ВЕТРОЭНЕРГОГЕНЕРАТОР
WIND-DRIVEN POWER GENERATOR

Изобретение относится к области ветроэнергетики и может использоваться в работающих от энергии ветра установках для выработки энергии, преимущественно электроэнергии.
Известны ветроэнергогенераторы, содержащие ротор ветротурбины с преимущественно криволинейными лопастями и обойму выполненных преимущественно изогнутыми ветронаправляющих пластин, полностью или частично охватывающих ротор, при этом обеспечивается плавное натекание ветрового потока на криволинейные лопасти ротора ветротурбины (например, SU 1721285 А1, 1992; RU 2215898 C1, 2003; RU 2249722 C1, 2005; US 6309172 B1, 2001; DE 19739921, 1999; GB 2049066 A, 1980; FR 2811720 А1, 2002; EP 1096144 A2, 2001; WO 91/19093, 1991).
Однако все они недостаточно эффективны, не позволяя достичь наибольшего коэффициента полезного действия и не обеспечивая необходимую работу при небольшой скорости ветра.
Известны также технические решения, заключающиеся в выполнении на пластинах ротора вспомогательных элементов - утолщений крыльевого и сегментного профилей, интерцепторов или углублений (RU 2182258 С2, 1996; RU 2073113 C1, 1997; RU 2120564 C1, 1998 соответственно), при этом декларируется повышение эффективности использования энергии ветра. Однако достигаемое с их помощью повышение коэффициента полезного действия практически крайне незначительно, кроме этого ухудшаются другие показатели ветроэнергетических устройств. Например, выполнение углублений на фронтальной стороне лопастей ротора не позволяет сколь-либо существенно повысить коэффициент использования энергии ветра, поскольку конструктивно такие углубления не могут иметь необходимые для этого размеры, а их увеличение приводит к потере прочности и ухудшению весовых характеристик ротора.
Из известных устройств наиболее близким к заявленному является ветроэнергогенератор, содержащий размещенный внутри неподвижной обоймы ветронаправляющих пластин ротор с вертикальной осью вращения, образованный прикрепленными к несущему цилиндру лопастями с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора, каждая из которых снабжена на фронтальной стороне своей плоскости выполненными продольными по длине лопастей основными завихрителями (RU 86672 U1, 2009). В этом ветроэнергогенераторе лопасти выполнены плоскими, а завихрители выполнены в форме изогнутых, преимущественно цилиндрических, полосок. Завихрители обеспечивают дополнительный отбор энергии механического движения потока воздуха, в том числе в той его части, которая соскальзывает с лопастей после их поворота на некоторый угол. При этом на завихрителях в форме изогнутых полосок на плоских лопастях ротора происходит закручивание набегающего на них потока воздуха, что приводит к торможению воздушного потока и, как следствие, к отбору от него дополнительной энергии и передаче ее ротору. Это несколько повышает коэффициент полезного действия ветроэнергогенератора.
Однако в нем все же не обеспечивается достижение высокого коэффициента полезного действия, что связано с недостаточно оптимальной геометрией лопастей ротора, не позволяющей в наибольшей степени использовать энергию ветрового потока.
Задача, решаемая изобретением, состоит в создании ветроэнергогенератора, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергогенератора.
Это достигается тем, что в ветроэнергогенераторе, содержащем размещенный внутри неподвижной обоймы ветронаправляющих пластин ротор с вертикальной осью вращения, образованный прикрепленными к несущему цилиндру лопастями с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора, каждая из которых снабжена на фронтальной стороне своей плоскости выполненными продольными по длине лопастей основными завихрителями, основные завихрители выполнены в виде выступов, перпендикулярных плоскости лопастей, а на тыльной стороне плоскости каждой из лопастей на ее вертикальной кромке, ближней к несущему цилиндру, выполнен дополнительный завихритель в виде продольного утолщения, имеющего в своем поперечном сечении Δ-образную форму, при этом боковая грань продольного утолщения, обращенная к несущему цилиндру, выполнена выпуклой. Выступы в своем поперечном сечении могут быть выполнены Δ-образной формы. В таких выступах боковые грани могут быть выполнены прямыми или вогнутыми. Выступы в своем поперечном сечении могут быть выполнены I-образной формы. Вертикальный край каждой из лопастей, дальний по отношению к несущему цилиндру, может быть выполнен плавно загнутым в сторону размещения выступов. Лопасти могут быть выполнены сплошными или полыми. Внутренний объем полых лопастей может быть заполнен полимерным вспенивающимся наполнителем.
Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 показана структурная схема ветроэнергогенератора. На фиг.2 показан вариант конструкции ветроэнергогенератора в поперечном разрезе. Фиг.3 иллюстрирует выполнение на пластине ротора основных и дополнительного завихрителей. Фиг.4 иллюстрирует распределение воздушного потока при наличии основных завихрителей в виде выступов Δ-образной формы. Фиг.5 иллюстрирует распределение воздушного потока при наличии основных завихрителей в виде выступов I-образной формы. Фиг.6 иллюстрирует распределение воздушного потока при наличии дополнительных завихрителей в виде продольных утолщений Δ-образной формы. Изображения на фиг.3-6 соответствуют области А, выделенной на фиг.2 окружностью. Стрелками на чертежах показаны направления воздушных потоков. Изображения элементов и распределения воздушных потоков на чертежах соответствуют условию вращения ротора против часовой стрелки.
Ветроэнергогенератор (турбинного типа) содержит размещенный внутри неподвижной обоймы ветронаправляющих пластин 1 ротор с вертикальной осью вращения. Ротор может иметь диаметр, например, 70 см, а обойма - 1,2 м, их высота (длина) может составлять, например, 2,2 м. Ветронаправляющие пластины 1 могут быть выполнены, например, изогнутыми радиально и размещены, например, между неподвижными тороидальными кольцами 2. Ротор образован прикрепленными к несущему цилиндру 3 лопастями 4 с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром 3 щелевого диффузора 5. Несущий цилиндр 3 установлен, например, в подшипниках 6 и механически связан с исполнительным узлом, например с магнитоэлектрическим генератором (на чертежах не показан). Диаметр несущего цилиндра 3 может быть, например, 14 см. Каждая из лопастей 4 снабжена на фронтальной стороне своей плоскости выполненными продольными по длине лопастей 4 основными завихрителями в виде выступов 7. В своем поперечном сечении выступы 7 могут быть выполнены Δ-образной формы с прямыми боковыми гранями, т.е. в форме равностороннего треугольника с высотой, перпендикулярной плоскости лопастей 4, или с вогнутыми боковыми гранями, т.е. в форме, близкой к треугольной (фиг.3-4). Выступы 7 в своем поперечном сечении могут быть выполнены I-образными, т.е. в форме прямоугольной полосы (фиг.5). Количество выступов 7 на каждой из лопастей 4 может составлять, например, от одного до пяти. При этом они могут быть выполнены, например, как за одно целое с лопастями 4, так и конструктивно представлять собой самостоятельные элементы, жестко соединенные с лопастями 4. Высота каждого из выступов 7 составляет преимущественно от 1:5 до 1:10 по отношению к ширине лопасти 4. На тыльной стороне каждой из лопастей 4 на ее вертикальной кромке, ближней к несущему цилиндру 3, выполнен дополнительный завихритель в виде продольного утолщения 8, имеющий в своем поперечном сечении Δ-образную форму, при этом боковая грань продольного утолщения 8, обращенная к несущему цилиндру 3, выполнена выпуклой (т.е. форма продольного утолщения 8 близка к треугольной). Другая боковая грань продольного утолщения 8 может быть выполнена также выпуклой или прямой. Эта боковая грань может быть выполнена перпендикулярной плоскости лопасти 4 (фиг.3, фиг.6). Ширина (основание) каждого из Δ-образных выступов 7 и продольных утолщений 8 по отношению к их высоте составляет преимущественно от 1:1 до 1:2, а I-образных выступов 7 - от 1:6 до 1:12. Вертикальный край 9 каждой из лопастей 4, дальний по отношению к несущему цилиндру 3, преимущественно может быть выполнен плавно загнутым в сторону размещения выступов 7 (фиг.3-5). Лопасти 4 могут быть выполнены как сплошными (цельнометаллическими), так и полыми. Они могут изготавливаться, например, в виде объемно-полых конструкций из тонкого металла методом прессования. Внутренний объем полых лопастей 4 может быть заполнен полимерным вспенивающимся наполнителем типа твердого пенополистирола.
Ветроэнергогенератор работает следующим образом. Ветровой поток поступает на ветронаправляющие пластины 1, ускоряется на них и перетекает на лопасти 4 ротора, в результате чего устройство совершает полезную работу за счет вращения ротора. При этом поток воздуха оказывает прямое давление на лопасти 4, между которыми создается зона повышенного давления. Наличие щелевого диффузора 5 позволяет устранить возможный «срыв» воздушного потока на этой зоне (что уменьшило бы эффективную рабочую площадь лопастей 4) за счет удаления уплотнения воздуха из области межлопастного пространства. Через щелевой диффузор 5 избыток давления передается в залопастное пространство в область пониженного давления с образованием вихревой области. Для дополнительного отбора энергии механического движения потока воздуха, в том числе той его части, которая соскальзывает с лопастей 4 после их поворота на некоторый угол, служат основные завихрители на фронтальной стороне лопастей 4. На основных завихрителях, выполненных в виде выступов 7, происходит закручивание набегающего на них потока воздуха, что приводит к его торможению и, как следствие, к отбору дополнительной энергии от воздушного потока и передаче его ротору. При этом на вихреобразование (турбулизацию) существенное влияние оказывает форма выполнения выступов 7. Выступы 7 Δ-образной формы более способствуют вихреобразованию на фронтальной стороне лопастей 4 при различных векторах набегающего потока воздуха (фиг.4), чем, например, завихрители в виде изогнутых полосок, что повышает коэффициент полезного действия ротора. То же относится и к выступам 7 I-образной формы. В этом случае в области прямых углов, образованных собственно телом завихрителя и плоскостью лопасти 4, возникает зона с постоянным вихрем в ней, вызванным набегающим потоком воздуха (фиг.5). Эти постоянные вихри делают обтекание такого выступа 7 похожим на обтекание выступа 7 Δ-образной формы. Высота выступов 7 определяется для конкретной конструкции ветроэнергогенератора, например, экспериментально по эффективности увеличения коэффициента полезного действия. Выбор их количества зависит от мощности, на которую рассчитан ротор ветроэнергогенератора. Наличие дополнительных завихрителей в виде продольных утолщений 8 Δ-образной формы обеспечивает изменение направления воздушных струй, прошедших щелевой диффузор 5. Они двигаются по траектории 10 вместо траектории 11, по которой они двигались без этого утолщения, обтекая теневую зону 12 (фиг.6). За счет увеличения пути потока воздуха его скорость возрастает в теневой зоне 12, что увеличивает разрежение, которое создают вихри воздуха в этой зоне за плоскостью лопасти 4. Это приводит к возникновению дополнительного вектора силы в направлении вращения ротора, что повышает отбор энергии у потока воздуха, набегающего на лопасти 4 ротора, т.е. повышает коэффициент полезного действия ветропреобразования в целом. Выполнение боковой грани продольного утолщения 8, обращенной к несущему цилиндру 3, выпуклой создает наилучшие условия обтекания потоками воздуха этих утолщений при создании зоны 12 теневого завихрения. Выполнение вертикального края лопастей 4, дальнего по отношению к несущему цилиндру 3, плавно загнутым способствует повышению эффективности отбора энергии у потока воздуха на фронтальной стороне лопастей 4.
Таким образом, технический результат изобретения, заключающийся в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергогенератора, обеспечивается за счет улучшения условий образования вихрей на фронтальной стороне лопастей 4 и увеличения объема вихревой области за тыльной стороной лопастей 4 и ускорения обтекания их потоком воздуха, проходящим через щелевой диффузор 5.
Кроме того, выступы 7 образуют на фронтальной стороне лопастей 4 более жесткую структуру, чем, например, завихрители в виде удлиненных загнутых полосок. Конструкция лопастей 4 ротора становится при этом более жесткой, что дополнительно повышает устойчивость ветроэнергогенератора к штормовым и ураганным ветрам. Общая площадь поперечного сечения лопастей 4 с такими выступами 7 также больше и не имеет геометрических поднутрений. Это позволяет, в частности, изготавливать лопасти 4 объемно-полыми из тонкого металла методом прессования, что уменьшает их вес и делает ротор более легким. Это также способствует повышению коэффициента полезного действия ротора и повышает его прочность и технологичность и удешевляет его изготовление. Это в целом повышает эффективность ветроэнергогенератора.
Ветроэнергогенератор, выполненный в соответствии с изобретением, обладает более высоким (на 7-12%) коэффициентом полезного действия по сравнению с известными аналогичными. Он более эффективен в эксплуатации и дешевле в изготовлении.