УСКОРИТЕЛЬ ПОТОКА

Техническое решение относится к области технических средств, применяемых в аэро- и гидродинамике для регулирования скорости потока текучих сред, предпочтительно, потока воздуха, и может быть использовано в энергетике, а также других областях техники.
Известен (RU, патент 82276) ускоритель потока текучих сред. Известный ускоритель потока содержит первый элемент в форме усеченного конуса или многогранника, описанного вокруг усеченного конуса, диаметр меньшего основания которого равен 0,5-120 м, диаметр большего основания равен 0,55-150 м при высоте усеченного конуса 0,1-50 м, при этом образующая конуса представляет собой вогнутую в сторону центральной оси конуса кривую или ломаную линию, построенную вдоль кривой, и второй элемент в форме усеченного конуса или многогранника, описанного вокруг усеченного конуса, диаметр меньшего основания которого равен 0,5-120 м, диаметр большего основания равен 0,55-150 м при высоте усеченного конуса 0,25-80 м, образующая конуса представляет собой вогнутую в сторону центральной оси конуса кривую или ломаную линию, построенную вдоль кривой, указанные элементы обращены друг к другу меньшими основаниями, причем между первым и вторым элементом находится расположенный снаружи дополнительный элемент в виде усеченного конуса или многогранника, описанного вокруг усеченного конуса, диаметр меньшего основания дополнительного элемента равен 0,5-125 м, диаметр большего основания дополнительного элемента 0,7-200 м при высоте усеченного конуса дополнительного элемента 0,25-100 м, при этом высота первого элемента всегда меньше высоты дополнительного элемента, а диаметр большего основания первого элемента всегда меньше диаметра большего основания дополнительного элемента.
Недостатком известного ускорителя следует признать недостаточную скорость потока после ускорителя, а также особенность конструкции, которая ограничена применением всего одного тела вращения - усеченного конуса.
1
2
1
2
Известен также (RU, патент 2362904) ускоритель потока, содержащий, по меньшей мере, первый элемент, по меньшей мере, две поверхности которого предпочтительно расположены параллельно, причем каждая из указанных параллельных поверхностей представляет собой окружность или многоугольник, выполненный вокруг окружности, при этом диаметры окружностей не равны, при сечении окружностей плоскостью, проходящей через прямую, соединяющую центры указанных окружностей, причем указанная прямая лежит в этой плоскости, точка О, соответствующая месту пересечения плоскостью окружности меньшего диаметра и принятая за точку отсчета - точку начала двухмерной системы координат, причем ось абсцисс ОХ направлена по плоскости параллельно прямой, соединяющей центры указанных окружностей в сторону окружности большего диаметра, ось ординат OY направлена перпендикулярно оси абсцисс ОХ по плоскости в сторону от прямой, соединяющей центры указанных окружностей, и точка М, соответствующая месту пересечения той же плоскостью окружности большего диаметра, расположены по одну сторону плоскости, относительно прямой, соединяющей центры указанных окружностей, и точки О и М связаны соотношением, согласно которому координаты точки М в этой плоскости расположены выше оси абсцисс ОХ и правее оси ординат OY в области, ограниченной с одной стороны дугой АВ окружности радиуса R=0,6 D, причем D равно диаметру меньшей окружности, со второй стороны отрезком ВС прямой, которая параллельна оси абсцисс ОХ и расположена выше нее на расстоянии 0,7 D, с третьей стороны ограниченной дугой СЕ окружности радиуса R=2,0 D и с четвертой стороны ограничена отрезком ЕА прямой, которая параллельна оси абсцисс ОХ и расположена выше нее на расстоянии 0,1 D, причем центры окружностей с радиусами R и R находятся на положительной полуоси оси ординат OY, на расстоянии, соответственно 0,6 D и 2,0 D от точки О начала координат.
Недостатком известного ускорителя следует признать недостаточную скорость потока внутри ускорителя, а также особенность конструкции, которая ограничена применением элемента, две поверхности которого, предпочтительно, параллельны и представляют собой окружности или многоугольники, выполненные вокруг окружности, хотя технический результат можно достичь и при применении вместо окружности других замкнутых линий, - эллипса, овала и т.д.
Еще одним недостатком этого ускорителя является конструктивная ограниченность вариантов совмещения элементов. Так, второй элемент конструктивно всегда прилегает к первому элементу.
Еще одним недостатком этого ускорителя является ограниченная возможность по увеличению скорости потока и увеличению возможной мощности разработанного на его основе энергетического устройства, например, - ветрогенератора. Как известно, полезная мощность ветрогенератора пропорциональна площади, ометаемой ротором ветрогенератора поверхности и пропорциональна скорости потока в третьей степени. Поэтому, для того, чтобы увеличить мощность возможного устройства, необходимо «собрать» набегающий поток с возможно большей площади/объема и направить его на ротор с возможно большей скоростью. Для этого большинство ускорителей потока делают таким образом, что входная часть таких ускорителей обычно имеет большую площадь в сечении, перпендикулярном набегающему потоку, чем площадь сечения в месте возможной установки ротора ветрогенератора, т.е. входная часть таких устройств обычно является конфузором, в котором скорость потока и динамическое давление увеличиваются, а статическое давление уменьшается. Для локального увеличения скорости потока совместно с конфузором также применяют диффузор, в котором происходит постепенное замедление (расширение) потока и увеличение давления. Комбинация конфузора и диффузора может работать эффективно при условии отсутствия срывов потока внутри устройства. Любой срыв потока ведет к увеличению сопротивления и торможению всего потока. Для того чтобы избежать срыва потока, конфузор и диффузор обычно делают вытянутыми и гладкими, придавая им максимально обтекаемую форму. При таком подходе линейные размеры подобных ускорителей могут быть весьма значительными. Помимо безотрывного протекания внутри устройства необходимо добиться безотрывного обтекания снаружи устройства. При этом увеличение входного сечения конфузора может привести к срыву потока на передней кромке устройства. Поскольку разработанный ускоритель потока (RU, патент 2362904) имеет фактически совпадающую по кривизне внутреннюю и внешнюю поверхность входного элемента, он имеет ограниченную возможность по увеличению площади входного сечения без риска срыва потока на передней кромке ускорителя и, как следствие, - ограниченную возможность по увеличению скорости потока.
Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что указанные патенты являются лишь частными случаями более общего технического решения.
Техническая задача, решаемая путем использования разработанного устройства, состоит в локальном увеличении скорости потока текучей среды при одновременном уменьшении линейных размеров устройства и, дополнительно, в расширении применимости разных конструкционных элементов.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного устройства, состоит в расширении возможности использования природных и техногенных потоков текучих сред с низкой кинетической энергией в различных областях техники, а также в расширении конструктивных возможностей при построении устройства.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать ускоритель потока разработанной конструкции. Ускоритель потока разработанной конструкции состоит, по меньшей мере, из трех элементов. Каждый из указанных элементов содержит поверхность, состоящую из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, причем образующая выполнена с возможностью изменения размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей линии, при этом, по меньшей мере, одна из направляющих линий выполнена как набор, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии. Элемент также может содержать многогранник, выполненный вокруг поверхности или вписанный в поверхность, состоящей из совокупности последовательных положений перемещающейся в пространстве плоской замкнутой линии, именуемой образующей, причем образующая выполнена с возможностью изменения своих размеров и формы в процессе поступательного перемещения по направляющей, при этом направляющая линия выполнена как набор, по меньшей мере, одного отрезка прямой и/или, по меньшей мере, одной кривой линии. Начальная образующая первого элемента имеет меньшую длину, чем конечная образующая первого элемента, причем длина направляющей первого элемента не более чем в 200 раз больше длины начальной образующей первого элемента. Начальная образующая второго элемента имеет меньшую длину, чем конечная образующая второго элемента, причем, по меньшей мере, одна из образующих (кроме начальной и конечной) может иметь меньшую длину, чем начальная образующая, длина конечной образующей второго элемента больше, чем длина конечной образующей первого элемента, длина направляющей второго элемента не более чем в 200 раз больше длины образующей второго элемента самой меньшей длины. Начальная образующая третьего элемента имеет меньшую длину, чем конечная образующая третьего элемента, причем длина конечной образующей третьего элемента меньше, чем длина конечной образующей второго элемента, причем длина направляющей третьего элемента не более чем в 200 раз больше длины начальной образующей третьего элемента. Предпочтительно, любая направляющая линия может быть выполнена плоской и/или выпуклой. Преимущественно любая направляющая линия второго элемента может иметь разную кривизну. По меньшей мере, одна из образующих второго элемента, кроме начальной и конечной, может иметь меньшую длину, чем начальная образующая.
В предпочтительном варианте реализации первый элемент представляет собой циклическую поверхность с начальной образующей в виде окружности, центр которой перемещается по прямой линии, с монотонным изменением радиуса этой окружности от меньшего радиуса к большему радиусу в процессе перемещения, или многогранник, описанный вокруг или вписанный в циклическую поверхность с начальной образующей в виде окружности, центр которой перемещается по прямой линии, с монотонным изменением радиуса этой окружности в процессе перемещения.
В некоторых вариантах реализации второй элемент представляет собой циклическую поверхность с начальной образующей в виде окружности, центр которой перемещается по прямой линии, с монотонным изменением радиуса этой окружности от меньшего радиуса к большему радиусу и/или от меньшего радиуса к еще более меньшему радиусу, а затем к большему радиусу в процессе перемещения или многогранник, описанный вокруг или вписанный в циклическую поверхность с начальной образующей в виде окружности, центр которой перемещается по прямой линии, с монотонным изменением радиуса этой окружности от меньшего радиуса к большему радиусу и/или от меньшего радиуса к еще более меньшему радиусу, а затем к большему радиусу в процессе перемещения.
В некоторых вариантах реализации третий элемент представляет собой циклическую поверхность с начальной образующей в виде окружности, центр которой перемещается по прямой линии, с монотонным изменением радиуса этой окружности от меньшего радиуса к большему радиусу в процессе перемещения или многогранник, описанный вокруг или вписанный в циклическую поверхность с начальной образующей в виде окружности, центр которой перемещается по прямой линии, с монотонным изменением радиуса этой окружности в процессе перемещения.
Используемые элементы отличаются тем, что первый и третий элементы могут предпочтительно монотонно расширяться и/или монотонно сужаться, а второй элемент может либо монотонно расширяться, либо сначала сужаться, а затем расширяться.
В предпочтительном варианте реализации всего устройства первый и третий элемент соединяются меньшими (начальными) образующими непосредственно или с использованием соединительного элемента, например, цилиндра или многогранника описанного вокруг цилиндра или вписанного в цилиндр, составляя, таким образом, конфузор (первый элемент) и диффузор (третий элемент), которые вместе образуют внутреннюю поверхность протекания устройства. Второй элемент (в одном из предпочтительных вариантов реализации) пристыковывается своей начальной образующей к конечной образующей первого элемента, которая является передней кромкой всего устройства, образуя внешнюю поверхность обтекания всего устройства.
Набегающий поток разделяется передней кромкой устройства на две части, первая часть протекает через устройство, а вторая - обтекает устройство снаружи.
Конструкция второго элемента может быть такова, что кривизна входной наружной части устройства будет отличаться от кривизны входной внутренней части устройства, что позволит направить разделенный передней кромкой поток по поверхностям, имеющим разную кривизну. Этим можно добиться увеличения площади входного сечения устройства, по сравнению с описанными выше патентами, при безотрывном обтекании передней кромки устройства.
Большинство известных ускорителей потока конструируются исходя из необходимости обеспечить смыкание (соединение) внутреннего и внешнего потоков, разделенных передней кромкой устройства. Поэтому, задняя кромка подобных устройств похожа на заднюю кромку крыла, внутренняя и внешняя поверхности смыкаются в конце.
Характерным примером подобного устройства является ветровая турбина (US, патент 4075500), построенная с применением диффузора, который образован вращением вокруг направляющей окружности замкнутой линии, напоминающей профиль крыла той или иной формы.
Обтекание набегающим потоком такого устройства действительно дает увеличение скорости потока внутри такого устройства, но не очень значительное, и применимость подобной конструкции ограничена именно самой конструкцией крыла.
Для построения эффективного ускорителя потока желательно выполнение ряда условий, а именно: площадь входного сечения предпочтительно должна быть больше площади сечения в месте возможной установки ротора (при создании ветрогенератора), площадь выходного сечения предпочтительно должна быть больше площади входного сечения, при этом должно обеспечиваться безотрывное обтекание внутренней и внешней поверхности. Использование формы крыла для построения ускорителя потока ограничивает возможность значительного увеличения площади выходного сечения ускорителя потока, поскольку смыкание внутренней и внешней поверхности задней части устройства приводит к существенной кривизне поверхности внутренней части устройства, что почти всегда приводит к срыву потока в задней внутренней части и уменьшению скорости потока в месте установки ротора.
Для управления возможным срывом потока в задней части известны попытки применения щелей, отверстий, а также различных устройств управления пограничным слоем.
Но лучше всего избавиться от подобного явления - это просто разомкнуть внутреннюю и внешнюю задние части устройства.
Особенностью разработанной конструкции ускорителя потока следует признать создание вихревой зоны позади устройства и/или между третьим и вторым элементами и создание условий для безотрывного обтекания по внешней и по внутренней части устройства.
Пройдя заднюю кромку третьего элемента, внутренний поток как бы заворачивается наружу - в пространство между и за третьим и вторым элементами, а, пройдя заднюю кромку второго элемента внешний поток как бы заворачивается вовнутрь - в зону между и за третьим и вторым элементами. Поскольку в этой зоне и позади нее предпочтительно конструктивная пустота, то там же образуется вихревая зона, которая и вытягивает к себе поток изнутри устройства, не давая ему сорваться с поверхности третьего элемента, и уже потом, вдалеке за устройством вихри распадаются и поток стабилизируется.
Найденное решение вполне устойчиво параметрически, но форма и размеры каждого элемента оказывают значительное влияние на общую скорость потока внутри устройства. Увеличивая площадь входного или выходного внешнего сечения, можно получить отрыв на передней кромке и падение скорости потока внутри устройства. Загибая направляющую третьего элемента и увеличивая площадь внутреннего выходного сечения можно получить отрыв на его поверхности. Уменьшая длину второго элемента можно также проиграть в увеличении скорости потока в устройстве.
Разработанная конструкция ускорителя потока может иметь различные применения.
В первом случае, при применении устройства в энергетике, возможно его использование при строительстве ветро-гидроэлектростанций.
Ветроэнергетические установки имеют широкое применение в районах с высокой среднегодовой скоростью ветра. Как правило, все производители ветровых турбин рассчитывают на номинальную скорость ветра выше 10-11 м/с. Поэтому создание класса ветроустановок с номинальной скоростью ветра 5-6 м/с открывает возможности для использования ветроустановок в большинстве районов мира. С другой стороны, ускорение потока в плоскости ветроколеса способно снизить размеры ветроустановок при сохранении мощности либо существенно - более чем в 10-13 раз увеличить мощность имеющихся установок, при соответствующей модернизации генерирующего оборудования.
Устройство применимо при использовании в ветро- и гидроэнергетических установках с осью вращения ветро- или гидроколеса предпочтительно параллельной оси набегающего потока (горизонтально-осевые установки). В этом случае, разработанное устройство позволяет увеличить скорость набегающего на него потока более чем в 2,4 раза. Ветро- и/или гидроколесо располагается перпендикулярно (или под небольшим углом) к потоку и за счет вращения лопастей ветро- и/или гидроколеса через электрическую машину (например, генератор электрического тока) преобразует кинетическую энергию потока в месте расположения ветроколеса в электрическую энергию.
Кроме применения в энергетике (при создании ветровых и гидротурбин для ускорения движущегося потока и, таким образом, либо увеличения мощности равновеликих турбин, либо эффективной работе равновеликих турбин при более низких скоростях набегающего потока), оно может быть также использовано в различных областях техники, где необходимо увеличивать либо локальную скорость потока, либо количество забираемой через определенный диаметр текучей среды (воздуха, жидкости и т.д.).
Использование разработанного устройства в ряде случаев позволяет собирать поток с площади большей, чем занимает само устройство. Это значит, что при нахождении устройства в неподвижном потоке и создании искусственной разницы давлений перед устройством и внутри него внутрь устройства попадет значительно больше окружающей среды, чем попало бы в обычную трубу.
Изобретение может быть иллюстрировано следующим примером реализации.
Известна ветровая турбина с диаметром ротора 17 метров с установленной мощностью 75 кВт, которая может вырабатывать 7-8 кВт электроэнергии при скорости ветра в 5 м/с и/или 75 кВт при скорости ветра в 14 м/с. Применение разработанного устройства при строительстве ветровой турбины с таким же размером ротора позволит получать 75 кВт уже при скорости ветра в 5-6 м/с.
При реализации разработанного ускорителя потока для набегающего потока воздуха со скоростью 5 м/сек при интенсивности турбулентности до 20% и характерном размере энергонесущего вихря до 1 м в месте возможной установки ротора ветрогенератора получена средняя скорость потока свыше 12 м/сек.