ВЕТРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
WIND TURBINE PLANT

Изобретение относится к ветряным двигателям, в частности к ветротурбинным установкам, которые могут быть использованы в качестве автономного источника энергии, позволяющего получить экологически чистое, безопасное и надежное электроснабжение.
Известна ветротурбинная установка из патента RU 2286477, содержащая ротор, размещенный внутри корпуса 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 посредством кронштейнов. Корпус неподвижен, выполнен в виде направляющего аппарата, состоящего из вертикально расположенных направляющих лопаток, которые установлены под острым углом к 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 верхнюю часть полого корпуса, на котором установлен конфузор. В нижней части полого корпуса выполнены воздухоподводящие окна.
Известна также ветротурбинная установка из патента RU 2488019, содержащая статор с верхним и нижним основаниями, соединенными между собой вертикальными направляющими лопастями, ориентированными внутрь. В статоре размещен ротор, снабженный продольными лопатками. 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. Нижняя полуось ротора установлена на нижнем основании статора. Верхняя полуось соединена с верхним основанием при помощи радиальных ребер, установленных внутри конической части верхнего основания.
Однако такие установки обладают недостаточной эффективностью, поскольку не обеспечивают повторного использования остаточной энергии выходящего из ветроустановки ветропотока.
Наиболее близким аналогом является роторная ветроустановка из патентного документа KZ 24451, содержащая многоячеистый ветроуловитель с улиткообразными каналами приема ветра с недвижимыми вертикальными лопатками, ротор с четырехугольными лопастями, расположенными под углом к направлению ветра, закрепленными в конструкции ротора снизу и сверху. Ветер, попадая в улиткообразные камеры, образующиеся лопатками, расположенными вертикально под углом к направлению ветра, верхней крышей и нижним полом ветроуловителя, проходит через открытую половину ветроуловителя к лопастям рабочей стороны ветроколеса (ротора), которые расположены под определенным углом атаки к направлению ветра, ротор начинает вращаться вокруг своей оси, посредством рамы ротора, находящейся внутри юртообразного стального корпуса, который, в свою очередь, находится внутри улиткообразного воздухозаборника. На лопастях ротора установлены бортики с изогнутыми концами вверх, которые создают дополнительное сопротивление ветру, направляют воздух вверх к разрежителю для выброса через него в атмосферу. На входе каналов воздухозаборника предусмотрены жалюзи - предохранители, осуществляющие защиту конструкции от неблагоприятных погодных условиях природы (ураганы, вихри и т.п.).
Ротор в такой конструкции установлен таким образом, что ось его вращения перпендикулярна входящему воздушному потоку. При такой конструкции для оптимальной работы установки размеры ротора должны быть сопоставимыми с размерами ветроуловителя, что при значительных размерах ветроустановки приводит к неработоспособности установки при сильных порывах ветра, что подтверждается наличием жалюзи, которые установлены для остановки работы устройства при сильном ветре.
Данная конструкция обладает низкой эффективностью при сильных порывах ветра в связи со сложностью балансировки ротора при таких размерах, что приводит к возникновению вибрации на больших скоростях вращения ротора и его последующему разрушению под действием центробежных сил. Кроме того, эффективность такой установки при ее эксплуатации является низкой из-за того, что конструкция не обеспечивает повторное использование остаточной энергии выходящего из ветроустановки ветропотока.
Ветроуловитель ветроустановки, известной из наиболее близкого аналога, выполнен с плоской прямолинейной поверхностью, что не является аэродинамичным, так как в случае возникновения ветропорыва, не параллельного плоскости ветроуловителя, он не будет отражаться в сторону ветроколеса, что так же приводит к снижению эффективности установки. При эксплуатации установки ветропоток, поступающий на ротор, взаимодействует только с частью его верхней поверхности, что не обеспечивает высокую эффективность работы установки.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является недостаточная эффективность известных ветротурбинных установок.
Техническим результатом заявленного решения является повышение эффективности установки при любых продолжительности, скорости и направлении ветра.
Технический результат достигается за счет того, что ветротурбинная установка содержит установленный в корпусе ротор, выполненный в виде центробежной крыльчатки с лопатками, и ветроуловитель, содержащий вертикально ориентированные изогнутые в сторону ветропотока лопасти, смещенные относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием между ними вертикального воздуховода, причем ротор установлен на ветроуловителе и выполнен сообщающимся с ним, корпус ротора содержит выходные патрубки, один конец каждого из которых сообщается с внутренней частью корпуса ротора, а свободный конец направлен в воздуховод ветроуловителя, на лопастях ветроуловителя выполнены ребра жесткости, расположенные под углом к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону ветропотока на внутренних и внешних сторонах лопастей, лопатки ротора закреплены на центробежной крыльчатке со стороны внутренней поверхности корпуса и направлены по хордам корпуса ротора.
За счет выполнения вертикально ориентированных лопастей ветроуловителя изогнутыми в сторону ветропотока и установки их со смещением относительно друг друга с последовательным перекрытием друг друга с образованием вертикального воздуховода при работе установки обеспечивается закручивание поступающего в ветроуловитель ветропотока - эффект торнадо. За счет размещения ротора на ветроуловителе и выполнения корпуса ротора закрытым и сообщающимся с воздуховодом ветроуловителя обеспечивается дальнейшее поступление ветропотока на лопатки внутренней поверхности ротора. При этом ветропоток взаимодействует со всей верхней внутренней поверхностью ротора, что повышает эффективность работы установки. За счет наличия с внешней стороны корпуса ротора выходных патрубков, одни из концов которых сообщаются с внутренней частью ротора, а свободные концы направлены в воздуховод ветроуловителя, обеспечивается отвод поступающего в ротор воздушного потока обратно в ветроуловитель, что приводит к повторному использованию остаточной энергии выходящего из установки ветропотока и, соответственно, к повышению эффективности работы установки при любой продолжительности и скорости ветра.
Выходящий поток воздуха в предлагаемой установке без отрицательного взаимодействия с обдуваемым установку ветром не выбрасывается вверх с остаточным потенциалом, а поступает через выходные патрубки в воздуховод ветроуловителя для повторного использования, повышая эффективность. Таким образом, энергия ветропотока максимально используется для вращения лопаток ротора даже при минимальных размерах ротора относительно ветроуловителя.
В заявляемой конструкции ветротурбинной установки корпус ротора с центробежной крыльчаткой и выходными патрубками аналогичен конструкции центробежного вентилятора обратного действия, в которой центробежная крыльчатка приводится во вращение не электродвигателем, а восходящим крутящимся ветропотоком. Вал центробежной крыльчатки является валом ротора, соединенным с генератором. Так как скорость ветропотока, воздействующего на центробежную крыльчатку, прямо пропорциональна соотношению площади сечения ветропотока, входящего в ветроуловитель по всей его высоте, к площади сечения вертикального воздуховода, то скорость ветропотока, воздействующего на центробежную крыльчатку, на порядок больше скорости ветропотока, входящего в ветроуловитель. Лопасти, соединенные ребрами жесткости, выполненные внахлест и образующие вертикально ориентированный воздуховод, в совокупности выполняют функцию редуктора перед генератором вместо типового редуктора, соединяющего ротор с генератором, как в наиболее близком аналоге.
Отсутствие необходимости выполнения ротора по всей высоте установки упрощает конструкцию ветротурбинной установки, повышает ее надежность и работоспособность при любом ветре вследствие минимальных размеров отбалансированной в заводских условиях центробежной крыльчатки относительно габаритов ветротурбинной установки в целом. Производительность ветротурбинной установки определяется соотношением высоты ветроуловителей и диаметром вертикального воздуховода. Так как минимизация диаметра ограничена возникающими силами трения воздушного потока, размах ветроуловителя может быть ограничен отсутствием свободной площади.
Основной путь повышения производительности - увеличение высоты ветротурбинной установки с сохранением устойчивости и прочности конструкции, что обеспечивается продолжительностью нахлеста лопастей друг на друга и величиной длин сопряжения ребер жесткости с лопастями.
В отличие от наиболее близкого аналога, в котором скорость ветропотока трансформируется в скорость вращения генератора посредством ротора, имеющего высоту, равную высоте ветроустановки, кинематической цепочки с зубчатыми передачами, повышающими скорость вращения генератора и усложняющими конструкцию, в заявляемой конструкции ветротурбинной установки ротор генератора напрямую соединен с ротором ветротурбинной установки в виде центробежной крыльчатки, размеры которой минимальны относительно корпуса ветротурбинной установки без промежуточной кинематической схемы передачи вращения. Благодаря заявляемой конструкции, повышающей на порядок скорость ветропотока, взаимодействующего с центробежной крыльчаткой по отношению к скорости ветра, обдувающего ветротурбинную установку, обеспечивается работоспособность последней при малом ветре в том числе посредством возврата отработанного ветропотока обратно в ветротурбинную установку.
Минимизация размеров и массы ротора с лопатками, выполненного в виде центробежной крыльчатки, ограниченная только силой трения ветропотока в узком вертикальном воздуховоде, обеспечивает работоспособность ветротурбинной установки при любом ветре, т.к. позволяет исключить возникновение разрушающей центробежной силы, пропорциональной массе и квадрату радиуса вращения.
Частный случай реализации изобретения поясняется с помощью фиг. 1-5, на которых изображено:
на фиг. 1 - общий вид ветротурбинной установки;
на фиг. 2 - вертикальный разрез ветротурбинной установки;
на фиг. 3 - разрез А-А ветротурбинной установки;
на фиг. 4 - сечение Б-Б ветротурбинной установки;
на фиг. 5 - вид Г ветротурбинной установки.
На фиг. 1-5 позициями 1-6 обозначены:
1 - ротор;
2 - корпус;
3 - выходной патрубок;
4 - лопасть;
5 - ребро жесткости;
6 - лопатка.
В частном случае выполнения ветротурбинная установка с вертикальной осью вращения содержит ротор 1, выполненный в виде центробежной крыльчатки, расположенной в корпусе 2, снабженный по касательной к его окружности выходными патрубками 3 и установленный на ветроуловителе. Лопатки 6 центробежной крыльчатки ориентированы по хордам корпуса 2 ротора 1 в горизонтальной плоскости под углом к его радиусам, выполнены с возможностью их вращения относительно вертикальной оси. Ветроуловитель представляет из себя вертикальные лопасти 4, установленные внахлест с образованием единого вертикального щелевого воздуховода с ребрами жесткости 5, расположенными под углом к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону ветропотока на внутренних и внешних сторонах лопастей 4. Выходные патрубки 3, выполненные по касательным корпуса 2 ротора 1, выведены в сторону ветроуловителя. Лопатки 6 центробежной крыльчатки продлены к оси вращения центробежной крыльчатки с плавным изменением от вертикали ее поверхности до прямого угла к продолжению траектории расположения ребер жесткости 5 ветроуловителя.
Аналогом соотношения размеров габаритов ветротурбинной установки визуально могут служить соотношения размеров дымовых труб: диаметр к высоте.
Примером ветротурбинной установки для индивидуального использования может служить конструкция высотой примерно 10 м, диаметром центральной части воздуховода 0,4 м с максимальным размахом ветроуловителя 1,5 м с шестью лопастями 4 и шестью выходными патрубками 3 с максимальным просветом сечения для входящего ветропотока в ветроуловитель 0,5 м по всей его высоте и скоростью ветра 1 м/с на входе в ветроуловитель.
В этом случае ориентировочная скорость ветропотока, воздействующего на центробежную крыльчатку, вычисляется следующим образом:
V=1 м/с⋅(0,5 м⋅10 м)÷(3,14⋅0,4 м⋅0,4 м÷4)=5÷0,1256 м/с≈40 м/с.
С учетом потерь на трение и изменение траектории ветропотока в ветротурбинной установке его скорость воздействия на центробежную крыльчатку на порядок выше скорости на входе в ветроуловитель.
В заявляемой ветротурбинной установке изогнутые плоскости лопастей 4 могут быть выполнены в виде решетчатых каркасов из труб прямоугольного сечения, обшитых с обеих сторон светопрозрачными материалами, например на основе поликарбоната, с целью усиления тяги в вертикальном воздуховоде, существующей из-за разности давления по высоте благодаря прогреву воздуха при солнечной погоде. Такое исполнение при непрерывном повторном направлении отработанного воздушного потока в пазухи ветроуловителя, образованные лопастями 4, способствует непрерывному накоплению энергии возникшего ветропотока в ветротурбинной установке, что также способствует повышению эффективности при маловетренной погоде.
С целью повышения эффективности возможна установка гибких солнечных батарей на внутреннюю вогнутую поверхность лопастей 4.
Ребра жесткости 5 по длине выгнуты вверх таким образом, что угол их наклона в сторону ветра стремится к нулевому значению к горизонтали, а угол наклона α конца ребра в месте сопряжения с вертикальным воздуховодом определяется в интервале 60° ≤ α ≤ 90° к горизонтали с целью закручивания ветропотока в вертикальном воздуховоде. Ребра жесткости 5 выполнены из листового металла с отбортовкой по длине с обеих сторон и собраны с соседними посредством резьбовых соединений сквозь отбортовки и каркас лопастей 4, образуя из последних жесткую конструкцию, зафиксированную вверху ветротурбинной установки общим фланцем неподвижного корпуса 2 центробежной крыльчатки, а низ лопастей 4 неподвижно зафиксирован к бетонному фундаменту анкерными болтами.
Верхний угол выступающей части лопатки 6 в сторону оси вращения загнут по ее диагонали к продолжению траектории установки ребер жесткости 5.
Количество лопастей 4 ограничено только площадью места установки ветротурбинной установки вследствие необходимости увеличения диаметра вертикального воздуховода и радиуса размаха ветроуловителя с целью сохранения просвета между лопастями 4 для прохождения ветропотока.
Количество выходных патрубков 3 соответствует количеству лопастей 4 или меньше в кратное число раз.
В частном случае реализации лопатки 6 ротора 1 могут быть закреплены на центробежной крыльчатке со стороны внутренней поверхности корпуса 2 по хордам корпуса 2 ротора 1 в горизонтальной плоскости.
Каждая лопасть 4 ветроуловителя установлена неподвижно и может представлять собой часть боковой поверхности цилиндра с переменным радиусом вальцевания, например полуцилиндр, сегмент 1/3 цилиндра или сегмент 1/4 цилиндра.
Лопасти 4 выполнены обтекаемой аэродинамической формы и установлены на равном расстоянии друг от друга. На лопастях 4 ветроуловителя могут быть выполнены ребра жесткости 5, расположенные под углом к горизонтальной плоскости с уклоном в сторону ветропотока. Ребра жесткости 5 могут быть выполнены на внутренних и/или на внешних сторонах лопастей 1, что дополнительно повышает жесткость и аэродинамику устройства, повышая эффективность работы установки. Лопатки 6 центробежной крыльчатки могут быть продлены к оси ее вращения с плавным изменением от вертикали ее поверхности до прямого угла, к продолжению траектории расположения ребер жесткости 5.
Корпус 2 ротора 1 содержит стенки и верхнюю крышку, предотвращающие отрицательное взаимодействие обдуваемого ветра и потерю энергетического потенциала ветра. Нижняя часть корпуса 1 выполнена открытой, чтобы корпус 1 сообщался с воздуховодом.
Устройство работает следующим образом.
При попадании порыва ветра на ветроуловитель с наклонными ребрами жесткости 5 образуется восходящий поток воздуха, проходящий по закрученной траектории вертикального воздуховода на лопатки 6 центробежной крыльчатки ротора 1, расположенные под углом к направлению ветропотока. На вертикальные участки лопаток 6 действует избыточное давление восходящего потока воздуха, что приводит к их вращению относительно вертикальной оси ротора 1. Далее поток воздуха поступает в выходные патрубки 3, проходя через которые, поступает обратно в ветроуловитель без торможения от встречного ветра.
Предлагаемая конструкция ветротурбинной установки является работоспособной и энергоэффективной при любых продолжительности и скорости ветра, обеспечивает существенное снижение затрат на электричество при ее использовании.
Принцип действия заявляемой ветротурбинной установки может быть использован для выделения влаги из воздуха - причины падения давления и температуры при ускоренном перемещении воздуха внутри вертикального воздуховода, а также для охлаждения горячей воды в градирнях.