РОТОРНЫЙ ВЕТРОАГРЕГАТ

Полезная модель относится к ветроэлектроэнергетике, в частности к конструкциям ветроэлектрических установок с неподвижными ветронаправляющими средствами, оси вращения роторов которых вертикальны, и может быть использована для привода генераторов электростанций.
Известен ветродвигатель, содержащий ротор с криволинейными лопастями, установленный с возможностью поворота относительно вертикальной оси направляющий аппарат и закрепленный на нем флюгер. (Авторский свидетельство СССР №985402, кл. F03D 3/00, 30.12.1982 (аналог)).
Известна ветроэнергетическая установка, содержащая по меньшей мере один роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения, при этом верхний роторный ветрогенератор снабжен установленным сверху обтекателем. (Патент РФ №2390654, кл. F03D 3/04, 2010 (аналог)).
Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является роторная ветроэлектростанция, содержащая по крайней мере один модуль, состоящий из статора с изогнутыми направляющими лопатками и установленного внутри статора ротора с изогнутыми лопастями, вал которого механически связан с валом электрогенератора, при этом на верхнем конце вала ротора установлен тахогенератор. (Патент РФ №2215898, МПК 7 F03D 3/04, 2003 (прототип)).
Недостатком известного решения является недостаточная степень эффективности работы установки в виду того, что в условиях повышенной неравномерности ветра попавшая вовнутрь роторного ветроагрегата избыточная часть воздушного потока тормозит вращение ротора.
При создании полезной модели решалась задача повысить эффективность работы роторного ветроагрегата.
Технический результат - повышение эффективности работы роторного ветроагрегата в условиях повышенной неравномерности ветра путем снижения сопротивления элементов роторного ветроагрегата воздушным потокам, проходящим через него.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в роторном ветроагрегате, содержащем по крайней мере одну ветротурбину, состоящую из статора с изогнутыми направляющими лопатками и установленного внутри статора ротора с изогнутыми лопастями, вал которого механически связан с валом электрогенератора, согласно полезной модели, ветротурбина дополнительно снабжена установленным над ее статором и жестко прикрепленным к нему воздуховодом, имеющим кольцеобразное поперечное сечение, уменьшающееся от статора кверху и заканчивающееся трубой на его узком конце.
При этом согласно полезной модели воздуховод выполнен в виде перевернутой воронки.
При этом согласно полезной модели воздуховод имеет кольцеобразный навес в виде усеченного конуса, жестко прикрепленный к нему со стороны статора.
При этом согласно полезной модели статор выполнен в виде жестко закрепленной на опорных стойках пространственной конструкции, состоящей из расположенных друг над другом крышки и днища с центральным отверстием для прохода ротора с изогнутыми лопастями ветровой турбины, при этом крышка и днище статора соединены друг с другом рядом равномерно расположенных по наружному периметру ребер, каждое из которых жестко прикреплено к крышке и к днищу и выступают за пределы крышки и днища, причем по внутреннему периметру крышки и днища равномерно размещены изогнутые направляющие лопатки, жестко прикрепленные к соответствующим внутренним поверхностям крышки и днища.
При этом согласно полезной модели воздуховод закреплен над статором посредством кронштейнов, жестко закрепленных на выступающих за пределы крышки ребрах статора.
При этом согласно полезной модели ротор выполнен в виде пространственной конструкции, состоящей из жестко закрепленных на валу, установленном с возможностью вращения, верхнего и нижнего дисков с размещенными между ними и жестко прикрепленными к ним изогнутыми лопастями, прилегающими к наружному периметру дисков и равномерно расположенными вдоль него.
При этом согласно полезной модели изогнутые направляющие лопатки статора и изогнутые лопасти ротора выполнены радиально изогнутыми в противоположных относительно друг друга направлениях.
При этом согласно полезной модели вал ротора выполнен полым.
Отличительной особенностью заявленного роторного ветроагрегата является то, что ветротурбина дополнительно снабжена воздуховодом, установленным над ее статором и жестко прикрепленным к нему, при этом воздуховод имеет кольцеобразное поперечное сечение, уменьшающееся от статора кверху и заканчивающееся трубой на его узком конце, т.е. воздуховод выполнен в виде перевернутой воронки и имеет кольцеобразный навес в виде усеченного конуса, жестко прикрепленный к торцу воронки со стороны верхнего торца статора, что и обеспечивает повышение эффективности работы роторного ветроагрегата в условиях повышенной неравномерности ветра путем снижения сопротивления элементов роторного ветроагрегата воздушным потокам, проходящим через него за счет, с одной стороны, создания некоторого разряжения над узким концом воздуховода и подхватывания внешнего воздушного потока через зазор между верхним торцом статора и кольцевым навесом воздуховода, с другой стороны.
Полезная модель поясняется описанием конкретного примера ее выполнения и прилагаемыми чертежами, где на:
фиг.1 изображен общий вид роторного ветроагрегата;
фиг.2 - сечение А-А фиг.1 (взаимное расположение элементов статора и ротора);
фиг.3 - разрез Б-Б (сварная рама для установки верхнего подшипникового узла);
фиг.4 - сечение В-В фиг.1 (взаимное расположение воздуховода и ветровой турбины);
фиг.5 - узел Г фиг.1 (крепление статора к площадке основания);
Роторный ветроагрегат содержит, как это показано в нашем примере, по крайней мере одну ветротурбину 1, состоящую из статора 2 с изогнутыми направляющими лопатками 3 и установленного внутри статора 2 ротора 4 с изогнутыми лопастями 5, вал 6 которого механически, например, посредством муфты стандартной конструкции, связан с валом электрогенератора (на чертеже не показан).
Статор 2 может быть выполнен в виде жестко закрепленной, например, на основании 7 пространственной конструкции, состоящей из расположенных друг над другом крышки 8 и днища 9 с центральным отверстием 10 для прохода ротора 4 с изогнутыми лопастями 5 ветровой турбины 1 (фиг.1).
Крышка 8 и днище 9 статора 2 могут быть изготовлены, например, из листового металла в виде плоских колец 11 (фиг.2).
Крышка 8 и днище 9 статора 2 могут быть соединены друг с другом рядом равномерно расположенных по наружному периметру 12 ребер 13, например, как это показано в нашем примере, крышка 8 и днище 9 для получения жесткой конструкции использовано восемь ребер 13, каждое из которых жестко прикреплено, например, сваркой, к крышке 8 и к днищу 9. Ребра 13 выступают как за пределы крышки 8, играя роль опоры либо для следующей ветротурбины, либо для воздуховода 14, так и за пределы днища 9, играя роль традиционных опор с присоединительными фланцами с отверстиями под резьбовые элементы крепления, например, болт-гайка, для установки либо на площадку 15 основания 7, либо при установке ветротурбин друг на друга, создавая при этом воздушные каналы для забора воздуха.
Ребра 13 могут быть изготовлены в виде отрезков требуемого металлического проката, например, труб квадратного поперечного сечения.
По внутреннему периметру 16 крышки 8 и днища 9 равномерно размещены изогнутые направляющие лопатки 3, жестко прикрепленные к соответствующим внутренним поверхностям крышки 8 и днища 9 (фиг.2).
Направляющие лопатки 3 статора 2 могут быть выполнены из металлического листа толщиной, например, 2 мм (толщина зависит от размеров ветротурбины).
Поперечное сечение направляющих лопаток 3 статора 2 может иметь дугообразный профиль, что дает возможность сказать, что направляющие лопатки 3 выполнены радиально изогнутыми.
Направляющие лопатки 3 изогнуты таким образом, что промежуток между двумя соседними лопатками 3 образует плавно сужающийся аэродинамический канал (конфузор). Этим достигается увеличение динамического давления и скорости потока воздуха, что в свою очередь позволяет увеличить общий КПД ветротурбины. В то же время изогнутая направляющая лопатка 3 имеет большую жесткость, нежели прямая, что позволяет уменьшить толщину металла, из которого она изготовлена, и в целом снизить общую массу установки. Для придания дополнительной жесткости лопаткам 3, не примыкающим непосредственно к ребрам 13, на кромке может быть выполнен отгиб.
На внешней поверхности крышки 8 статора 2 имеется площадка 17 в виде сварной рамы традиционной конструкции из металлического проката для крепления верхнего подшипникового узла 18. (фиг.3 и фиг.4).
Снизу днища 9 статора 2 имеются места резьбового крепления съемной сварной рамы аналогичной конструкции и нижнего подшипникового узла 19 (фиг.4).
Сверху и снизу статор 2 оканчивается одинаковыми присоединительными фланцами 20 с выполненными в них сквозными отверстиями под резьбовые элементы крепления, например, под болт, что позволяет соединять отдельные модули между собой или крепить на площадке 15 основания 7, как это показано в нашем примере (фиг.5).
Ротор 4 выполнен в виде пространственной конструкции, состоящей из жестко закрепленных на валу 6, установленном с возможностью вращения, верхнего 21 и нижнего 22 дисков с размещенными между ними и жестко прикрепленными, например, сваркой, к ним изогнутыми лопастями 5, прилегающими к наружному периметру 23 дисков и равномерно расположенными вдоль наружного периметра 23.
Верхний 21 и нижний 22 диски и изогнутые лопасти 5 ротора 4 могут быть выполнены из листового металла толщиной 1…2 мм.
Поперечное сечение изогнутых лопастей 5 ротора 4 может иметь дугообразный профиль, что дает возможность сказать, что изогнутые лопасти 5 выполнены радиально изогнутыми.
От линии наружного периметра 23 верхнего 21 и нижнего 22 дисков к центру прорезаны пазы 24, равномерно расположенные по окружности вдоль наружного периметра 23, каждый из которых формой и размерами повторяет профиль изогнутой лопасти 5 (фиг.2). В результате чего при сборке ротора 2 каждая из изогнутых лопастей 5 размещена в соответствующих пазах 24 верхнего 21 и нижнего 22 дисков, чем и достигается точность расположения изогнутых лопастей 5 ротора 4 по окружности и повышается общая жесткость ротора.
Следует отметить, что выполненные радиально изогнутыми изогнутые направляющие лопатки 3 статора 2 и изогнутые лопасти 5 ротора 4, они выполнены радиально изогнутыми в противоположных относительно друг друга направлениях, т.е. как это показано в нашем примере, если изогнутые лопасти 5 ротора 4 выпуклой стороной обращены вправо, то изогнутые направляющие лопатки 3 статора 2 выпуклой стороной обращены влево (фиг.2)
В верхнем 21 и нижнем 22 дисках ротора 4 могут быть выполнены отверстия для снижения массы и уменьшения тепловых деформаций после сварки.
Вал 6 ротора 4 может быть выполнен полым, что обеспечивает снижение общей массы ротора 4, а так же позволяет проводить сквозь вал 4 провода от генератора (на чертеже не показано) в случае размещения последнего между двумя ветротурбинами.
Ветротурбина 1 дополнительно снабжена установленным над статором 2 и жестко прикрепленным к нему воздуховодом 14, имеющим кольцеобразное поперечное сечение, уменьшающееся от статора 2 кверху и заканчивающееся трубой 28 на его узком конце (фиг.1).
Как это показано в нашем примере, воздуховод 14 выполнен в виде перевернутой воронки, т.е. торец 29 большого диаметра размещен непосредственно над статором 2 ветротурбины 1, и может быть изготовлен, например, штамповкой, например, металлическим из листового проката.
К торцу 29 большого диаметра воздуховода 14, т.е. со стороны статора 2, жестко прикреплен, например, сваркой, кольцеобразный навес 30 в виде усеченного конуса, который также может быть изготовлен из металлического листового проката.
Для обеспечения жесткости конструкции воздуховода 14 с внутренней стороны воздуховода 14 вдоль торца 29 жестко закреплен, например, сваркой, обод 31, являющийся несущим элементом воздуховода 14.
Обод 31 может быть изготовлен, например, в виде кольца из стального уголка направленного вершиной к оси вращения.
К ободу 31 могут быть приварены кронштейны 32, выполненные в виде косых стоек из того же материала, что и обод, для обеспечения возможности установки воздуховода 14 над статором 2 ветротурбины 1.
Воздуховод 14 может быть закреплен над статором 2 посредством кронштейнов 32, например, посредством резьбовых элементов крепления, например, болт-гайка, на выступающих за пределы крышки 8 ребрах 13 статора 2.
Основание 7 может быть выполнено в виде площадки 15, изготовленной в виде сварной рамной конструкции, например, из швеллеров, жестко закрепленной, например, на шести стойках 33, каждая из которых изготовлена в виде отрезка, например, стальной трубы. К стойкам 33 могут быть жестко прикреплены, например, сваркой, опорные пластины 34, которые могут быть закреплены на заранее изготовленном бетонном основании.
Устройство работают следующим образом.
Роторный ветроагрегат монтируют на месте его использования.
Роторный ветроагрегат вступает в работу с первыми порывами ветра.
Воздушный поток, захватывается изогнутыми направляющими лопатками 3 статора 2, которые направляют его на изогнутые лопасти 5 ротора 4, создавая усилие для раскручивания ротора 4. Часть воздушного потока проникает во внутреннюю часть установки (за лопасти ротора) и за счет разности давлений, возникающих в воздуховоде 14 и на выходе из трубы 28 воздуховода 14, воздушный поток перенаправляется в атмосферу, при этом кольцеобразный навес 30 в виде усеченного конуса задает дополнительный подсос воздуха в воздуховод 14, увеличивая скорость вытяжки воздушного потока, тем самым увеличивая воздухообмен внутри ветротурбины 1, что увеличивает коэффициент полезного действия самого роторного ветроагрегата, снижая избыточное давление внутри ветротурбины, т.е. повышая эффективность работы роторного ветроагрегата в условиях повышенной неравномерности ветра путем снижения сопротивления элементов роторного ветроагрегата воздушным потокам, проходящим через него.