ВЕТРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
WIND TURBINE PLANT

Изобретение относится к энергетике, а именно к ветряным двигателям, и может быть использовано в качестве автономного источника энергии.
Известна ветротурбинная установка, содержащая ротор, размещенный вертикально с возможностью вращения внутри корпуса и снабженный лопатками [патент DE №3636248, МКИ F03D 9/00, 1988 г.]. В известной установке ветротурбина установлена в трубе и работает в восходящем потоке воздуха, используя эффект самотяги.
В качестве прототипа выбрана ветротурбинная установка [патент RU №2286477, F03D 1/02 27.10.2006]. Установка содержит ротор, размещенный внутри неподвижного корпуса (статора) с возможностью вращения в нем. Ротор состоит из вала, на котором установлены вертикально по окружности на заданном расстоянии от центра турбинные лопатки радиального типа, которые соединяются с валом ротора посредством кронштейнов (крестовин). Статор выполнен в виде направляющего аппарата, состоящего из вертикально расположенных направляющих лопастей, которые установлены под острым углом внешней кромке турбинных лопаток радиального типа, которые образуют внешние ветровые проточные каналы, расположенные по касательной к внутренней окружности установки. Нижняя часть ротора выполнена в виде осевой турбины. На валу установлены рабочие лопатки осевого типа, которые предназначены для работы в потоке воздуха, выходящем из направляющих лопаток. Дополнительные направляющие лопатки установлены в нижней части корпуса и расположены радиально внутри обечайки. Нижний конец ротора оперт на обтекатель, который жестко скреплен с концами лопаток направляющего аппарата. Верхняя часть обечайки скреплена с корпусом, а нижняя - оперта на верхней части полого корпуса (трубе самотяги), на котором установлен конфузор. В нижней части полого корпуса выполнены воздухоподводящие окна.
Устройство-прототип при работе использует энергию горизонтальных потоков ветра, а также энергию восходящих потоков, возникающих в полом корпусе с конфузором. Однако в конструкции восходящие потоки не подхватываются горизонтальными, а частично перекрывают их и тормозят. Хаотичное неуправляемое смешивание двух практически перпендикулярных потоков приводит к образованию значительной неуправляемой турбулентности в верхней зоне, а, следовательно, к снижению эффективности установки. Это «противодействие» тем больше, чем больше напор ветровых горизонтальных потоков.
Задача, решаемая изобретением - повышение эффективности ветротурбинной установки.
Достигаемый технический результат - организация внутри ротора восходящего вихревого потока, обладающего эжектирующим эффектом при одновременном перенаправлении внутри установки горизонтальных ветровых потоков в вертикальный поток с эффектом закручивания, то есть организация дополнительной эжекции.
Поставленная задача решается тем, что в ветротурбинной установке, имеющей в своем составе статор с верхним и нижним основаниями, соединенными между собой вертикальными направляющими лопастями, ориентированными внутрь, имеющей также размещенный в статоре ротор, снабженный продольно ориентированными лопатками, новым, согласно изобретению, является то, что ротор выполнен в виде полого сужающегося вверх конуса, лопатки ротора установлены на его наружной поверхности и ориентированы под углом к оси симметрии ротора. Во внутренней полости ротора установлены пластинчатые крестовины, соединяющие ротор с верхней и нижней полуосями вращения, нижнее основание статора выполнено с обеспечением возможности поступления воздуха внутрь ротора, верхнее основание статора имеет коническую часть, направленную и сужающуюся в сторону нижнего основания, и имеет осевое отверстие, диаметр которого больше, чем верхний диаметр конуса ротора, с образованием кольцевого зазора между ними. На верхней полуоси ротора, выходящей внутрь конической части верхнего основания статора, установлена дополнительная крыльчатка, при этом нижняя полуось ротора, установлена на нижнем основании статора, а верхняя полуось соединена с верхним основанием при помощи радиальных ребер, установленных внутри конической части верхнего основания.
Предпочтительным является вариант реализации, когда нижнее основание статора выполнено в форме диска с приосевым куполообразным выступом, частично заглубленным в полость ротора с образованием нижнего конфузора, на куполообразном выступе закреплены лопатки нижнего конфузора.
Предпочтительно выполнение пластин крестовин в форме лопастей.
Каждая лопатка ротора в верхней части может иметь консольную часть, которая огибает наружную поверхность конической части верхнего основания статора. Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации.
Пример реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено:
Фиг.1 - ветротурбинная установка - изометрия, Фиг.2 - вид сверху, Фиг.3 - продольное осевое сечение, Фиг.4 - фронтальный вид, Фиг.5 - поперечное сечение (А-А на Фиг.4).
Ветротурбинная установка имеет неподвижный корпус - статор 1 с верхним основанием 2 и нижним основанием 3. Основания 2, 3 соединены между собой вертикальными направляющими лопастями 4, ориентированными внутрь, а точнее по касательной к ротору 5, размещенному внутри статора 1 и имеющему общую с ним ось симметрии. Ротор 5 выполнен в виде полого сужающегося вверх конуса. На наружной поверхности ротора 5 установлены продольные лопатки 6 (в контексте данной заявки термин «продольные» означает, что каждая лопатка 6 идет, как минимум, по всей длине конуса ротора). Лопатки 6 ориентированы под углом к оси симметрии ротора. Во внутренней полости ротора установлены пластинчатые крестовины 7 и 8, соединяющие ротор 5 с верхней и нижней полуосями вращения, соответственно 9 и 10. Пластины крестовин имеют криволинейную форму - форму лопастей.
Нижнее основание 3 статора выполнено с обеспечением возможности поступления воздуха снизу внутрь ротора 5. Для этого в нижнем основании 3 может быть выполнено осевое отверстие, или основание 3 может быть выполнено в виде диска, но при этом ротор установлен над ним с зазором (на фигурах не показано). Предпочтительным вариантом является, когда нижнее основание статора выполнено в форме диска с приосевым куполообразным выступом 11, частично заглубленным в полость ротора с образованием нижнего конфузора 12 - сужающегося щелевого кольцевого зазора. На куполообразном выступе 11 закреплены лопатки 13 нижнего конфузора. В этом варианте исполнения нижняя полуось 10 ротора установлена на вершине куполообразного выступа 11.
Верхнее основание 2 статора выполнено в форме диффузора и имеет коническую часть 14, направленную и сужающуюся в сторону нижнего основания 3, и имеет осевое отверстие, диаметр которого больше, чем верхний диаметр конуса ротора, с образованием кольцевого зазора между ними. На верхней полуоси 9 ротора 5, входящей внутрь конической части 14 верхнего основания статора, установлена дополнительная крыльчатка 15, а верхняя полуось 9 соединена с конической частью (с верхним основанием) при помощи радиальных ребер 16, которые также имеют криволинейную форму, такую, чтобы минимизировать аэродинамическое сопротивление восходящему потоку воздуха.
Лопатки 6 ротора могут выступать по высоте за пределы ротора, то есть иметь консольную (не закрепленную на роторе) часть 17, которая располагается снаружи от конической части 14 и огибает наружную поверхность конической части верхнего основания статора.
Генератор (на фигуре не показан) закреплен на нижней полуоси 10 ротора внутри купола, его легко монтировать и обслуживать.
Ветротурбинная установка работает следующим образом.
Направляющие лопасти 4 статора направляют набегающий ветровой поток на лопатки 6 ротора, ориентированные под углом к конусу ротора, то есть «перенаправляют» лобовой воздушный поток к активным лопаткам ротора, при этом лопасти статора экранируют лопатки, встречные потоку, уменьшая возможное противодействие. Это приводит ротор во вращение.
При этом часть воздушного потока через нижний конфузор 12, закручиваясь с помощью лопаток 13, попадает во внутреннюю коническую полость ротора и далее через кольцевой зазор попадает в коническую часть 14 статора, и отдает энергию восходящего вихревого потока верхней крыльчатке 15. Создаваемый дополнительный перепад давления (дополнительный подсос) увеличивает вращательный момент. Крестовины 7 и 8, имеющие форму лопастей, еще больше увеличивают эффект.
Таким образом, в конструкции реализуются два вихревых восходящих потока один - на поверхности ротора, другой - внутри него. Один вихрь подхватывает и дополнительно подкручивает второй. Это приводит к увеличению крутящего момента ветроустановки в целом. В создании и поэтапном усилении вихревых потоков участвует ряд последовательно установленных лопастей, что позволяет постепенно наращивать эффект. Верхняя крыльчатка воспринимает нагрузку обоих вихревых потоков.
Снабжение лопаток 6 ротора консольной частью 17 позволяет увеличить ее активную поверхность.