приближает обтекание цилиндра к безотрывному из-за появления возвратного течения за ребрами и соответствующего уменьшения профильного сопротивления.
В результате изменения структуры обтекания цилиндров максимальные значения скорости вращения ветроколеса и его мощности достигаются при более низкой частоте вращения цилиндров с соответствующим снижением затрат мощности на их вращение. Для получения количественных результатов были проведены испытания в аэродинамической трубе на модели ветроустановки предлагаемой конструкции и проведено сравнение с данными для прототипа (цилиндры без конусов и спиралей).
o
ш
ц
к
ц
o
ц
ц
ц
ц
Результаты испытаний ветроколеса с цилиндрами при наличии конусов с ребрами на них (сплошные линии) показаны на графике (фиг.3). Здесь же для сравнения приведены данные для цилиндров без конусов и спиралей (штриховые линии). Параметры исследованного ветроколеса: число цилиндров i=3, их удлинение λ=11,5, R=0,3R, d=2d, α=8°, d=1,3d, d=0,7d, S=1,5d, h=0,04d, d=0,06 м, D=2 м.
Результаты испытаний показали, что наличие конуса на конце вращающейся части цилиндра со спиральными ребрами на них приводит к существенному уменьшению частоты вращения цилиндров, необходимой для обеспечения заданной скорости вращения ветроколеса, и его мощности, начиная со скорости потока V≈2 м/с, что позволяет снизить затраты мощности на вращение цилиндров.
Источники информации
1. А.с. №1663225, F03D 1/00, 1991.
2. Патент RU №2118699, 1996 г. - прототип.